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利用EMQX实现单片机和PyQt的数据MQTT互联

news 来源：原创 2025/5/28 9:12:14

https://www.dong-blog.fun/post/2050

基于MQTT的设备监控与控制系统设计

引言

物联网(IoT)设备的远程监控与控制是现代智能系统的基础需求。本文将介绍一个基于MQTT协议的设备监控与控制系统，该系统由两部分组成：模拟单片机设备和PyQt客户端。我们将详细讨论系统的设计思路、代码实现以及实际应用场景。

系统架构

该系统基于发布-订阅模式，采用MQTT协议实现设备与客户端之间的双向通信。系统结构如下：

  1. 设备模拟器：模拟单片机设备，定期发送GPS位置数据，并接收控制命令
  2. PyQt客户端：显示设备GPS数据，并提供用户界面发送控制命令
  3. MQTT服务器：充当消息代理，负责转发消息

我在之前已经介绍了如何使用EMQT，这里不再重复，有关信息查看这里：

https://www.dong-blog.fun/post/1963

https://www.dong-blog.fun/post/2049

通信协议设计

系统使用两个主题进行通信：

  1. 设备数据主题(device/gps)：设备向此主题发布GPS数据

    {"device_id": "device_001","timestamp": 1692345678,"latitude": 30.056789,"longitude": 120.123456
}

  2. 控制指令主题(device/control)：客户端向此主题发布控制命令

    • 按钮控制命令：
      {"command": "UP","timestamp": 1692345700
}
    • 自定义文本命令：
      {"text": "自定义指令内容","timestamp": 1692345720
}

通过区分command和text键，系统能够清晰地区分不同类型的控制信号。

设备模拟器实现

设备模拟器(device_simulator.py)主要功能是：

  1. 模拟GPS数据采集并发布到MQTT服务器
  2. 接收并处理控制命令
import paho.mqtt.client as mqtt
import json
import time
import random# MQTT broker configuration
broker = "10.100.80.98"
port = 1883
topic = "device/gps"
control_topic = "device/control"# Create MQTT client with Version 2 API
client = mqtt.Client(mqtt.CallbackAPIVersion.VERSION2)def on_connect(client, userdata, flags, rc, properties=None):print(f"Connected with result code {rc}")# Subscribe to control topicclient.subscribe(control_topic)print(f"已订阅控制主题: {control_topic}")def on_message(client, userdata, msg, properties=None):try:data = json.loads(msg.payload.decode())print(f"收到控制数据: {data}")# 处理不同类型的消息if "command" in data:command = data["command"]print(f"执行命令: {command}")# 这里可以添加对命令的具体响应逻辑if command == "UP":print("设备向上移动")elif command == "DOWN":print("设备向下移动")elif command == "LEFT":print("设备向左移动")elif command == "RIGHT":print("设备向右移动")elif command == "CONFIRM":print("设备确认操作")elif command == "CANCEL":print("设备取消操作")# 处理自定义文本消息elif "text" in data:text = data["text"]print(f"收到自定义文本: {text}")# 处理文本命令的逻辑print(f"设备执行文本命令: {text}")except Exception as e:print(f"处理消息时出错: {e}")# Set callback functions
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message# Connect to broker
try:client.connect(broker, port, 60)# Start the network loopclient.loop_start()print(f"已连接到MQTT服务器: {broker}:{port}")
except Exception as e:print(f"连接MQTT服务器失败: {e}")exit(1)try:device_id = "device_001"print(f"设备 {device_id} 模拟器开始运行")print("按Ctrl+C停止程序")while True:# Generate random GPS coordinates around a specific location# Base coordinates: 30.0°N, 120.0°Elatitude = 30.0 + random.uniform(-0.1, 0.1)longitude = 120.0 + random.uniform(-0.1, 0.1)# Create message payloadmessage = {"device_id": device_id,"timestamp": int(time.time()),"latitude": round(latitude, 6),"longitude": round(longitude, 6)}# Publish messageclient.publish(topic, json.dumps(message))print(f"已发送GPS数据: 纬度={message['latitude']}, 经度={message['longitude']}")# Wait for 2 seconds before sending next messagetime.sleep(2)except KeyboardInterrupt:print("\n接收到停止信号，正在停止设备模拟器...")client.loop_stop()client.disconnect()print("设备模拟器已停止")
except Exception as e:print(f"运行时错误: {e}")client.loop_stop()client.disconnect()

设备模拟器使用随机生成的GPS坐标数据，模拟设备移动的场景，同时能够对不同类型的命令做出响应。

日志信息：

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PyQt客户端实现

PyQt客户端(gps_monitor.py)提供了图形界面，主要功能包括：

  1. 显示设备GPS数据
  2. 提供方向控制按钮
  3. 支持自定义文本命令输入和发送

客户端的核心在于MQTT与PyQt的集成，我们使用信号-槽机制来解决多线程问题：

import sys
import json
import time
import paho.mqtt.client as mqtt
from PyQt5.QtWidgets import (QApplication, QMainWindow, QWidget, QVBoxLayout, QHBoxLayout, QPushButton, QTextEdit, QLabel)
from PyQt5.QtCore import Qt, QTimer, pyqtSignal, QObject# 创建一个MQTT信号处理类
class MQTTSignals(QObject):message_received = pyqtSignal(dict)class GPSMonitor(QMainWindow):def __init__(self):super().__init__()self.setWindowTitle("GPS Monitor and Controller")self.setGeometry(100, 100, 800, 600)# MQTT setupself.broker = "10.100.80.98"self.port = 1883self.gps_topic = "device/gps"self.control_topic = "device/control"# 创建信号对象self.mqtt_signals = MQTTSignals()self.mqtt_signals.message_received.connect(self.update_display)self.setup_mqtt()self.setup_ui()def setup_mqtt(self):# 使用MQTT V5客户端self.client = mqtt.Client(mqtt.CallbackAPIVersion.VERSION2)self.client.on_connect = self.on_connectself.client.on_message = self.on_messagetry:self.client.connect(self.broker, self.port, 60)self.client.loop_start()except Exception as e:print(f"MQTT连接错误: {e}")def on_connect(self, client, userdata, flags, rc, properties=None):print(f"Connected with result code {rc}")self.client.subscribe(self.gps_topic)def on_message(self, client, userdata, msg, properties=None):try:data = json.loads(msg.payload.decode())# 使用信号发送数据，不直接更新UIself.mqtt_signals.message_received.emit(data)except Exception as e:print(f"Error processing message: {e}")def setup_ui(self):# Main widget and layoutmain_widget = QWidget()self.setCentralWidget(main_widget)layout = QVBoxLayout(main_widget)# GPS display areaself.gps_display = QTextEdit()self.gps_display.setReadOnly(True)layout.addWidget(self.gps_display)# Control buttons layoutbutton_layout = QHBoxLayout()# Direction buttonsself.btn_up = QPushButton("上")self.btn_down = QPushButton("下")self.btn_left = QPushButton("左")self.btn_right = QPushButton("右")self.btn_confirm = QPushButton("确认")self.btn_cancel = QPushButton("取消")# Add buttons to layoutbutton_layout.addWidget(self.btn_up)button_layout.addWidget(self.btn_down)button_layout.addWidget(self.btn_left)button_layout.addWidget(self.btn_right)button_layout.addWidget(self.btn_confirm)button_layout.addWidget(self.btn_cancel)# Command inputself.command_input = QTextEdit()self.command_input.setMaximumHeight(100)layout.addWidget(QLabel("命令输入:"))layout.addWidget(self.command_input)# Send buttonself.btn_send = QPushButton("发送")layout.addWidget(self.btn_send)# Add button layout to main layoutlayout.addLayout(button_layout)# Connect button signalsself.btn_up.clicked.connect(lambda: self.send_command("UP"))self.btn_down.clicked.connect(lambda: self.send_command("DOWN"))self.btn_left.clicked.connect(lambda: self.send_command("LEFT"))self.btn_right.clicked.connect(lambda: self.send_command("RIGHT"))self.btn_confirm.clicked.connect(lambda: self.send_command("CONFIRM"))self.btn_cancel.clicked.connect(lambda: self.send_command("CANCEL"))self.btn_send.clicked.connect(self.send_custom_command)def update_display(self, data):display_text = f"时间戳: {data['timestamp']}\n"display_text += f"设备ID: {data['device_id']}\n"display_text += f"纬度: {data['latitude']}\n"display_text += f"经度: {data['longitude']}\n"display_text += "-" * 50 + "\n"current_text = self.gps_display.toPlainText()self.gps_display.setText(display_text + current_text)def send_command(self, command):message = {"command": command,"timestamp": int(time.time())}self.client.publish(self.control_topic, json.dumps(message))print(f"已发送命令: {command}")def send_custom_command(self):command = self.command_input.toPlainText().strip()if command:# 使用"text"作为键名而不是"command"message = {"text": command,"timestamp": int(time.time())}self.client.publish(self.control_topic, json.dumps(message))self.command_input.clear()print(f"已发送自定义文本: {command}")def closeEvent(self, event):"""窗口关闭时的处理"""self.client.loop_stop()self.client.disconnect()event.accept()if __name__ == "__main__":app = QApplication(sys.argv)window = GPSMonitor()window.show()sys.exit(app.exec_())

这种设计解决了MQTT回调线程与GUI线程的冲突问题，确保了应用程序的稳定性。

PyQt运行界面：

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线程安全设计

MQTT客户端的回调函数在非GUI线程中执行，而PyQt应用程序要求UI更新必须在主线程中进行。为了解决这个问题，我们采用了Qt的信号-槽机制：

  1. 创建一个MQTTSignals类，定义message_received信号
  2. 在MQTT回调函数中发射信号
  3. 将信号连接到GUI线程中的槽函数

这种方式确保了线程安全，避免了直接在回调函数中更新UI导致的崩溃问题。

系统扩展性

该系统具有良好的扩展性：

  1. 多设备支持：通过增加设备ID识别，可轻松扩展为多设备系统
  2. 协议扩展：可以增加新的消息类型和命令
  3. 功能增强：可以添加历史数据记录、轨迹显示、报警功能等

系统运行效果

系统运行后，设备模拟器会每2秒发送一次GPS数据，PyQt客户端会实时显示这些数据，并可通过按钮或自定义文本发送控制命令。设备模拟器收到命令后会打印相应的响应信息。

源码与使用方法

使用前需要安装必要的依赖：

pip install paho-mqtt PyQt5

要运行系统，请先启动设备模拟器，然后运行PyQt客户端：

python device_simulator.py
python gps_monitor.py

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编程日记 2025/5/12 13:46:55

处理对象集合，输出Map＜String, Map＜String, List＜MyObject＞＞＞格式数据，无序组合键处理方法

需求&#xff1a;对象有字段A&#xff0c;B&#xff0c;C&#xff0c;需要判断对象之间AB两个字段相同的对象 如&#xff1a; 对象1&#xff0c;Aaaa,Bbbb 对象2&#xff0c;Aaaa,Bbbb 对象3&#xff0c;Abbb,Baaa 对象4&#xff0c;Abbb,Baaa…...

编程日记 2025/5/23 16:07:50

基于SpringBoot的食物营养分析与推荐网站系统

作者&#xff1a;计算机学姐 开发技术&#xff1a;SpringBoot、SSM、Vue、MySQL、JSP、ElementUI、Python、小程序等&#xff0c;“文末源码”。 专栏推荐&#xff1a;前后端分离项目源码、SpringBoot项目源码、Vue项目源码、SSM项目源码、微信小程序源码 精品专栏&#xff1a;…...

编程日记 2025/4/29 6:11:25

人智交互中的AI世代

人智交互中的AI世代 一、研究背景与意义 1.1 技术演进背景 人工智能技术自1956年达特茅斯会议提出概念以来&#xff0c;经历了多次技术迭代与产业周期。2020年后&#xff0c;以大语言模型&#xff08;LLMs&#xff09;和生成式AI&#xff08;AIGC&#xff09;为代表的突破性进…...

编程日记 2025/5/12 20:06:17

从Flask到智能体：装饰器模式在AI系统中的架构迁移实践

引言&#xff1a;框架设计中的模式复用 在人工智能系统开发领域&#xff0c;大型语言模型驱动的智能体&#xff08;LLM Agent&#xff09;正面临日益复杂的架构挑战。有趣的是&#xff0c;Web开发框架Flask的装饰器模式为此类系统的构建提供了极具启发性的解决方案。本文将深入…...

编程日记 2025/5/6 12:23:28

Docker的常用命令

docker的常用命令 今天来介绍docker的常用命令&#xff0c;非常的详细&#xff0c;请大家看起来&#xff01; 获取镜像 如果只指定了镜像的名称&#xff0c;则默认会获取latest标签标记的镜像 命令格式&#xff1a;dokcer pull [Docker Registry地址]仓库名[:标签名] 获取c…...

编程日记 2025/5/16 17:29:38

在matlab中使用UAV123官方toolkits测试自己的数据集

一、前言 最近需要将自己的跟踪代码在自己拍摄的数据集上进行测试&#xff0c;这里我选择使用 UAV123 官方 toolkits 进行配置。首先需要搞清楚这部分代码是如何运行的&#xff0c;精度图和成功率图是如何绘制出来的&#xff0c;然后再将自己的数据集加进去进行测试。 二、UA…...

编程日记 2025/5/22 6:44:11

《淘宝 API 数据湖构建：实时商品详情入湖 + Apache Kafka 流式处理指南》

随着电商行业的蓬勃发展&#xff0c;淘宝作为头部电商平台&#xff0c;积累了海量的商品数据。构建淘宝 API 数据湖&#xff0c;将实时商品详情数据纳入其中&#xff0c;并借助 Apache Kafka 进行流式处理&#xff0c;能够为企业提供强大的数据支撑&#xff0c;助力精准营销、市…...

编程日记 2025/5/24 12:11:29

HTML5 WebSocket：实现高效实时通讯

一、引言 在当今的 Web 开发领域，实时通讯功能变得越来越重要。例如在线聊天、实时数据更新等场景都需要客户端与服务器之间能够进行高效的双向数据传输。HTML5 引入的 WebSocket 协议为我们提供了一种强大的解决方案，它在单个 TCP 连接上实现了全双工通讯，极大地改善了传统…...

编程日记 2025/5/27 5:32:22

数字人Live_Talking的搭建和使用

Live_Talking是一个实时交互流式数字人&#xff0c;可以实现音视频同步对话。今天咱们来试着部署一下项目。 先来看下本地环境 系统&#xff1a;Ubuntu 22.04 显卡&#xff1a;rtx 3060 cuda: Cuda 12.1 git上推荐cuda11.3&#xff0c;但是我用cuda12.2也搭建成功了。 1、…...

编程日记 2025/5/20 11:55:24