ESP + MQTT как основа умного дома

Платы ESP8266 стали очень популярны из-за своей низкой цены и совместимостью с Arduino IDE. Для решения задач устройств "Умного дома" они просто идеальны. ESP требует только подключения питания, а сбор и отправку данных она может осуществлять по Wi-Fi через домашний роутер.

Одним из популярных открытых протоколов связи для Умного дома является MQTT. Его основа - обычные http(s) сокет соединение. Протокол по сути дела описывает лишь язык, а не способ доставки данных. MQTT требует наличие сервера - брокера, который объединяет подключенные устройства в сеть. Сами же устройства при подключении подписываются на топики в которых отсылаются данные и брокер отсылает только те топики устройству, которые ему нужны.

Получить к возможность подключиться к брокер серверу можно двумя способами: воспользоваться бесплатными MGTT брокерами или поднять свой собственный сервер (путь самурая).

Первый вариант самый простой. Из бесплатных я бы рекомендовал cloudmqtt.com. Там есть ограничения по количеству устройств и запросов, но для домашнего использования этого более чем достаточно. При регистрации выдается логин, пароль, сервер к которому нужно делать коннект, тип соединения (с/без ssl).

Свой брокер поднять не на много сложнее. Дольше уйдет время на настройку окружения, чем на поднятие брокера. Сделать это можно на nodeJs с npm пакетом mqtt. Примеры можно посмотреть на сайте расширения. Но это уже выходит за рамки данной статейки.

Вернемся к нашей ESP. Из этих устройств мы соберем периферию по сбору данных. Для реализации устройств удобно использовать модуль ESP8266 ESP-12. Он имеет встроенный стабилизатор на 3.2 вольта и множество свободных GPIO для подключения периферии. Цена так себе, если паяльник не вызывает страха, то можно замутить на 01/07 модулях. На али такие меньше чем за 2$ за штуку можно отхватить.

Настройка Arduino IDE

Для прошивки ESP будем использовать Arduino IDE. Просто так взять и залить скетч нельзя. Для начала нужно подготовить настроить IDE для работы с платой ESP.

Запускаем наше IDE и идем в Файл - Настройки.

Прописываем ссылку на менеджер плат http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
Теперь выбираем Инструменты - Плата - Менеджер плат. В конце списка мы увидим esp8266 by esp8266 Community.

Выбираем последнюю версию и жмем Установить.

Esp прошивает на другой скорости чем чипы Atmega и по тому нам нужно в первую очередь изменить скорость uart. Инструменты - Upload Speed:-115200:

Не забываем задать тип платы: Инструменты - Generic ESP8266 Module.

Ну и все, наше IDE готово загружать скетч в ESP. Если вы счастливый обладатель ESP8266 ESP-12 - переключаем в режим программирования, тыкаем usb, выбираем COM порт и погнали. Если плата попроще (ESP8266-01), не беда. Подключаем GPIO0 на землю, USB-UART "свисток", подаем стабильные 3.2 вольт и наша дешевая плата тоже готова принять скетч. Распиновка подключения для 01:

Скетч для MQTT

Наша демонстративная схема будет лишь отдавать данные брокеру через равные промежутки времени и слушать топики, на которые подписана.

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>

const char *ssid = "xxxxxx"; // Имя роутера
const char *pass = "xxxxxx"; // Пароль роутера

const char *mqtt_server = "m13.cloudmqtt.com"; // Имя сервера MQTT
const int mqtt_port = 14483; // Порт для подключения к серверу MQTT
const char *mqtt_user = "xxxxxx"; // Логи для подключения к серверу MQTT
const char *mqtt_pass = "xxxxxx"; // Пароль для подключения к серверу MQTT

const int led = 5; // диод на плате

#define BUFFER_SIZE 100

int tm = 300;
float temp = 0;

WiFiClient wclient; 
PubSubClient client(wclient, mqtt_server, mqtt_port);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(10);

  Serial.println();
  Serial.println();

  pinMode(led, OUTPUT);
}

// Функция отправки показаний
void refreshData() {
  if (tm == 0) {
    time = millis();
    client.publish("test/1", time);
    tm = 3000; // пауза меду отправками 3 секунды
  }
  tm--;
  
  delay(1); 
}

// Функция получения данных от сервера
void callback(const MQTT::Publish& pub)
{
  String payload = pub.payload_string();
  String topic = pub.topic();
  
  Serial.print(pub.topic()); // выводим в сериал порт название топика
  Serial.print(" => ");
  Serial.println(payload); // выводим в сериал порт значение полученных данных

  // проверяем из нужного ли нам топика пришли данные 
  if(topic == "test/2")
  {
     Serial.println("test/2 OK"); // выводим в сериал порт подтверждение, что мы получили топик test/2
  }
}

void loop() {
  // подключаемся к wi-fi
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    Serial.print("Connecting to ");
    Serial.print(ssid);
    Serial.println("...");
    WiFi.begin(ssid, pass);
    
    if (WiFi.waitForConnectResult() != WL_CONNECTED) return;
    Serial.println("WiFi connected");
  }
  
  // подключаемся к MQTT серверу
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    if (!client.connected()) {
      Serial.print("Connecting to MQTT server ");
      Serial.print(mqtt_server);
      Serial.println("...");
      if (client.connect(MQTT::Connect("arduinoClient2").set_auth(mqtt_user, mqtt_pass))) {
        Serial.println("Connected to MQTT server ");
        client.set_callback(callback);
        // подписываемся под топики
        client.subscribe("test/1");
        client.subscribe("test/2");
      } else {
        Serial.println("Could not connect to MQTT server"); 
      }
    }
    
    if (client.connected()){
      client.loop();
      refreshData();
    }
  
  }
}

Код выполняет соединение к Wi-Fi точке доступа в квартире, через интернет соединяется к брокер серверу. Подписывается на топики test/1 и test/2. Отсылает раз в 3 секунды значение системного счетчика. В общем, ничего лишнего.

Брокер сервер работает таким образом, что на устройство будут отправлены только те топики на которое он подписан. Таким образом, мы не перегружаем сеть лишними данными.

Настройка клиента на телефоне

Скачиваем приложение в маркетплейсе Android/iPhone - IoT MQTT Dashboard или любое аналогичное. Они все работают одинаково.

В запущенном приложении нужно задать хост, логин, пароль, порт брокер-сервера.

Далее мы попадаем на страницу подписок. Задаем наши два топика "test/1" и "test/2" - теперь мы всегда будем видеть последние присланные значения этих топиков. Это может быть температура воздуха или влажность земли в теплице. Есть поддержка передачи изображения в base64, но это уже совсем другая история.

На втором экране мы можем создать управляемые контролы: кнопки, переключатели, выбор цвета, мультиселек, поле ввода текста. Добавляем переключатели и вбиваем в них наши топики "test/1" и "test/2". Запускаем и видим как переключение топиков сразу же вываливает в консоль UART микроконтроллера ответы. Колдунство!

Данная инструкция открывает простор перед фантазией разработчика. С ее помощью можно сделать компоненты умного дома, которые будут управлять RGB лентой, защищать квартиру от протечек, управлять пелетным/газовым котлом и многое другое.