Problem Set #3: The Things

alebo o prvej vrste IoT architektúry

Upozornenie

Work in progess! Dokumentácia nie je úplná a bude priebežne dopĺňaná.

Zariadenia nachádzajúce sa na prvej vrstve architektúry sú reprezentované chytrými senzormi a akčnými členmi. Obecne sa môže jednať o:

treťostranové zariadenia
vami vytvorené zariadenia

Treťostranové zariadenia

Tieto zariadenia si môžete kúpiť a umiestniť ich do miestnosti. K dispozícii máte obrovské množstvo zdrojov (napr. alza.sk, aliexpress.com), ako aj výrobcov (napr. Xiaomi, Antik, Ikea, Lidl, TESLA).

Hlavným komunikačným kanálom a protokolom celej infraštruktúry je komunikačný protokol MQTT. V prípade treťostranových zariadení teda musíte nájsť spôsob, ako tieto zariadenia do tejto infraštruktúry integrovať a pripojiť k zariadeniu IoT Gateway vo vašej miestnosti. Zariadenia môžu totiž používať rozličné komunikačné protokoly. Takže sa predtým, ako ktorékoľvek zariadenie kúpite, uistite, či ho budete vedieť pripojiť. K tomu vám môžu pomôcť služby a projekty, ktoré sú na IoT Gateway spustené:

zoznam Zigbee zariadení, s ktorými vie pracovať služba Zigbee2MQTT
zoznam BLE zariadení, s ktorými vie pracovať službe Theengs
zoznam WiFi zariadení, na ktoré viete nahrať alternatívny firmvér Tasmota

Upozornenie

Pri pridávaní nových Zigbee zariadení si dajte pozor! Ak náhodou budete pridávať nové zariadenia v susedných miestnostiach nazar, môže sa stať, že vaše zariadenie bude skôr rozpoznané vo vedľajšej miestnosti ako vo vašej. Automatické pripájanie nových zariadení je síce vypnuté, ale pri experimentovaní sa vám to môže stať. Ak sa to stane, zariadenie vo svojej miestnosti pridajte znova.

Upozornenie

Ak si kúpite zariadenie, ktoré vie komunikovať pomocou WiFi, obyčajne komunikuje s externou službou alebo Gateway zariadením výrobcu. Aby ste ho vedeli integrovať do našej infraštruktúry, potrebujete buď softvérový bridge alebo na takéto zariadenie nahrať alternatívny firmvér, akým je napríklad Tasmota. Pred kúpou takéhoto zariadenia sa vždy uistite, či tam takýto alternatívny firmvér viete nahrať!!! V opačnom prípade ho nebudete vedieť použiť.

Vami vytvorené zariadenia

Chytré zariadenie si môžete vytvoriť sami pomocou ľubovoľného mikrokontroléra - pre vaše riešenie môžete použiť ľubovoľný mikrokontrolér a naprogramovať ho môžete v ľubovoľnom programovacom jazyku.

Pri implementácii vlastných zariadení sa snažte o dodržanie všetkých odporúčaní, o ktorých sme hovorili v rámci predmetu. Dbajte teda:

o bezpečnosť vášho zariadenia,
nízku spotrebu,
jednoduchosť návrhu,
zvládnutie výpadku spojenia,
zabezpečenie OTA aktualizácie (bonus), a
všeobecnú spoľahlivosť.

Ako sa pripojiť ku zariadeniu IoT Gateway?

Vami vytvorené zariadenie viete do infraštruktúry pripojiť prostredníctvom zariadenia IoT Gateway, ktoré sa nachádza vo vašej miestnosti. Pre komunikáciu s ním môžete použiť napr. tieto možnosti:

pripojiť sa pomocou WiFi a komunikovať pomocou MQTT protokolu s MQTT brokerom, ktorý sa nachádza na zariadení
vytvoriť BLE beacon, ktorého dáta bude možné odchytiť pomocou na zariadení IoT Gateway pomocou služby Theengs

Poznámka

Na vytvorenie WiFi siete sa používa zabudovaný WiFi adaptér na minipočítači Raspberry Pi 3. Keďže nemá externú anténu, má obmedzený dosah, ktorý je zhruba 30 metrov v otvorenom priestore. Ak sa budete snažiť k WiFi sieti pripojiť z chodby, dosah siete bude menší.

Upozornenie

Pokiaľ WiFi adaptér na minipočítači Raspberry Pi pracuje v režime Access Point, umožní pripojiť len istý počet zariadení. Po dosiahnutí tohto limitu (ktorý je pod 10) sa k WiFi sieti už nepripojí žiadne ďalšie zariadenie. Rozhodne sa preto k WiFi sieti, ktorú vytvára zariadenie IoT Gateway nepripájajte pomocou vašich laptopov!!! S vašimi chytrými zariadeniami sa k tejto WiFi sieti pripájajte taktiež len na nevyhnutný čas!!!

Ako synchronizovať čas?

Ak potrebujete synchronizovať čas na vašom chytrom zariadení, môžete na to využiť služby Chrony, ktorá je spustená na zariadení IoT Gateway na štandardnom porte 123.

Ako komunikovať pomocou protokolu MQTT?

Ak sa vaše chytré zariadenie bude k zariadeniu IoT Gateway pripájať pomocou WiFi, komunikovať s celou infraštruktúrou bude prostredníctvom protokolu MQTT. Štruktúra každej témy je záväzná a vyzerá takto:

gw/<type>/<id>/<operation>

Význam jednotlivých častí je nasledovný:

gw - povinný lokálny prefix
<type> - typ zariadenia, napr. temperature pre meranie teploty, audio pre meranie/ovládanie hlasitosti
<id> - identifikátor zariadenia, pokiaľ sa nejedná o špeciálne označené zariadenie (napr. predné/zadné dvere), používajte svoj študentský identifikátor v tvare ab123cd
<operation> - definuje, či je správa vstupná alebo výstupná, a čo reprezentuje

Okrem toho dodržiavajte tieto pravidlá:

Ak vytvárate senzor, ktorý zbiera dáta v pravidelných intervaloch, tak svoje namerané dáta publikujte do témy gw/<type>/<id>/data alebo gw/<type>/<id>/metrics.
Ak vytvárate senzor alebo akčný člen, ktorý generuje udalosti (napr. boli otvorené dvere), tak tieto posielajte v téme gw/<type>/<id>/event
Stav vášho zariadenia, ako aj jeho poslednú vôľu, publikujte do témy gw/<type>/<id>/status. Tieto správy budú označené príznakom RETAIN.
Vaše zariadenie by sa malo prihlásiť na odbed týchto dvoch tém:
- gw/<type>/<id>/set - Správy odoslané do tejto témy slúžia na aktualizáciu, resp. zmenu nastavení vášho zariadenia.
- gw/<type>/<id>/cmd - pomocou správ odoslaných do tejto témy budete môcť vaše zariadenie ovládať na diaľku

Pokiaľ vaše zariadenie pracuje s týmito témami, vaše správy budú automaticky preposielané do a sťahované zo zariadenia Mother.

Poznámka

Vaše zariadenie však môže pracovať ako multi senzor alebo multi akčný člen. Napr. môže okrem senzoru teploty obsahovať aj senzor vlhkosti (napr. senzor DHT11 alebo DHT22). V tom prípade bude namerané údaje publikovať do dvoch tém: jednu pre teplotu a druhú pre vlhkosť. Rovnako sa prihlási na odber v dvoch témach pre možnosť nastaviť správanie jedného aj druhého senzora.

Napájanie

Ak je vaše zariadenie senzor, ktorý v pravidelných intervaloch len zosníma nejakú hodnotu, musí byť napájané z vašej batérie.

Pokiaľ však vaše zariadenie pracuje ako akčný člen (napr. ovláda prácu čerpadla pre zavlažovanie kvetináča) a očakáva sa okamžitá spätná väzba, podľa potreby môže byť pripojené do elektrickej siete.