Servidor para IoT sobre RaspberryPi

NOTE: In the near future there will be an english version of this documentation

Este repositorio forma parte do proxecto IoT no Rural

Introducción

Con este fase do proxecto conseguimos usar unha Raspberry Pi 2 ou superior como unha central de comunicacións para dispositivos de Internet of Things.

Comezaremos o proxecto usando a mesma Raspberry Pi como dispositivo IoT, conectando ao seu porto GPIO un ou máis sensores que nos aportarán datos da habitación onde esta colocada a RPi. Posteriormente engadiremos á rede outros sensores conectados a microcontroladores da familia ESP, primeiro por Wifi e no futuro por LORA.

O Sistema Operativo de base (SO) que usaremos será Raspberry Pi OS Lite, que non é máis que unha distrubución Debian de GNU/Linux. Ademais, na RPi executaremos tres servizos diferentes que compoñen o software de comunicación e procesado dos datos:

Servidor de mensaxería MQTT: Mosquitto
Servidor de base de datos IoT: InfluxDB
Servidor de gráficos de datos: Grafana

Hai programas de control e automatización moi populares no mundo IoT, como NodeRED e Home Assistant, pero de momento este proxecto non avanzou o suficiente como para necesitalos.

Configuración de Raspberry Pi OS

Se precisas unha axuda máis detallada para comezar coa Raspberry e con GNU/Linux, podes consultar o titorial de Francisco Moya

Instalación e arranque

Existen a posibilidade de realizar as seguintes operacións para configurar a Raspberry accedendo en modo gráfico ou cunha pantalla HDMI. Aquí explico o método headless, que non precisa pantalla nin teclado.

Instalamos a ISO correspondente na tarxeta SD ou pendrive (*) correspondente. Escribiranse dúas particións no dispositivo:
- BOOT de tipo FAT32, coa configuración básica de arranque.
- ROOTFS con toda a estructura de arquivos e cartafois do SO.
Sen retirar a SD/USB do noso PC, activamos o acceso por SSH creando un arquivo baleiro ssh.txt na partición BOOT.
Debemos usar unha IP fixa para poder comunicarnos co servidor. Ademáis, é preferible usar conexión de cable LAN, que é máis fiable e menos propensa a fallos; pero tampouco debería haber problemas en usar unha rede Wifi. Modificamos o arquivo /etc/dhcpcd.conf (na partición ROOTFS) para configurar os parámetros da rede, comentando ou descomentando as liñas referentes á interface que vaiamos usar (eth0 para LAN e wlan0 para wifi).

# Exemplo de IP estática para LAN:
interface eth0
static ip_address=192.168.0.5/24
static routers=192.168.0.1
# DNS de Google
# static domain_name_servers=8.8.8.8 8.8.4.4
# DNS de R
static domain_name_servers=213.60.205.175
# Exemplo de IP estática para WIFI:
interface wlan0
static ip_address=192.168.0.5/24
static routers=192.168.0.1
# DNS de Google
static domain_name_servers=8.8.8.8 8.8.4.4
# DNS de R
static domain_name_servers=213.60.205.175

Se usamos unha rede Wifi, tamén haberá que incluir as credenciais de acceso á mesma no arquivo /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf:

ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev
update_config=1
country=ES
network={
	ssid="NOME_da_WIFI"
	psk="CONTRASINAL"
}

(*) Instalación do sistema operativo nunha memoria USB

É case imprescindible que o SO se instale sobre un pendrive e se execute desde o mesmo para mellorar o rendemento e a fiabilidade. A lectura e escritura de arquivos é máis rápida no pendrive e ademáis as tarxetas SD soen estropearse cando levan un tempo executando un SO, pois non aguantan ben o ritmo de lectura e escritura propio deste uso.

Dependendo do modelo de RPi que estamos usando, o arranque por USB pode ser directo (modelo RPi 2B 1.2 en diante) ou iniciado por unha SD (modelo RPi 2B 1.1 e anteriores). Podemos determinar o modelo executando:

# cat /proc/device-tree/model
Raspberry Pi 2 Model B Rev 1.1

ou de forma mais vistosa coa ferramenta pinout, que representa a placa da RPi coas súas entradas e saídas.

NOTA Pode ocorrer que o sistema operativo funcione desde unha memoria USB pero necesite unha tarxeta SD para o arranque. Entón algúns cambios feitos coa ferramenta raspi-config non se van gravar axeitadamente, pois gárdanse na partición BOOT da memoria USB en vez da partición BOOT da tarxeta SD que o sistema usa para iniciarse.

Se coñecemos a opción afectada, podemos cambiar o seu valor modificando o arquivo /config.txt da tarxeta SD a man. Tamén podemos editar o arquivo /etc/fstab da partición ROOT do USB para substituir a partición BOOT do sistema.

Instruccións usando o arquivo bootcode.bin. Vale para a maioría dos modelos de RPi.
Instruccións en atareao.es. Vale para os modelos máis novos de RPi.
Instruccións en raspberrypi.org. Vale para os modelos máis novos de RPi.

Configuración tras o primeiro inicio

Nota: usuario normal e superusuario

No meu uso habitual de Linux teño varias pestanas da consola co usuario normal (pi) e co superusuario (root). Desde a aparición de Ubuntu está totalmente estendido utilizar a orde sudo antes dun comando para executala con permisos de superusuario, e así o veredes na inmensa maioría dos titoriais.

Nestas guías a execución normal indícoa antepoñendo o prompt $ do usuario e a execución como superusuario co prompt # de root.

Configuración

Debemos levar a cabo os seguintes pasos tras un primeiro inicio de sesión exitoso:

Cambiar o contrasinal por defecto con $ passwd
Executar raspi-config e axustar o seguinte:

3 Interface Options --> P5 Enable I2C. Este será o porto no que conectaremos os sensores.
6 Advanced Options --> A1 Expand Filesystem. O tamaño da partición de sistema creada na instalación é moi pequena e nin sequera se pode actualizar o SO.
En caso de que estea sen facer, activar o acceso mediante SSH e configurar a rede.

Actualizar o sistema:
```
 # apt update
 # apt full-upgrade
```

O primeiro comando actualiza a lista de software dispoñible nos servidores de Raspbian (repositorios) e o segundo descarga e instala todas as actualizacións posibles.

Instalar algúns programas útiles para traballar coa Rapsberry PI:

mc é un explorador de arquivos para consola que nos permite manipular fácilmente arquivos e cartafoles incluso entre dispositivos da nosa rede.
screenfetch ofrece información básica sobre o hardware e o SO.
usaremos git para descargar os scripts para os sensores.
```
  # apt install mc screenfetch git
```

Configuración para IoT

Debemos instalar e configurar o sistema de comunicacións MQTT, a base de datos InfluxDB e o servidor de gráficos Grafana.

MQTT e mosquitto

MQTT é un protocolo de comunicación simple sobre TCP/IP que encaixa perfectamente no contexto de IoT. Usaremos este sistema para transmitir información entre sensores e actuadores.

Neste documento hai unha pequena guía sobre MQTT para entender mellor o seu funcionamento.

Instalación e configuración de mosquitto

Os paquetes que instalan o servidor e os clientes en Ubuntu/Debian son

# apt install mosquitto mosquitto-clients

O servidor debería funcionar out of the box. Desde a versión 1.7 debemos axustar a configuración para indicar o porto de conexión 1883 e tamén para que acepte conexións anónimas. Engadimos ao arquivo /etc/mosquitto/conf.d/mosquitto.conf as liñas:

  allow_anonymous true
  listener 1883

Podemos probalo enviando e recibindo mensaxes:

Para que a nosa máquina se subscriba a unha canle basta con usar o cliente mosquitto_sub, indicandolle a IP do broker e o topic
```
$ mosquitto_sub -h 192.168.0.5 -t proba/mensaxes
```
Para que a nosa máquina escriba unha mensaxe nunha canle basta con usar o cliente mosquitto_pub, indicandolle a IP do broker, o topic e o contido da mensaxe:
```
$ mosquitto_pub -h 192.168.0.5 -t proba/mensaxes -m '“Mecajo no mundo'
```
Podemos revisar o estado do servizo mosquitto.service coa orde:
```
# systemctl status mosquitto.service
```

Scripts en Python

Boa parte do traballo realizado para poñer a andar este sistema IoT consistiu en construir esta colección de scripts, cuxa función é recabar os datos de cada un dos sensores conectados á Raspberry Pi e automatizar a execución destes scripts.

Os scripts que leen os datos dos diferentes sensores están escritos en Python. Estes datos son publicados como mensaxes MQTT.

Tamén son necesarios os scripts de Systemd que inician automáxicamente os anteriores scripts como demonios ou daemons, convertindoos en servizos.

DISCLAIMER: Eu non son programador. Boa parte do código fíxeno copiando e modificando anacos de código feito por outras persoas e organizacións, moitas veces sen entender o que estaba facendo. Aprendín moito polo camiño, pero queda moito que mellorar neste código.

Na documentación sinalada está detallado o proceso que se debe seguir para facer funcionar cada un dos sensores.

A posta en marcha do bus I2C está detallada no titorial do sensor BMP280, sendo nos outros casos innecesario. Se comezas con un sensor diferente, bótalle un vistazo á guia de BMP280 se tes problemas co I2C.

Magnitude	Sensor	Script de lectura (/sensors)	Servizo (/services)	Documentación
Temperatura e Presión Atmosférica	BMP280	BMP280_mqtt.py	bmp_mqtt.service	BMP280 HowTo
Temperatura e Humidade Relativa	HDC1080	HDC1080_mqtt.py	hdc_mqtt.service	HDC1080 HowTo
Calidade do aire	CCS-811	CCS811_mqtt.py	ccs_mqtt.service	CCS811 HowTo
Temperatura e Humidade Relativa	DHT22	─	─	Non recomendado

DISCLAIMER: Estou usando un script-Python de diyi0t.com que extrae os datos de certas mensaxes MQTT e os escribe na base de datos InfluxDB: influxdb_mqtt.service. Comuniqueime co autor para que me aclarase a licencia coa que está publicado. Na súa resposta doume permiso para usar o seu códgo nos meus proxectos persoais, pero non teño claro que ese permiso sirva para publicalo neste repositorio. Polo tanto considero que este script non é software libre e debo atopar outra maneira de escribir os datos MQTT en InfluxDB.

pintafontes/Servidor-Raspberry