Развертывание системы умного дома с использованием Node-RED и Mosquitto

Перед началом работы

1. Зарегистрируйтесь в личном кабинете Cloud.ru.

   Если вы уже зарегистрированы, войдите под своей учетной записью.

2. Сгенерируйте ключевую пару и загрузите публичный ключ в Cloud.ru Evolution.

1. Разверните ресурсы в облаке

1. Создайте виртуальную сеть с названием vpc-home.

2. Создайте подсеть со следующими параметрами:

   • Название: subnet-home.

   • VPC: vpc-home.

   • Адрес: 10.10.1.0/24.

   • DNS-серверы: 8.8.8.8.

3. Создайте группу безопасности с названием sg-home и добавьте в нее правила:

   • Правила входящего трафика:

     Протокол	Порт	Тип источника	Источник
     TCP	1883	IP-адрес	0.0.0.0/0
     TCP	1880	IP-адрес	0.0.0.0/0
     TCP	22	IP-адрес	0.0.0.0/0

   • Правила исходящего трафика:

     Протокол	Порт	Тип адресата	Адресат
     TCP	1883	IP-адрес	0.0.0.0/0
     Любой	Любой	IP-адрес	0.0.0.0/0

4. Создайте виртуальную машину со следующими параметрами:

   • Название: vm-home.

   • Образ: публичный образ Ubuntu 22.04.

   • Сетевой интерфейс: выберите тип Подсеть с публичным IP.

   • VPC: vpc-home.

   • Подсеть: subnet-home.

   • Публичный IP: оставьте Арендовать новый или выберите IP-адрес из списка арендованных.

   • Группы безопасности: добавьте sg-home.

   • Метод аутентификации: Публичный ключ.

   • Публичный ключ: укажите ключ, созданный ранее.

   • Остальные параметры оставьте по умолчанию или выберите на свое усмотрение.

1. На странице Сети → VPC отображается сеть vpc-home, а в списке ее подсетей — subnet-home.

2. На странице Сети → Группы безопасности отображается группа безопасности sg-home со статусом «Создана».

3. На странице Инфраструктура → Виртуальные машины отображается виртуальная машина vm-home со статусом «Запущена».

2. Настройте окружение виртуальной машины

1. Подключитесь к виртуальной машине по SSH.

2. Обновите систему и установите утилиты:

   sudo apt update && sudo apt upgrade -y
   sudo apt install curl wget unzip software-properties-common -y
   
   

3. Установите пакетный менеджер pip и обновите его до последней версии:

   sudo apt install -y python3-pip &&
   python3 -m pip install --upgrade pip
   
   

4. Установите Node.js и npm:

   curl -fsSL https://deb.nodesource.com/setup_18.x | sudo -E bash -
   sudo apt install -y nodejs build-essential
   
   

5. Установите Node-RED:

   sudo npm install -g --unsafe-perm node-red
   
   

6. Настройте автоматический запуск Node-RED:

   sudo npm install -g pm2
   pm2 start $(which node-red) --name nodered
   pm2 save && pm2 startup
   
   

7. Установите Mosquitto:

   sudo apt install -y mosquitto mosquitto-clients
   sudo systemctl enable mosquitto
   
   

8. Установите Python-библиотеку paho-mqtt для работы с MQTT-протоколом с разрешением на модификацию системных пакетов:

   pip3 install paho-mqtt --break-system-packages
   
   

3. Настройте основные компоненты умного дома

1. Создайте директорию проекта и перейдите в нее:

   mkdir smart_home && cd smart_home
   
   

2. Создайте файл temp_sensor.py:

   nano temp_sensor.py
   
   

3. Добавьте в файл скрипт-эмулятор датчика температуры, который каждые 5 секунд генерирует случайный показатель температуры в диапазоне 18–35 °C.

   import time
   import random
   import paho.mqtt.client as mqtt
   
   
   broker = "localhost"
   topic = "/home/room1/temp"
   
   
   client = mqtt.Client()
   client.connect(broker, 1883, 60)
   
   
   while True:
      temp = round(random.uniform(18.0, 35.0), 1)
      print(f"[Sensor] Current temperature: {temp} °C")
      client.publish(topic, temp)
      time.sleep(5)
   
   

   Где:

   • broker = "localhost" — указывает брокер. Значение localhost используется, если Mosquitto установлен на той же машине, на которой запускается эмулятор.

   • topic = "/home/room1/temp" — указывает MQTT-топик, в который публикуется сгенерированный показатель.

4. Создайте файл ac_emulator.py:

   nano ac_emulator.py
   
   

5. Добавьте в файл скрипт-эмулятор кондиционера, который подключается к Mosquitto и подписывается на MQTT-топик /home/room1/ac. При получении сообщения скрипт выводит информацию о том, включен кондиционер или нет.

   import paho.mqtt.client as mqtt
   
   
   topic = "/home/room1/ac"
   
   
   def on_connect(client, userdata, flags, rc):
      print("[AC] Connected with result code " + str(rc))
      client.subscribe(topic)
   
   
   def on_message(client, userdata, msg):
      command = msg.payload.decode()
      print(f"[AC] Received command: {command}")
      if command.upper() == "ON":
         print("[AC] ❄️ Air conditioner turned ON")
      elif command.upper() == "OFF":
         print("[AC] 🔕 Air conditioner turned OFF")
      else:
         print("[AC] ⚠️ Unknown command")
   
   
   client = mqtt.Client()
   client.on_connect = on_connect
   client.on_message = on_message
   
   
   client.connect("localhost", 1883, 60)
   client.loop_forever()
   
   

4. Визуализируйте работу компонентов умного дома

1. На компьютере откройте браузер и перейдите по адресу http://<ip-address>:1880/, где <ip-address> — это публичный IP-адрес виртуальной машины.

   Откроется веб-интерфейс Node-RED.

2. Перетащите в рабочую область следующие узлы:

   • mqtt in

   • function

   • mqtt out

   

3. Настройте узел mqtt in:

   1. В рабочей области дважды нажмите на первый элемент mqtt.

   2. В открывшемся окне cправа от поля Сервер нажмите +.

   3. Укажите параметры:

      • Имя: my_server;

      • Адрес: localhost;

      • Порт: 1883.

   4. Нажмите Добавить.

   5. Укажите остальные параметры узла:

      • Тема: /home/room1/temp.

      • Quality of Service (QoS): 0.

      • Имя: Температура.

   6. Нажмите Готово.

4. Настройте узел function, чтобы он сравнивал температуру с пороговыми значениями и отправлял кондиционеру команду ON или OFF.

   1. В рабочей области дважды нажмите на элемент function.

   2. В поле Имя введите значение Порог температуры.

   3. На вкладке Функция в поле ввода вставьте код:

      let temp = parseFloat(msg.payload);
      if (temp > 26) {
         msg.payload = "ON";
      } else {
         msg.payload = "OFF";
      }
      return msg;
      
      

5. Настройте узел mqtt out.

   1. Дважды нажмите на второй элемент mqtt.

   2. Укажите следующие значения параметров:

      • Сервер: my_server;

      • Тема: /home/room1/ac;

      • Имя: Кондиционер.

   3. Нажмите Готово.

6. Соедините узлы.

   

5. Протестируйте сценарий

1. Откройте два окна терминала. В обоих окнах подключитесь по SSH к виртуальной машине, на которой вы настраивали систему умного дома.

2. В одном терминале запустите эмулятор датчика температуры:

   python3 temp_sensor.py
   
   

3. Во втором терминале запустите эмулятор кондиционера:

   python3 ac_emulator.py
   
   

4. На странице Node-RED http://<ip-address>:1880/ нажмите Развернуть.

5. Откройте терминал с запущенным эмулятором кондиционера.

Результат