SentinelCore: 基于嵌入式Linux的边缘智能网关与云平台互联解决方案

项目简介

随着智能家具等物联网设备的不断发展，越来越多的家庭会选择构建全屋智能来提升生活的质量和便利性。在上述背景下，本项目旨在将各种智能家具上云，扩展设备的功能，用户可以统一管理设备。 SentinelCore 是一个构建在嵌入式Linux设备（如NXP i.MX6ULL开发板）上的边缘智能网关服务，旨在实现设备数据的高效采集、安全上云、以及强大的远程监控与控制功能。本系统通过集成物联网通信协议（MQTT），结合云平台和Web应用，为用户提供一个“硬件-边缘-云-应用”一体化的解决方案。

核心功能与特性

SentinelCore 作为一个 All-in-one 边缘智能网关，具备以下核心能力：

1. 多源数据采集能力： 支持多种本地设备接入：能够从各类下挂硬件设备（如通过串口、I2C总线、GPIO等接口连接的传感器、执行器等）采集数据。 网络数据集成：预留通过TCP等网络协议接入其他智能设备的接口。

2. 边缘侧数据处理与存储： 在本地嵌入式设备端进行初步的数据解析、预处理和逻辑判断。 支持数据的本地存储，保障数据可靠性，应对网络不稳定情况。

3. 安全高效的云端通信： MQTT协议通信：通过标准的MQTT协议，安全、低延迟、高效地将边缘设备数据上报至云平台（如阿里云或其他自定义MQTT Broker）。 发布/订阅模式：设备作为MQTT客户端发布传感器数据；Web应用订阅数据以进行展示。

4. 全面的远程控制与管理： 远程硬件控制：支持通过云平台远程控制下挂硬件设备，例如切换GPIO状态（控制LED等）、操作蓝牙模块。 传感器数据获取：Web应用能实时订阅并展示设备连接的温湿度传感器、环境光传感器等数据。 网关自身管理：支持远程配置更新和OTA（Over-The-Air）固件升级，确保系统持续迭代和维护。 控制指令下发：Web应用作为MQTT客户端发布控制指令；设备订阅指令并执行相应操作。

5. 直观友好的Web可视化： 提供基于Web的服务和应用界面，用于优雅地展示采集到的数据。 通过Web界面进行设备远程控制，实现人机交互的便捷性。

目前实现的功能

1. 设备信息监控模块-采集设备状态

• 功能描述：实时获取并监控嵌入式设备的系统运行状态，包括CPU温度、CPU负载（利用率）以及系统内存使用情况。
• 实现细节：通过读取Linux内核提供的 /sys 或 /proc 文件系统中的相关数据节点，解析并提取所需的系统指标。这些数据是后续上传至云平台进行可视化和告警的基础。

2. 环境光传感器模块-采集环境光信息

• 功能描述：集成环境光传感器，实时检测环境光强度、距离感应及红外光强度。
• 实现细节：
  • 采用 AP3216C 型号的环境光和接近传感器。
  • 通过 I2C 总线 与 i.MX6ULL 开发板进行通信，读取传感器寄存器数据。
  • 能够准确获取环境光强度 (ALS)、接近距离 (PS) 数据以及红外强度 (IR) 数据。

3. 采集设备MQTT客户端-与Broker进行通信，发布和订阅Topic

• 功能描述：嵌入式设备作为 MQTT 客户端，与远程 MQTT Broker 建立连接，实现数据的发布和控制指令的订阅。
• 实现细节：
  • 项目中的嵌入式应用程序实例化为一个 MQTT 客户端，采用 MQTT v3.1.1 协议 与服务器端的 Broker 进行通信。
  • 利用多线程技术，确保数据采集、MQTT 连接管理、数据发布以及指令订阅等任务能够并发、稳定运行。
  • 数据发布：设备将采集到的 CPU温度、CPU负载、内存使用率、环境光数据、温湿度数据 等信息，发布到预设的 Topic，实现数据的安全上云。
  • 指令订阅：设备同时订阅用于远程控制的 Topic，准备接收来自云平台或 Web 应用的控制指令。

TODO List

• 设备信息监控模块：获取sentinel设备的运行状态，包括CPU温度，CPU使用率和内存使用率等。
• 温湿度传感器模块：采集环境的温湿度信息，用于监控家庭环境变化情况。
• 环境光传感器模块：用于采集环境光数据，包括光照强度、红外线强度
  • 扩展功能：与PWM LED控制模块，控制家庭灯光亮度。
• PMW LED控制模块：集成脉冲宽度调制（PWM）功能，实现对 LED 灯或其他模拟量输出设备的远程精确控制
• MQTT 协议规范约定：设计 Topic ，使其清晰、有层次、可扩展。使用JSON规范 Payload，易于解析且人类可读。
• json 命令格式解析：实现标准化的 JSON 数据格式解析器，用于处理从云端或 Web 应用接收的复杂控制指令和配置信息，提高系统灵活性和可扩展性。
• 蓝牙连接模块：开发蓝牙通信功能，使网关能够与附近的蓝牙设备进行连接，实现数据的采集或控制，拓展边缘设备的连接能力。
• Sentinel的MQTT客户端：运行在sentinel设备，用于设备和云服务器（Broker）通信
  • MQTT 上传数据：实现将设备数据转化成 Topic 发送到 Broker
• MQTT 通信安全功能：提升 MQTT 通信的安全性
  • 添加 MQTT 设备登录功能：增强安全性。在 MQTT 连接建立时，引入用户名和密码的认证机制，确保只有授权设备才能连接到 Broker。
  • 提升 MQTT 链接的安全性：SSL/TLS 加密：为了进一步保障数据传输的机密性和完整性，将升级 MQTT 连接，支持 SSL/TLS 加密通信，防止数据被窃听或篡改。
• Web 客户端数据展示：开发前端 Web 应用，用于以直观、友好的方式展示设备上传的各种数据（图表、实时曲线等），并提供远程控制操作界面。
• Web 后台应用订阅 Sentinel Topic并解析和存储数据。