Умная система мониторинга качества воздуха и заполненности мусорных баков

Компоненты и материалы

Raspberry Pi 3 Model B	1
Arduino UNO	1
NodeMCU ESP8266 Breakout Board	1
Датчик температуры и влажности DHT11 (4 пина)	1
Газовый датчик Seeed Grove MQ2	1
Датчик CO MQ-7	1
Ультразвуковой датчик HC-SR04	1
Блок питания Raspberry Pi	1
HDMI-кабель	1
USB-A to B кабель	1
Перемычки	1
Батарея 5V	1

Приложения и онлайн-сервисы

• IOTA Tangle
• Node.js
• Raspberry Pi Raspbian
• Arduino IDE
• MQTT

О проекте

1. Введение

Автоматизация зданий — это централизованное управление отоплением, вентиляцией, кондиционированием, освещением и другими системами через систему управления зданием (BAS). Цели: комфорт жильцов, энергоэффективность, снижение затрат, продление срока службы систем.

IOTA — технология распределённого реестра с открытым исходным кодом для безопасного обмена данными и ценностями в IoT. Вместо блокчейна используется архитектура Tangle на основе направленного ациклического графа (DAG). Преимущества: отсутствие комиссий, низкая задержка, масштабируемость. В 2019 году ожидалось массовое внедрение.

Характеристики Raspberry Pi 3 B:

• CPU: 4-ядерный 64-битный ARM Cortex A53 @ 1.2 ГГц
• GPU: VideoCore IV @ 400 МГц
• RAM: 1 ГБ LPDDR2-900 SDRAM
• USB: 4 порта
• Видео: HDMI, композитный (3.5 мм)
• Сеть: Ethernet 10/100, WiFi 802.11n

Особенности Arduino UNO:

• MCU: ATmega328
• Напряжение: 5В (вход 7-12В рекомендуемое)
• Цифровые I/O: 14 (6 PWM)
• Аналоговые входы: 6
• Ток на пин: 40 мА

NodeMCU ESP8266:

• Программируемый WiFi-модуль
• Arduino-подобный аппаратный I/O
• Программируется в Arduino IDE
• USB-TTL встроен
• 10 GPIO, PWM, I2C, SPI, 1-Wire, ADC

Проект разбит на главы:

1. Введение
2. Установка ПО
3. Мониторинг качества воздуха v1
4. Мониторинг качества воздуха v2
5. Мониторинг мусорных баков
6. Заключение

2. Установка программного обеспечения

a) Установка Raspbian на Raspberry Pi 3 B через NOOBS: raspberrypi.org

b) Установка Node.js:

curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_8.x | sudo -E bash -
sudo apt-get install -y nodejs

c) Библиотека BCM2835 для работы с DHT11:

wget https://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.56.tar.gz
tar zxvf bcm2835-1.56.tar.gz
cd bcm2835-1.56
./configure && make && sudo make check && sudo make install

d) Проект indoor-air-quality-iota:

cd ~
git clone https://github.com/guillengap/indoor-air-quality-and-garbage-monitoring-system.git
cd indoor-air-quality-and-garbage-monitoring-system
npm install

e) Установка serialport: npm install serialport

f) Arduino IDE: arduino.cc

3. Мониторинг качества воздуха v1

Данные DHT11 публикуются в Tangle через MAM (Masked Authenticated Messaging).

Файлы проекта:

• sensor.js — чтение и вывод температуры/влажности.
• mam_sensor.js — публикация данных в IOTA Tangle через MAM.
• mam_receive.js — извлечение и отображение данных из Tangle.

Полный узел и ключ заданы в коде. Остановка скрипта: CTRL+Z.

Подключение:

Запуск:

node sensor.js          # проверка датчика
node mam_sensor.js      # отправка в Tangle

Используемый узел: https://potato.iotasalad.org:14265. Список узлов: iotasalad.org/nodes.

Отправляемые данные: Город: MEXICO, Здание: 65, Время (UTC), Температура (°C/°F), Влажность (%).

Получение данных: node mam_receive.js <your_root>

4. Мониторинг качества воздуха v2

Данные DHT11, MQ-2 (LPG), MQ-7 (CO) публикуются в Tangle через MAM.

Файлы:

• sensorArduino.ino — опрос трёх датчиков.
• listportsArduino.ino — определение порта Arduino.
• sensorArduino.js — чтение и вывод данных.
• mam_sensorArduino.js — публикация в Tangle.
• mam_receiveArduino.js — чтение из Tangle.

Библиотеки датчиков (DHT11, MQ-2, MQ-7) устанавливаются в Arduino IDE. Скетч загружается в Arduino, порт выбирается (например, /dev/ttyACM0).

node listportsArduino.js      # проверка порта
node mam_sensorArduino.js     # отправка в Tangle

Данные: Город: NY, Здание: 13, Время (UTC), LPG (ppm), CO (ppm), Температура (°C), Влажность (%).

Чтение: node mam_receiveArduino.js <your_root>

5. Система мониторинга мусорных баков

Данные ультразвукового датчика SRF05 (HC-SR04) с NodeMCU отправляются через MQTT на Raspberry Pi, затем в IOTA Tangle via MAM.

Файлы:

• trashcan.ino — расчёт заполненности бака (%), отправка по MQTT.
• nodemcu_mqtt_mam.js — публикация в Tangle.
• nodemcu_mam_receive.js — чтение из Tangle.

Настройка NodeMCU:

• Добавить URL менеджера плат: https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
• Установить пакет esp8266 через Boards Manager.
• Библиотека PubSubClient для MQTT (Nick O'Leary).

Установка Mosquitto (MQTT брокер) на Raspberry Pi:

cd ~
wget https://repo.mosquitto.org/debian/mosquitto-repo.gpg.key
apt-key add mosquitto-repo.gpg.key
cd /etc/apt/sources.list.d/
wget https://repo.mosquitto.org/debian/mosquitto-stretch.list

# Зависимости
wget https://security.debian.org/debian-security/pool/updates/main/o/openssl/libssl1.0.0_1.0.1t-1+deb8u11_armhf.deb
sudo dpkg -i libssl1.0.0_1.0.1t-1+deb8u11_armhf.deb
wget https://ftp.nz.debian.org/debian/pool/main/libw/libwebsockets/libwebsockets3_1.2.2-1_armhf.deb
sudo dpkg -i libwebsockets3_1.2.2-1_armhf.deb

sudo apt-get install mosquitto mosquitto-clients
# При проблемах: npm install mqtt --save

sudo reboot
mosquitto -v
# Управление: sudo /etc/init.d/mosquitto start/stop
ifconfig  # узнать IP Raspberry Pi

Настройка trashcan.ino:

• Плата: NodeMCU 1.0
• Serial.begin(115200)
• WiFi SSID/пароль
• MQTT сервер = IP Raspberry Pi
• Длина бака (см), например 25

node nodemcu_mqtt_mam.js    # отправка в Tangle

Данные: Город: BERLIN, Здание: 7, Время (UTC), Заполненность (%). Узел: https://durian.iotasalad.org:14265.

Чтение: node mam_receiveArduino.js <your_root>

6. Заключение

v1: Успешный мониторинг температуры/влажности в здании (Мехико). Базовый тест с DHT11, Raspberry Pi 3B, JS, IOTA.

v2: Добавлены датчики MQ-2 (пропан) и MQ-7 (CO). Симуляция в Нью-Йорке. Arduino UNO + Raspberry Pi, передача через MAM. Подходит для умных зданий и промышленности с углеводородными газами.

Мусорные баки: Контроль заполненности в Берлине. Ультразвуковой датчик на NodeMCU, MQTT, IOTA. Позволяет знать процент заполнения и время последней очистки, предотвращая запахи разложения.

Код

• Репозиторий проекта

Основные файлы: sensor.js, mam_sensor.js, mam_receive.js, mam_sensorArduino.js, mam_receiveArduino.js (приведены в исходнике).

Схемы

Схемы подключения для всех трёх версий проекта.