WiFi Module(ESP Module)을 이용한 원격제어: python-dht11-mqtt-node-red

ESP8266/ESP32 DHT11 MQTT - Node-RED

ESP8266/ESP32 DHT11 온습도 센서 - MQTT와 Node-RED 이용

MQTT와 Node-RED 개발 환경를 이용한 DHT11 온습도 센서

과제 개요
필요한 배경 지식

DHT11 센서의 온습도 값을 MQTT에 게시(Publish)하기

과제에 필요한 준비
umqtttsimple Library 설치하기
MQTT 사용을 위한 DHT11 센서 프로그램

Node-RED Dashboard

Node-RED 작업공간에 플로우 만들고 설정하기
MQTT 를 사용한 메세지 전달과 Node-RED Dashboard를 이용한 DHT11 온습도 센서 실험

MQTT와 Node-RED 개발 환경를 이용한 DHT11 온습도 센서 관련 페이지 보기

MQTT와 Node-RED 개발 환경를 이용한 DHT11 온습도 센서

과제 개요

Node-RED Tool과 MQTT Broker를 사용하여 DHT11 센서의 온도와 습도를 읽어 Web 브라우저(Dashboard)에 출력하는 시스템 예

ESP32/ESP8266은 DHT11 센서에서 온도 및 습도 값을 읽어 MQTT Broker에 게시(Publish)를 요청한다.
온도 측정 값은 MQTT Broker의 esp/dht/temperature 주제(Topic)에 게시된다.
습도 측정 값은 MQTT Broker의 esp/dht/humidity 주제(Topic)에 게시된다.
Node-RED는 MQTT Broker의 esp/dht/temperature와 esp/dht/humidity 주제(Topic)를 구독( subscrib)하여,
Node-RED Dashboard의 온도와 습도 Gauge에 각각 출력(표시)한다.

필요한 배경 지식

DHT11 온습도 센서

참고자료: 온도/습도 센서(DHT11/DHT22) 모듈

MQTT Broker

참고자료: ESP8266/ESP32 MQTT - MicroPython

Node-RED Dashboard

참고자료: Raspberry Pi와 Node-RED

참고자료: Raspberry Pi와 Node-RED Dashboard

DHT11 센서의 온습도 값을 MQTT에 게시(Publish)하기

과제에 필요한 준비

Hardware

DHT11 온습도 센서: 측정한 온도/습도 값을 디지털 데이터로 변환하여 Single-Wire 통신 프로토콜로 출력한다.
ESP8266/ESP32: DHT11 센서의 온습도 값을 읽어 MQTT Broker에 게시를 요청한다.
Raspberry Pi(MicroSD Card(16GB 이상)): Mosquitto Broker와 Node-RED Server를 실행한다.

Software

Python 3
Mosquitto Broker: Raspberry Pi에 설치

참고자료: Mosquitto Broker 설치하기

umqtttsimple library: 아래 "umqtttsimple Library 설치하기" 참고요.
Node-RED: Raspberry Pi에 설치

참고자료: Raspberry Pi에서 Node-RED 시작하기

umqtttsimple Library 설치하기

ESP 개발보드에 umqtttsimple library를 설치한다.

umqtttsimple library 만들기

아래에서 umqttsimple library를 다운로드 하여 저장(umqttsimple.py)한다.

umqttsimple library: umqttsimple.py

umqtttsimple library를 ESP32/ESP8266에 설치하기

umqtttsimple library가 설치되어 경우에는 다시 설치할 필요가 없다.

Thonny IDE를 실행하고 Thonny IDE의 사용 환경(Thonny 실행에 사용할 장치와 COM Port 선택)이 바르게 되어 있는지 확인한다.
Thonny IDE의 Python shell 창에 prompt( >>> )가 출력되었는 확인한다.
Thonny IDE의 "파일 -> 열기"를 실행하여 umqttsimple library(umqttsimple.py) 파일을 Open 한다.
Thonny IDE의 파일 메뉴 "...(으)로 저장"을 사용하여 umqttsimple.py 파일을 "MicroPython 장치"에 저장(Upload)한다.

MQTT 사용을 위한 DHT11 센서 프로그램

MQTT 사용을 위한 DHT11 센서 프로그램: MQTT_DHT11-Node-RED.py

# MQTT를 사용하는 DHT11 센서 프로그램
import time
from umqttsimple import MQTTClient
import ubinascii
import machine
import micropython
import network
import esp
from machine import Pin
import dht
# 디버그를 None으로 설정하고 Garbage collector를 활성화한다.
esp.osdebug(None)
import gc
gc.collect()

# 네트워크 자격 증명과 브로커(mqtt_server) IP 주소를 설정힌다.
#ssid = 'REPLACE_WITH_YOUR_SSID'
#password = 'REPLACE_WITH_YOUR_PASSWORD'
ssid = 'iptime-chowk'
password = 'a12345678'
#mqtt_server = 'REPLACE_WITH_YOUR_MQTT_BROKER_IP'
#EXAMPLE IP ADDRESS
mqtt_server = '192.168.0.18'
# MQTT 클라이언트를 만들기 위한 ESP ID를 가져와 client_id에 저장한다.
client_id = ubinascii.hexlify(machine.unique_id())
# ESP가 메시지를 게시 할 Topic 이름을 저장한다.
topic_pub_temp = b'esp/dht/temperature'
topic_pub_hum = b'esp/dht/humidity'
# WLAN network interface object를 만든다.
station = network.WLAN(network.STA_IF)
# Network interface를 활성화 하고 무선 Network에 연결한다.
station.active(True)
station.connect(ssid, password)

while station.isconnected() == False:
  pass

print('Connection successful')
print(station.ifconfig())

# GPIO14를 DHT11 Single wire 통신에 사용한다.
sensor = dht.DHT11(Pin(14))

# Sensor로 부터 Temperature와 Humidity를 읽는 주기 설정에 필요한 변수
last_message = 0
message_interval = 2

# Broker에 연결한다.
def connect_mqtt():
  global client_id, mqtt_server
  # MQTTClient object(client)를 생성한다.
  client = MQTTClient(client_id, mqtt_server)
  # connect() method를 사용하여 client를 Broker에 연결한다.
  client.connect()
  print('Connected to %s MQTT broker' % (mqtt_server))
  return client

# Broker 연결에 실패한 경우 이 함수가 호출되어 ESP를 Reset 하여 다시 연결을 시도한다.
def restart_and_reconnect():
  print('Failed to connect to MQTT broker. Reconnecting...')
  time.sleep(10)
  machine.reset()

# DHT11 sensor로 부터 Temperature와 Humidity를 읽는다.
def read_sensor():
  try:
    sensor.measure()
    temp = sensor.temperature()
    hum = sensor.humidity()
    if (isinstance(temp, float) and isinstance(hum, float)) or (isinstance(temp, int) and isinstance(hum, int)):
      temp = (b'{0:3.1f},'.format(temp))
      hum =  (b'{0:3.1f},'.format(hum))
      return temp, hum
    else:
      return('Invalid sensor readings.')
  except OSError as e:
    return('Failed to read sensor.')

# MQTT 브로커에 연결한다.
try:
  client = connect_mqtt()
# 만약 MQTT 브로커 연결에 실패한 경우 다시 시도 한다.
except OSError as e:
  restart_and_reconnect()

# while 루프에서 2초 주기로 온습도 센서를 읽어 MQTT에 게시한다.
# Error가 발생할 경우 ESP를 다시 시작 할 수 있도록 try 및 except 문을 사용한다.
while True:
  # 무한 Loop 내에서 Garbage 누적으로 메모리 부족이 발생할 수 있기 때문에 Garbage collector를 실행한다.
  if gc.mem_free() < 102000:
    gc.collect()
  try:
    # 센서 측정 주기(2초)가 되었으면 센서 값을 읽어 출력하고 게시한다.
    if (time.time() - last_message) > message_interval:
      temp, hum = read_sensor()
	  # 개발이 완료되면 센서 값 출력을 Comment 처리하는 것이 좋다.
      print(temp)
      print(hum)
	  # 온도와 습도를 Broker에 게시한다.
      client.publish(topic_pub_temp, temp)
      client.publish(topic_pub_hum, hum)
      # 다음 측정 시간을 결정하기 위하여 현재 시간을 저장한다.
      last_message = time.time()
  # 만약 Error가 발생한 경우 ESP를 Reset 하여 다시 연결을 시도한다.
  except OSError as e:
    restart_and_reconnect()

Node-RED Dashboard

Node-RED 서버는 MQTT에 게시된 DHT11 센서의 온도 및 습도 값를 읽어 Node-RED Dashboard에 표시(출력)한다.

참고자료: Raspberry Pi와 Node-RED

참고자료: Raspberry Pi와 Node-RED Dashboard

Node-RED 작업공간에 플로우 만들고 설정하기

Node-RED 작업공간에 Node 배치하기

아래와 같은 명령으로 Node-RED 서버에 연결한다.

http://raspberry-pi-ip-address:1880

Web 브라우저의 팔레트(Palette) 창에서 mqtt node와 gauge node를 Drag하여 아래 예와 같이 작업공간(Workspace)에 배치한다.

mqtt Node와 gauge Node 배치 예

MQTT node 속성 설정하기

위에 있는 MQTT node를 Double click 하여 MQTT node 편집창을 연다.
Server를 "localhost:1883"으로 설정한다.
Topic를 "esp/dht/temperature"으로 설정하고 "완료" 버튼을 클릭한다.
아래에 있는 MQTT node를 Double click 하여 MQTT node 편집창을 연다.
Server를 "localhost:1883"으로 설정한다.
Topic를 "esp/dht/humidity"으로 설정하고 "완료" 버튼을 클릭한다.

mqqt in node 설정(편집) 예

gauge node 속성 설정하기

Tab과 Group을 추가하는 Dashboard 창 예

Tab 추가하기: Tab은 서로 다른 Page에 출력된다.

Node-RED window의 우측에서 "dashbord"를 클릭하면 Tab과 Page를 편집하는 dashbord 창이 열린다. 만약 "dashbord" 버튼이 보이지 않으면 메뉴 확장 버튼(아래 쪽 화살표)를 클릭하고 "Dashbord"를 클릭한다.

dashbord 창에서 "+tab"을 클릭하면 Tab이 추가 된다.
추가된 Tab이 있는 위치에 마우스를 가져가면 "edit" 버튼이 보이게 된다. "edit" 버튼을 클릭하면 Tab 속성 편집 창이 열린다.
Tab 속성 편집 창에서 Tab Name을 입력하고 "변경"을 클릭한다. Tab Name 예: Home

Group 추가하기: Group은 동일 Page에 구분되어 출력된다.

추가된 Tab이 있는 위치에 마우스를 가져가면 "+group" 버튼이 보이게 된다. "+group" 버튼을 클릭하면 새로운 Group이 추가된다.
추가된 Group이 있는 위치에 마우스를 가져가면 "edit" 버튼이 보이게 된다. "edit" 버튼을 클릭하면 "dashboard group의 노드 수정" 창이 열린다.
Group 속성 편집 창에서 Group Name을 입력한다. Group Name 예: DHT
"dashboard group의 노드 수정" 창의 Tab 선택 줄에서 Tab을 선택한다. 이 예에서는 위에서 생성한 Home Tab을 선택한다.
"변경"을 클릭하면 설정이 저장된다.

Temperature gauge의 노드 수정하기

플로우 편집 창에서 첫번 째 gauge 노드를 Double click하면 "gauge의 노드 수정" 창이 열린다.
Group를 "[Home]DHT"으로 선택한다. Tab name이 Home 이고 Group name 이 DHT 인 경우이다.
Label를 "Temperature"으로 설정한다.
Range를 min: -10 , max: 40으로 설정한다.
Unit에 온도 표시 문자를 입력한다.
Colour gradient를 원하는 색상으로 설정하고 "완료" 버튼을 클릭한다.

Temperature gauge의 노드 수정하기

두번째 gauge Node를 Double click 하여 gauge node 편집창을 연다.
Group를 "[Home]DHT"으로 설정한다. Tab name이 Home 이고 Group name 이 DHT 인 경우이다.
Label를 "Humidity"으로 설정한다.
Range를 min: 10 , max: 100으로 설정한다.
Unit에 습도 표시 문자(예: %)를 입력한다.
Colour gradient를 원하는 색상으로 설정하고 "완료" 버튼을 클릭한다.

gauge node 설정(편집) 예

Node를 연결하기

아래와 같이 Node를 연결(Wire)한다.

Node 배치와 설정 후 node 사이 연결을 실행한 예

"배포하기" 버튼을 클릭하여 배포(Deploy)하기를 실행한다.

MQTT 를 사용한 메세지 전달과 Node-RED Dashboard를 이용한 DHT11 온습도 센서 실험

Node-RED Dashboard에 온도와 습도 Gauge를 출력한 예

실험을 위한 준비

ESP8266/ESP32 개발보드와 센서 모듈 연결

ESP8266/ESP32 개발보드 Data input pin(GPIO14) <-> 센서의 data pin
Data input line Pull up 저항(1K - 10K): ESP8266/ESP32 개발보드 또는 센서 모듈에 Pull up 저항이 내장된 경우 생략하여도됨.
ESP8266/ESP32 개발보드 VDD(3.3V} <-> 센서 Vcc pin
ESP8266/ESP32 개발보드 GND <-> 센서 GND

위 "umqtttsimple library 설치하기"를 참고하여 개발보드에 umqtttsimple library를 설치 한다. umqtttsimple library는 보드에 한번만 설치하면 됨.
MQTT_DHT11-Node-RED.py 프로그램을 다운로드하여 저장 한다.
실험 방법

Thonny IDE를 실행하고 Thonny IDE의 사용 환경(Thonny 실행에 사용할 장치와 COM Port 선택)이 바르게 되어 있는지 확인한다.
Thonny IDE의 Python shell 창에 prompt( >>> )가 출력되었는 확인한다.
Thonny IDE의 "파일 -> 열기"를 실행하여 프로그램 파일(MQTT_DHT11-Node-RED.py)을 Open 한다.
Thonny IDE의 Scripts 편집 창 프로그램에서 본인의 무선 공유기 연결을 위한 네트워크 자격 증명(ssid와 password)과 브로커(mqtt_server) IP 주소(공유기에서 브로커(mqtt_server)가 설치된 Raspberry Pi IP 주소를 확인)를 설정하고 "이 컴퓨터"에 저장한다.
실험

"실행 -> 현재 스크립트 실행"을 실행하거나 Toolbar의 "실행" Icon을 클릭하면 스크립트가 개발보드에 전송되고 프로그램이 실행된다.
Thonny IDE의 Python shell 창에서 MQTT 연결 메세지을 확인(경우에 따라 1 - 5Sec 정도 소요됨)한다.
아래와 같은 명령으로 Node-RED 서버의 Dashboard에 연결한다.

http://raspberry-pi-ip-address:1880/ui

Web 브라우저에 위 "Node-RED Dashboard에 온도와 습도 Gauge를 출력한 예"와 같이 온도와 습도가 표시되는지 확인한다.

개발이 완료되면 while 내의 print 문을 Comment 처리한다.

MQTT와 Node-RED 개발 환경를 이용한 DHT11 온습도 센서 관련 페이지 보기