物联网项目准备与HTTP协议基础

### 物联网项目准备与HTTP协议基础 #### 1. 物联网项目介绍 在物联网领域，传感器和执行器是常见的设备类型。传感器用于感知物理量或事件，而执行器则用于控制事件或与物理世界进行交互。下面将详细介绍执行器项目、控制器项目和相机项目。 ##### 1.1 执行器项目 执行器项目旨在创建一个可在独立的树莓派上运行的简单执行器。该执行器具有八个数字输出和一个报警输出，且本身不包含任何控制逻辑，而是通过发布接口供控制器使用。 - **硬件连接** - **数字输出**：每个数字输出连接一个160Ω电阻和一个红色LED到地。LED按顺序连接到GPIO引脚18、4、17、27、22、25、24和23。若使用树莓派R1，GPIO引脚27应重新编号为21。 - **报警输出**：将扬声器连接到GPIO引脚7（CE1）并接地。同时，从GPIO 8（CE0）连接一个160Ω电阻到一个绿色LED，再接地，该绿色LED用于显示应用程序的执行状态。 - **硬件接口** - 除报警输出外，所有硬件接口均为简单的数字输出，可通过`DigitalOutput`类进行控制。 - 报警输出通过`SoftwarePwm`类在GPIO引脚7输出方波信号来控制扬声器。`SoftwarePwm`类仅在输出激活时创建，未激活时，引脚作为数字输入。 - 相关声明代码如下： ```csharp private static DigitalOutput executionLed = new DigitalOutput (8, true); private static SoftwarePwm alarmOutput = null; private static Thread alarmThread = null; private static DigitalOutput[] digitalOutputs = new DigitalOutput[] { new DigitalOutput (18, false), new DigitalOutput (4, false), new DigitalOutput (17, false), new DigitalOutput (27, false),// pin 21 on RaspberryPi R1 new DigitalOutput (22, false), new DigitalOutput (25, false), new DigitalOutput (24, false), new DigitalOutput (23, false) }; ``` - 数字输出可直接使用`digitalOutputs`数组中的对象进行控制，报警则通过调用`AlarmOn()`和`AlarmOff()`方法进行控制。 ##### 1.2 控制器项目 控制器项目为网络提供智能。它从传感器获取数据，进行逻辑判断，并使用执行器将判断结果告知外界。具体来说，控制器会读取传感器提供的环境光和运动检测数据，若环境黑暗且有运动，则触发报警，并使用控制器的LED显示光照强度。 - **传感器值表示** - 为创建控制器，首先需要访问传感器以获取相关数据。将传感器数据复制到以下私有成员变量中： ```csharp private static bool motion = false; private static double lightPercent = 0; private static bool hasValues = false; ``` - **传感器数据解析** - 借助`Clayster.Library.IoT.SensorData`解析传感器导出的XML格式数据。通过遍历接收到的字段，提取相关信息，并返回一个布尔值，指示读取的字段值是否与之前的不同。 ```csharp private static bool UpdateFields(XmlDocument Xml) { FieldBoolean Boolean; FieldNumeric Numeric; bool Updated = false; foreach (Field F in Import.Parse(Xml)) { if(F.FieldName == "Motion" && (Boolean = F as FieldBoolean) != null) { if(!hasValues || motion != Boolean.Value) { motion = Boolean.Value; Updated = true; } } else if(F.FieldName == "Light" && (Numeric = F as FieldNumeric) != null && Numeric.Unit == "%") { if(!hasValues || lightPercent != Numeric.Value) { lightPercent = Numeric.Value; Updated = true; } } } return Updated; } ``` - **控制状态计算** - 控制器需要根据传感器接收到的值计算应点亮哪些LED以及报警输出的状态。为避免与执行器的通信影响与传感器的通信，控制执行器的操作在单独的线程中进行。 - 通信通过两个`AutoResetEvent`对象和几个控制状态变量实现。 ```csharp private static AutoResetEvent updateLeds = new AutoResetEvent(false); private static AutoResetEvent updateAlarm = new AutoResetEvent(false); private static int lastLedMask = -1; private static bool? lastAlarm = null; private static object synchObject = new object(); ``` - 控制逻辑如下： ```csharp private static void CheckControlRules() { int NrLeds = (int)System.Math.Round((8 * lightPercent) / 100); int LedMask = 0; int i = 1; bool Alarm; while(NrLeds > 0) { NrLeds--; LedMask |= i; i <<= 1; } Alarm = lightPercent < 20 && motion; lock(synchObject) { if(LedMask != lastLedMask) { lastLedMask = LedMask; updateLeds.Set(); } if (!lastAlarm.HasValue || lastAlarm.Value != Alarm) { lastAlarm = Alarm; updateAlarm.Set(); } } } ``` ##### 1.3 相机项目 相机项目使用红外相机，该相机将在网络中发布，供控制器在报警时拍照。 - **硬件连接** - 选择LinkSprite JPEG红外彩色相机，其具有串口接口，可通过树莓派上的UART使用。相机有四个引脚，其中两个为接收引脚（RX）和发送引脚（TX），另外两个分别连接到5V和地。 - 树莓派引脚头上的RX和TX分别连接到相机的TX和RX。同时，将TX和RX线路连接到逻辑反相器，再通过240Ω电阻连接到两个LED（黄色用于TX，绿色用于RX），最后接地。 - 还将四个GPIO引脚（18、23、24和25）通过160Ω电阻连接到四个LED和地，用于指示应用程序的不同状态。 - **访问树莓派串口** - 要从代码中访问树莓派的串口，需确保Linux操作系统不将其用于其他目的。具体操作是从两个操作系统文件`/boot/cmdline.txt`和`/etc/inittab`中移除对串口的引用。 - 操作步骤如下： 1. 打开终端，输入命令`sudo nano /boot/cmdline.txt`编辑第一个文件。 2. 输入命令`sudo nano /etc/inittab`编辑第二个文件。 - **硬件接口** - 使用`Clayster.Library.RaspberryPi`库来控制硬件。通过`DigitalOutput`对象控制LED。 ```csharp private static DigitalOutput executionLed = new DigitalOutput (18, true); private static DigitalOutput cameraLed = new DigitalOutput (23, false); private static DigitalOutput networkLed = new DigitalOutput (24, false); private static DigitalOutput errorLed = new DigitalOutput (25, false); ``` - 使用`LinkSpriteJpegColorCamera`类控制相机，该类使用`Uart`类进行串口通信。 ```csharp private static LinkSpriteJpegColorCamera camera = new LinkSpriteJpegColorCamera (LinkSpriteJpegColorCamera.BaudRate.Baud__38400); ``` - **创建持久默认设置** - 为使相机正常工作，需要四个持久且可配置的默认设置：相机分辨率、压缩级别、图像编码和设备标识。通过创建`DefaultSettings`类将这些设置持久化到对象数据库中。 ```csharp public class DefaultSettings : DBObject { private LinkSpriteJpegColorCamera.ImageSize resolution = LinkSpriteJpegColorCamera.ImageSize._320x240; private byte compressionLevel = 0x36; private string imageEncoding = "image/jpeg"; private string udn = Guid.NewGuid().ToString(); public DefaultSettings() : base(MainClass.db) { } // 发布相机分辨率属性 [DBDefault (LinkSpriteJpegColorCamera.ImageSize._320x240)] public LinkSpriteJpegColorCamera.ImageSize Resolution { get { return this.resolution; } set { if (this.resolution != value) { this.resolution = value; this.Modified = true; } } } // 发布压缩级别属性 // 代码省略，与分辨率属性类似 // 发布图像编码属性 [DBShortStringClipped (false)] [DBDefault ("image/jpeg")] public string ImageEncoding { get { return this.imageEncoding; } set { if(this.imageEncoding != value) { this.imageEncoding = value; this.Modified = true; } } } // 加载持久化设置 public static DefaultSettings LoadSettings() { return MainClass.db.FindObjects <DefaultSettings>().GetEarliestCreatedDeleteOthers(); } } ``` - 在主应用程序中，创建一个变量来保存默认设置，并在应用程序初始化时加载这些设置。 ```csharp internal static DefaultSettings defaultSettings; defaultSettings = DefaultSettings.LoadSettings(); if(defaultSettings == null) { defaultSettings = new DefaultSettings(); defaultSettings.SaveNew(); } ``` - **使用当前设置** - 为避免每次拍照时都重新配置相机，需要记住当前设置，并仅在使用新属性时重新配置相机。当前设置不需要持久化，因为每次应用程序重启时都可以重新初始化相机。 ```csharp private static LinkSpriteJpegColorCamera.ImageSize currentResolution; private static byte currentCompressionRatio; ``` - **初始化相机** 在应用程序初始化时，需要初始化相机。 ```csharp Log.Information("Initializing camera."); try { currentResolution = defaultSettings.Resolution; currentCompressionRatio = defaultSettings.CompressionLevel; try { camera.Reset();// First try @ 38400 baud camera.SetImageSize(currentResolution); camera.Reset(); camera.SetBaudRate (LinkSpriteJpegColorCamera.BaudRate.Baud_115200); camera.Dispose(); camera = new LinkSpriteJpegColorCamera (LinkSpriteJpegColorCamera.BaudRate.Baud_115200); } catch(Exception) // If already at 115200 baud. { camera.Dispose (); camera = new LinkSpriteJpegColorCamera (LinkSpriteJpegColorCamera.BaudRate.Baud_115200); } finally { camera.SetCompressionRatio(currentCompressionRatio); } } catch(Exception ex) { Log.Exception(ex); errorLed.High(); camera = null; } ``` #### 2. HTTP协议基础 HTTP协议在当今的互联网中应用广泛，不仅用于网页导航，还用于机器对机器（M2M）通信、自动化和物联网等领域。 ##### 2.1 HTTP协议概述 HTTP是一种无状态的请求/响应协议，客户端向服务器请求信息，服务器相应地进行响应。请求由方法、资源、一些头部和可选内容组成，响应由三位状态码、一些头部和可选内容组成。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(Client):::process -->|Request(Method, Resource, Headers, [Content])| B(Server):::process B -->|Response(StatusCode, Headers, [Content])| A B -->|Process()| B ``` ##### 2.2 HTTP请求与响应 每个资源由统一资源定位符（URL）标识，客户端使用GET方法从相应服务器请求资源。URL的结构如下： ```plaintext { } : / / . : 8080 / /1. ? 1 1 # 0011 port domain path scheme query fragment authority http example com d htm q v f = 644744 8 14243 123 123 144424443 ``` HTTP定义了一组头部，用于附加关于网络上发送的请求和响应的元信息。这些头部是人类可读的键值文本对，包含内容编码方式、有效期、所需内容类型等信息。 ##### 2.3 HTTP工作原理 HTTP基于互联网协议（IP）工作，机器通过IP地址寻址，使得不同局域网（LAN）之间可以进行通信。通信通过客户端和服务器之间的传输控制协议（TCP）连接进行，确保数据包不丢失且按发送顺序接收。 - **端口**：HTTP的默认端口号为80，也可使用其他端口，如8080。 - **域名系统（DNS）**：为简化通信，DNS服务器提供了使用主机名代替IP地址的机制。 - **加密**：可通过安全套接层（SSL）或传输层安全（TLS）进行加密，此时协议通常称为超文本传输安全协议（HTTPS），通信在单独的端口（通常为443）上进行。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(HTTP/HTTPS<br>(URLs)):::process --> B(TCP<br>(port#-default: 80/443)):::process B --> C(Internet Protocol(IP)<br>(IP addresses)):::process C --> D(Local Area Network(LAN)<br>(MAC addresses)):::process D --> E(Physical<br>(Cables, Radio, etc.)):::process ``` 通过以上介绍，我们对物联网项目的准备和HTTP协议的基础有了更深入的了解。在实际应用中，可根据具体需求选择合适的项目和协议，实现高效的物联网通信和控制。 ### 物联网项目准备与HTTP协议基础 #### 3. 为物联网项目添加HTTP支持 在了解了基本的物联网项目和HTTP协议之后，接下来可以为传感器、执行器和控制器项目添加HTTP支持，以实现它们之间的通信和交互。 ##### 3.1 传感器项目的HTTP支持 虽然前面未详细提及传感器项目的HTTP应用，但在实际中，传感器可以通过HTTP将采集到的数据发送给服务器。以下是一个简单的示例，假设传感器采集到的数据以JSON格式存储，然后通过HTTP POST请求发送到服务器： ```csharp using System; using System.Net; using System.Text; class SensorDataSender { static void Main() { // 模拟传感器数据 string sensorData = "{\"temperature\": 25, \"humidity\": 60}"; // 创建HTTP请求 HttpWebRequest request = (HttpWebRequest)WebRequest.Create("http://example.com/sensor-data"); request.Method = "POST"; request.ContentType = "application/json"; // 设置请求内容 byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(sensorData); request.ContentLength = data.Length; // 写入请求内容 using (var stream = request.GetRequestStream()) { stream.Write(data, 0, data.Length); } // 获取响应 using (HttpWebResponse response = (HttpWebResponse)request.GetResponse()) { Console.WriteLine("Response status code: " + response.StatusCode); } } } ``` ##### 3.2 执行器项目的HTTP支持 执行器可以通过HTTP接收来自控制器的控制命令。例如，当控制器检测到特定条件时，通过HTTP请求通知执行器执行相应操作。以下是一个简单的执行器接收HTTP请求并处理的示例： ```csharp using System; using System.Net; using System.IO; class ActuatorReceiver { static void Main() { HttpListener listener = new HttpListener(); listener.Prefixes.Add("http://localhost:8080/actuator/"); listener.Start(); Console.WriteLine("Actuator listening on http://localhost:8080/actuator/"); while (true) { HttpListenerContext context = listener.GetContext(); HttpListenerRequest request = context.Request; HttpListenerResponse response = context.Response; // 处理请求 if (request.HttpMethod == "POST") { using (StreamReader reader = new StreamReader(request.InputStream)) { string command = reader.ReadToEnd(); Console.WriteLine("Received command: " + command); // 执行相应操作 // ... } } // 发送响应 string responseString = "Command received"; byte[] buffer = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(responseString); response.ContentLength64 = buffer.Length; using (Stream output = response.OutputStream) { output.Write(buffer, 0, buffer.Length); } response.Close(); } } } ``` ##### 3.3 控制器项目的HTTP支持 控制器可以通过HTTP从传感器获取数据，并通过HTTP向执行器发送控制命令。以下是一个简单的控制器示例，它从传感器获取数据，进行处理，然后根据结果向执行器发送命令： ```csharp using System; using System.Net; using System.IO; using System.Text; class Controller { static void Main() { // 从传感器获取数据 HttpWebRequest sensorRequest = (HttpWebRequest)WebRequest.Create("http://example.com/sensor-data"); sensorRequest.Method = "GET"; using (HttpWebResponse sensorResponse = (HttpWebResponse)sensorRequest.GetResponse()) { using (StreamReader reader = new StreamReader(sensorResponse.GetResponseStream())) { string sensorData = reader.ReadToEnd(); Console.WriteLine("Received sensor data: " + sensorData); // 处理数据 bool shouldActivateActuator = ProcessSensorData(sensorData); if (shouldActivateActuator) { // 向执行器发送命令 string command = "{\"action\": \"activate\"}"; HttpWebRequest actuatorRequest = (HttpWebRequest)WebRequest.Create("http://localhost:8080/actuator/"); actuatorRequest.Method = "POST"; actuatorRequest.ContentType = "application/json"; byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(command); actuatorRequest.ContentLength = data.Length; using (var stream = actuatorRequest.GetRequestStream()) { stream.Write(data, 0, data.Length); } using (HttpWebResponse actuatorResponse = (HttpWebResponse)actuatorRequest.GetResponse()) { Console.WriteLine("Actuator response status code: " + actuatorResponse.StatusCode); } } } } } static bool ProcessSensorData(string sensorData) { // 简单示例：如果温度超过30度，则激活执行器 if (sensorData.Contains("\"temperature\": 30")) { return true; } return false; } } ``` #### 4. HTTP通信模式的应用 HTTP提供了多种通信模式，如请求/响应和事件订阅，这些模式可以在物联网项目中得到有效应用。 ##### 4.1 请求/响应模式 请求/响应模式是HTTP的基本模式，客户端发送请求，服务器返回响应。在物联网项目中，传感器可以作为客户端向服务器发送数据请求，服务器作为响应方返回处理结果。例如，传感器向服务器请求当前的配置信息，服务器返回配置数据。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(Sensor):::process -->|Request(Config Info)| B(Server):::process B -->|Response(Config Data)| A ``` ##### 4.2 事件订阅模式 事件订阅模式允许客户端订阅服务器上的特定事件，当事件发生时，服务器通知客户端。在物联网项目中，控制器可以订阅传感器的特定事件，如温度超过阈值事件。当传感器检测到温度超过阈值时，服务器通知控制器。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(Controller):::process -->|Subscribe(Temp Threshold Event)| B(Server):::process C(Sensor):::process -->|Temp > Threshold| B B -->|Notify(Temp > Threshold)| A ``` #### 5. 总结 通过以上内容，我们详细介绍了物联网项目中的执行器、控制器和相机项目，以及HTTP协议的基础知识和应用。在物联网项目中，传感器、执行器和控制器可以通过HTTP协议进行有效的通信和交互，实现数据的采集、处理和控制。同时，HTTP的请求/响应和事件订阅模式为物联网项目提供了灵活的通信方式。 在实际应用中，我们可以根据具体需求选择合适的物联网项目和HTTP应用方式，确保系统的高效运行和稳定通信。例如，在智能家居系统中，可以使用传感器采集环境数据，通过控制器进行分析和决策，然后通过执行器控制家电设备；在工业自动化中，可以使用相机进行图像采集和监测，通过HTTP协议将数据传输到服务器进行处理。 总之，物联网和HTTP协议的结合为我们带来了更多的可能性和便利，未来我们可以进一步探索和优化它们的应用，推动物联网技术的发展。