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使用微信+树莓派+ Arduino+服务器构建你的看门狗 🐶

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  •   pjhubs ·
    windstormeye · 2018-06-21 20:12:34 +08:00 · 3226 次点击
    这是一个创建于 2347 天前的主题,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

    使用微信+树莓派+ Arduino +服务器构建智能家庭小助手

    前言

    这是我去年的大创项目《一种基于微信的主动式家庭智能监测系统设计与实现》,因为时间关系,一直都没有好好的梳理一遍应该如何去复现它,最近时间较为充裕,我会较为仔细的描述清楚该项目的核心难点(其实并没有难点🙄)。当初报这个项目是为了学习一些硬件的简单相关知识,再结合一下前年( 17 年的项目要在 16 年年末申报)的社会热点问题,当时大家都比较热衷于“智能家庭”的概念。当时的小米“家庭智能”套件火的是一塌糊涂,甚至还出了贺岁版礼包(如果我没记错的话),再结合当时对自己的技术路线的一个定位,需要弥补一些关于硬件的知识,遂有了这个项目。

    因为时间间隔的比较久远,不保证复现过程中 100%正确,如果你有跟着走,出现了问题请务必告知,我们一起完善!大部分都是PythonArduino代码,建表 SQL 因为没法保证大家的物料跟我是一致的,而且大家也不一定会做的跟我完全一样,这块就保留了吧。当然,如果你喜欢论文严谨的格式,也可以到知网 down 下与本项目相关的渣作

    物料准备

    我将使用微信公众号、树莓派、Arduino 和一台乞丐版配置的云服务器构建一个智能家庭小助手,用于协助我们对室内环境有一个较好的把控。如果你什么都没有可以参考以下清单先行购买物料(所有的必须物料下来,勉强三百多一些?):

    1. 一块树莓派。版本随意,如果你资金比较充裕,可以购买最新型号的树莓派,毕竟最新的 3B 型号 wifi 模块信号更好,整体的处理速度更快。¥ 150~300
    2. 一套 Arduino 开发套件。注意,是开发套件而不是 Arduino 这一块板子,我们需要开发套件中的其它元器件。¥ 150~300
    3. 一台云服务器。如果你要用自己的电脑也可以,在校园网、小区、公司内记得先做内网穿透,不过一台乞丐版的服务器也没多少钱,能省很多事。¥ 0~10
    4. 微信公众号 如果你之前没申请过的话,貌似开通审核得等两三天?¥ 0

    信息配置

    如果一切顺利,现在你的手上应该有一块树莓派、一套 Arduino 开发套件、一台云服务器、一个微信公众号。微信提供了一套公众号开发 SDK,可以使用它,虽然官方提供开发文档已经非常成熟了,但还是觉得不够简洁。在此推荐大家使用itchatmp

    微信公众号: 进入微信公众平台在左下角找到“开发”-“基本配置”,

    在该页面中填写相关信息,

    1. 服务器地址( URL ):填写 IP 地址。但必须是公网 IP 或者已经做了内网穿透的 IP 地址,也可解析好域名后填入对应域名。
    2. 令牌( Token ):用于微信公众号和服务器进行双向交互时的验证。
    3. 消息加解密密钥:随意。 所有内容都填写完毕后,别着急提交。进行下一步,

    服务器

    登录服务器后,先检查是否安装了 Python 环境(可直接上 Python3 )。安装完成后,使用 pip 下载 itchatmp,

    $ pip install itchatmp
    

    下载完成后,新建一个.py 文件(此处以 mp.py 为例),在文件中写下,

    import itchatmp
    
    itchatmp.update_config(itchatmp.WechatConfig(
      # 填写上一步在微信公众号的配置内容
       token='yourToken',
       appId = 'yourAppId',
       appSecret = 'yourAppSecret'))
       
    @itchatmp.msg_register(itchatmp.content.TEXT)
       def text_reply(msg):
         return msg['Content']
    
    itchatmp.run()
    

    此时执行,(需要 root 权限)

    $ python mp.py
    

    看到下边这句话后就可以去微信公众号点击确认啦~

    itchatmp started! press Ctrl+C to exit.
    

    效果: 进入到对应的微信公众号中,你输入任何内容,它都会给你返回相同的内容。如果微信公众平台告诉你 Token 验证失效估计就是你的 IP 地址不对。

    数据库

    使用数据库是为了存储数据(完全可以使用 txt 文件来维护),在此为了简化手拼 SQL 易出错以及本项目并不需要进行多少性能优化的情况下,直接采用ORM (对象关系映射技术)。 P.S.我将采用sqlalchemy这个框架进行,在廖雪峰的博客上有较为细致的讲解,大家可以先自行研究一番到底是个什么东西。

    这是定义好的硬件类,其实也就是硬件表,

    # 硬件表
    class Hardware(Base):
       __tablename__ = 'hardware'
    
       id = Column(Integer, primary_key=True)
       name = Column(String(64), nullable=False)
       status = Column(Integer, nullable=False)
       num = Column(Integer, nullable=False)
    

    新建一个 py 文件(以 test.py 为例),在其中写下,

    from sqlalchemy import create_engine
    from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base
    from sqlalchemy import Column, String, Integer
    from sqlalchemy.orm import sessionmaker
    
    # '数据库类型+数据库驱动名称://用户名:口令 @机器地址:端口号 /数据库名'
    engine = create_engine('mysql+mysqldb://root:mimamima@localhost:3306/restful?charset=utf8')
    Base = declarative_base()
    Base.metadata.create_all(engine)
    Session = sessionmaker(bind = engine)
    session = Session()
    

    到这一步为止,就完成了使用 ORM 进行 MySQL 数据库操作的铺垫。接下来,我们将进行数据库的增删改查方法的编写。

    1. 增加一个元器件:
    # 添加电子原件方法
    # 原件 name 及针脚 num 需要配置
    # 原件状态默认关闭
    def addNewUnit(hardwareName, status, num):
         Base.metadata.create_all(engine)
         Session = sessionmaker(bind=engine)
         session = Session()
         unit = Hardware(
             name = hardwareName, 
             status = status,
             num = num)
         session.add(unit)
         session.commit()
    
    1. 修改一个元器件的状态:
    # 执行 write 操作
    def writeHardware(hardwarename, status, num):
         unit = readHardware(hardwarename)
         unit = session.query(Hardware).get(unit.id)
         if unit:
             unit.status = status
             if 'Unit' in hardwarename:
                 unit.num = num;
             session.add(unit)
             session.commit()
             return '操作成功'
         return '操作失败,请联系管理员'
    
    1. 读取一个元器件的状态:
    # 执行 read 操作
    def readHardware(hardwarename):
         Base.metadata.create_all(engine)
         Session = sessionmaker(bind = engine)
         session = Session()
         unit = session.query(Hardware).filter_by(name=hardwarename).first()
         return unit
    
    1. 稍微做了点封装的 update 方法:
    #  电子原件执行 read 或 write 筛选方法
    def updateStatusWithHardware(tableName, operatorStatus, hardwarename, status):
         if tableName == 'hardware':
             if operatorStatus == 1:
                 return writeHardware(hardwarename, status, 0)
             else:
                 return readHardware(hardwarename)
    

    现在我们完成了 test.py 的编写,主要完成了使用 ORM 技术编写了操作数据库的各种方法。接下来,我们要使用微信公众号对数据库进行修改。

    上位机配置

    在这个环节中,我们要做到用户发送“开灯”、“关灯”、“开风扇”、“温度”等消息给公众号后,能够在数据库中看到状态被修改并且反馈。

    简单的来概括一下要做的工作:首先要让服务器接收到公众号发送而来的消息;其次要对发送者进行筛选,不能谁都可以操作这套系统;接着匹配消息,执行不同的方法;最后给公众号反馈回消息。

    服务器接收公众号发送的消息我们已经在第一步中完成了,现在要对接收到的消息体进行解析,根据 userID 来筛选谁能对这套系统进行操作。我的做法非常简单,用一个"pjhubs.txt"文件保存了能够操作这套系统的用户 ID。每次接收到消息时,都先从消息体中取出 fromUserName 字段数据与 txt 文件中的数据进行比对,如果在 txt 文件中才允许接着进行操作。

    import itchatmp
    import test
    
    # 配置微信公众号信息
    itchatmp.update_config(itchatmp.WechatConfig(
        token='你的 token',
        appId = '你的 appId',
        appSecret = '你的 appSecret'))
    
    # 接收用户消息
    @itchatmp.msg_register(itchatmp.content.TEXT)
    def text_reply(msg):
        toUserName = msg['FromUserName']
        content = msg['Content']
        isContain = 0
        # pjhubs.txt 为有权限的用户列表
        f = open("pjhubs.txt","r")
        lines = f.readlines()
        for line in lines:
            if line[:-1] == toUserName:
                isContain = 1;   
        if isContain == 0:
            return '该系统并未对您开放,请联系 PJ 进行配置'
        else:
            if content == '添加':
                # test.addNewUnit('tempUnit', 1, 2)
                return '操作成功!'
            elif content == '开灯':
                return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'redLED', 1)
            elif content == '关灯':
                return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'redLED', 0)
            elif content == '温度':
                unit = test.updateStatusWithHardware('hardware', 0, 'tempUnit', 1)
                returnString = '当前温度为:' + str(unit.num) + '°'
                return returnString
            elif content == '开风扇':
                return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'tempUnit', 1)
            elif content == '关风扇':
                return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'tempUnit', 0)
            
    # 新用户关注公众号时
    @itchatmp.msg_register(itchatmp.content.EVENT)
    def user_management(event):
        if(event['Event']=='subscribe'):
            return u'欢迎来到 PJHubs,如果你想试用室内环境智能监测系统,请联系 PJ'
    itchatmp.run()
    

    执行,

    $ python mp.py
    

    在微信公众号中发送“开灯”、“关灯”、“开风扇”、“温度”等指令都会对数据库进行操作。此时可以 select 对应表查看数据是否一致再进行下一步。

    API 编写

    这是知乎上一些关于 API 的内容讲解。我们在此使用Flask轻量级的 web 框架进行 API 编写。主要是给树莓派操作数据库使用的。 通过 pip 安装好 flask 后,我们可以先尝试写一个最简单的 restful 格式的 API:

    from flask import Flask
    from flask_restful import Resource, Api
    from flask import jsonify, request
    from flask import abort
    from flask import make_response
    import test
    
    app = Flask(__name__)
    api = Api(app)
    
    @app.route('/')
    def index():
        return 'Get out!🙂'
    
    if __name__ == '__main__':
        app.run(host='0.0.0.0',debug=True)
    

    此时我们去浏览器中输入 ip 地址或域名,即可看到“ Get out!🙂”这句话。现在我们要接着编写几个资源访问路径以便树莓派访问。

    # 获取所有硬件信息(求快可以这么写)
    @app.route('/dachuang/api/v1/allHardware')
    def get_allHardware():
        LED = test.readHardware('redLED')
        UNIT= test.readHardware('tempUnit')
        LEDres = { 'id' : LED.id,
                'name' : LED.name,
                'status' : LED.status,
                'num' : LED.num }
        UNITres = { 'id' : UNIT.id,
                    'name' : UNIT.name,
                    'status' : UNIT.status,
                    'num' : UNIT.num }
        return jsonify([LEDres, UNITres])
    
    # 更新固定元器件(求快用了 GET,最好是 POST )
    @app.route('/dachuang/api/v1/updateHardware', methods=['GET'])
    def get_updateHardware():
        hardwarename = request.args.get('hardwarename')
        status = request.args.get('status')
        num = request.args.get('num')
        if status == '3':
            unit = test.readHardware(hardwarename)
            test.writeHardware(hardwarename, unit.status, num)
        else:
            test.writeHardware(hardwarename, unit.status, num)
        return jsonify({'code' : '1'})
    

    我们只需要起两个 API 服务即可满足要求。此时我们可以根据写好的 API 访问规则到浏览器中验证一番。

    下位机配置——树莓派

    树莓派是整套系统的灵魂所在,对上承载着数据库的更新,对下负担着 Arduino 的操作。当然,如果不考虑性能你可以直接用 Arduino 的 wifi 模组,直接对 API 发起请求。

    树莓派首先要去在固定时间间隔内轮询特定 API,根据 API 反馈回来的数据对固定串口发送特定字符,接收 Arduino 传递上来的数据,拼接 API 更新数据库。

    serial 是对树莓派上的串口进行操作库,urllib2 是网络请求库,json 是解析和发送 JSON 格式库。

    import serial
    import urllib2
    import json
    
    hostname = 'http://你的地址 /dachuang/api/v1/allHardware'
    # /dev/ttyACM0 是树莓派上编号为 0 的 USB 口(可以在 /dev 目录下通过观察拔插对应的 USB 口找到对应的编号)
    ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 9600, timeout = 4)
    
    while 1:
        r = urllib2.Request(hostname)
        r = urllib2.urlopen(r)
        res = r.read()
        result = json.loads(res)
        print result
        send = ''
        # 通过 json 库解析完后的数据就是字典
        if result[0]['status'] == 1:
            send += 'a'
        else:
            send += 'A'
        if result[1]['status'] == 1:
        send += 'b'
        else:
        send += 'B'
        # 从下位机 Arduino 上读取到的数据拼接 URL 发送回服务器,更新数据库
        ser.write(send)
        response = ser.readall()
        if '' != response:
            response = response[0:2]
            ret = urllib2.Request("http://你的地址 /dachuang/api/v1/updateHardware?hardwarename=tempUnit&status=3" + '&num=' + response)
            ret = urllib2.urlopen(ret)
    

    我在此重新定义了一套操作流程, a -> “开灯” A -> “关灯” b -> “开风扇” B -> “关风扇” 因为受到 Arduino 本身性能的影响,如果你还给它发一长串的字符串比如“ open light ”等,那估计单单就解析并匹配,分时操作已经过了。😂。因此我才想重新定义一套 ASCII 码关系映射,并且限制树莓派每次轮询的时间为 4 秒一次,可根据用户所搭建的下位机硬件系统复杂适度增减轮询时间。

    下位机配置—— Arduino

    Arduino 要做的事情只有接收串口数据,解析串口数据,根据数据分别操作不同的硬件。Arduino 用 C 写的,定义了一套规则,用起来非常顺手亲切。

    #define yellowLED 13
    #define REDled 12
    #define Buzzer 8
    #define fanPin 2
    
    void setup()  {
      Serial.begin(9600); // 9600 bps
      pinMode(yellowLED, OUTPUT);
      pinMode(Buzzer,OUTPUT);
      pinMode(REDled,OUTPUT);
      pinMode(fanPin,OUTPUT);
    }
    void loop() {
      //读取 A0 口的电压值,温度传感器所在串口
      int n = analogRead(A0);    
      //使用浮点数存储温度数据,温度数据由电>压值换算得到
      float vol = n * (5.0 / 1023.0*100);   
      if ( Serial.available() ) {
          // 向串口写入温度
          Serial.println(vol);
          // 读取树莓派写入串口的数据
          int res = Serial.read();
          // 根据 ASCII 码执行不同硬件操作函数
          if (res == 97) {
            digitalWrite(yellowLED, HIGH);
          }
          if (res == 65){
            digitalWrite(yellowLED, LOW);
          }
          if (res == 98) {
            digitalWrite(fanPin, HIGH);
          }
          if (res == 66) {
            digitalWrite(fanPin, LOW);
          }
        }
        // 超过 30°后开启高温预警,蜂鸣器奏响和风扇打开
        if (vol > 30) {    
            buzzerBegin();
        }
    }
    
    // 蜂鸣器响铃
    void buzzerBegin() {
      digitalWrite(fanPin, HIGH);
      digitalWrite(REDled, HIGH);
      //频率从 200HZ 增加到 800HZ,模拟警报声
      for(int i=200;i<=800;i++) {
        tone(Buzzer,i);
        delay(5);
      }
      delay(100);
      for(int i=800;i>=200;i--) {
        tone(Buzzer,i);
        delay(5);
      }
    
      digitalWrite(REDled, LOW);
      digitalWrite(fanPin, LOW);
    }
    

    上下位机联调

    至此我们完成了全部的基础工作,在联调的过程中,当初我也发生了非常多的问题,这无法避免,稍不注意电路连错了以后就全盘皆输了,在此我只能祝大家好运,Arduino 连接各个元器件的方式并没有展开,因为我相信大家的电路设计一定比我强!👍

    在联调的过程中,你需要做的是,

    1. 运行 restful.py ,把整套 API 服务跑起来;
    2. 运行 mp.py ,让公众号和服务器打通;
    3. Arduino 通过 USB 与树莓派相连后,树莓派再通电;
    4. 在公众号上发送指令,观察 Arduino 上元器件状态变化。

    结果:

    github 地址:https://github.com/windstormeye/watchDog

    7 条回复    2018-10-03 08:54:56 +08:00
    d0m2o08
        1
    d0m2o08  
       2018-06-21 20:19:44 +08:00
    占楼 mark
    zjgsamuel
        2
    zjgsamuel  
       2018-06-21 20:33:38 +08:00
    Mark~
    pjhubs
        3
    pjhubs  
    OP
       2018-06-22 00:49:16 +08:00
    如果大家感兴趣,项目在 github 上,地址在文末~可以跟我一起完善它
    shuperjolly
        4
    shuperjolly  
       2018-06-22 10:00:06 +08:00
    严重支持。。。。。非常感兴趣,只是最近太忙了,对这块有非常多大胆的想法
    pjhubs
        5
    pjhubs  
    OP
       2018-06-22 10:22:50 +08:00 via iPhone
    @shuperjolly 啊哈哈哈。好!我等着您的想法,我们一起完善它!💪🏼
    idaliang
        6
    idaliang  
       2018-06-22 13:48:16 +08:00 via Android
    插眼
    pjhubs
        7
    pjhubs  
    OP
       2018-10-03 08:54:56 +08:00 via iPhone
    统一回复,谢谢大家关注
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