使用微信＋樹莓派＋Arduino＋伺服器構建智慧家庭小助手
前言
這是我去年的大創專案《一種基於微信的主動式家庭智慧監測系統設計與實現》，因為時間關係，一直都沒有好好的梳理一遍應該如何去復現它，最近時間較為充裕，我會較為仔細的描述清楚該專案的核心難點（其實並沒有難點?）。當初報這個專案是為了學習一些硬體的簡單相關知識，再結合一下前年（17年的專案要在16年年末申報）的社會熱點問題，當時大家都比較熱衷於“智慧家庭”的概念。當時的小米“家庭智慧”套件火的是一塌糊塗，甚至還出了賀歲版禮包（如果我沒記錯的話），再結合當時對自己的技術路線的一個定位，需要彌補一些關於硬體的知識，遂有了這個專案。
因為時間間隔的比較久遠，不保證復現過程中100%正確，如果你有跟著走，出現了問題請務必告知，我們一起完善！大部分都是Python和Arduino程式碼，建表SQL因為沒法保證大家的物料跟我是一致的，而且大家也不一定會做的跟我完全一樣，這塊就保留了吧。當然，如果你喜歡論文嚴謹的格式，也可以到知網down下與本專案相關的渣作
物料準備
我將使用微信公眾號、樹莓派、Arduino和一臺乞丐版配置的雲伺服器構建一個智慧家庭小助手，用於協助我們對室內環境有一個較好的把控。如果你什麼都沒有可以參考以下清單先行購買物料（所有的必須物料下來，勉強三百多一些？）：
- 一塊樹莓派。版本隨意，如果你資金比較充裕，可以購買最新型號的樹莓派，畢竟最新的3B型號wifi模組訊號更好，整體的處理速度更快。￥150~300
- 一套Arduino開發套件。注意，是開發套件而不是Arduino這一塊板子，我們需要開發套件中的其它元器件。￥150~300
- 一臺雲伺服器。如果你要用自己的電腦也可以，在校園網、小區、公司內記得先做內網穿透，不過一臺乞丐版的伺服器也沒多少錢，能省很多事。￥0~10
- 微信公眾號 如果你之前沒申請過的話，貌似開通稽核得等兩三天？￥0
資訊配置
如果一切順利，現在你的手上應該有一塊樹莓派、一套Arduino開發套件、一臺雲伺服器、一個微信公眾號。微信提供了一套公眾號開發SDK，可以使用它，雖然官方提供開發文件已經非常成熟了，但還是覺得不夠簡潔。在此推薦大家使用itchatmp。
微信公眾號： 進入微信公眾平臺在左下角找到“開發”-“基本配置”，
在該頁面中填寫相關資訊，
- 伺服器地址（URL）:填寫IP地址。但必須是公網IP或者已經做了內網穿透的IP地址，也可解析好域名後填入對應域名。
- 令牌（Token）:用於微信公眾號和伺服器進行雙向互動時的驗證。
- 訊息加解密金鑰:隨意。 所有內容都填寫完畢後，彆著急提交。進行下一步，
伺服器
登入伺服器後，先檢查是否安裝了Python環境（可直接上Python3）。安裝完成後，使用pip下載itchatmp，
$ pip install itchatmp
複製程式碼下載完成後，新建一個.py檔案（此處以mp.py為例），在檔案中寫下，
import itchatmp
itchatmp.update_config(itchatmp.WechatConfig(
# 填寫上一步在微信公眾號的配置內容
token='yourToken',
appId = 'yourAppId',
appSecret = 'yourAppSecret'))
@itchatmp.msg_register(itchatmp.content.TEXT)
def text_reply(msg):
return msg['Content']
itchatmp.run()
複製程式碼此時執行，（需要root許可權）
$ python mp.py
複製程式碼看到下邊這句話後就可以去微信公眾號點選確認啦~
itchatmp started! press Ctrl+C to exit.
複製程式碼效果： 進入到對應的微信公眾號中，你輸入任何內容，它都會給你返回相同的內容。如果微信公眾平臺告訴你Token驗證失效估計就是你的IP地址不對。
資料庫
使用資料庫是為了儲存資料（完全可以使用txt檔案來維護），在此為了簡化手拼SQL易出錯以及本專案並不需要進行多少效能優化的情況下，直接採用ORM（物件關係對映技術）。
P.S.我將採用sqlalchemy這個框架進行，在廖雪峰的部落格上有較為細緻的講解，大家可以先自行研究一番到底是個什麼東西。
這是定義好的硬體類，其實也就是硬體表，
# 硬體表
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)
複製程式碼新建一個py檔案（以test.py為例），在其中寫下，
from sqlalchemy import create_engine
from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base
from sqlalchemy import Column, String, Integer
from sqlalchemy.orm import sessionmaker
# '資料庫型別+資料庫驅動名稱://使用者名稱:口令@機器地址:埠號/資料庫名'
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()
複製程式碼到這一步為止，就完成了使用ORM進行MySQL資料庫操作的鋪墊。接下來，我們將進行資料庫的增刪改查方法的編寫。
- 增加一個元器件：
# 新增電子原件方法
# 原件name及針腳num需要配置
# 原件狀態預設關閉
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()
複製程式碼- 修改一個元器件的狀態：
# 執行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 '操作失敗，請聯絡管理員'
複製程式碼- 讀取一個元器件的狀態：
# 執行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
複製程式碼- 稍微做了點封裝的update方法：
# 電子原件執行read或write篩選方法
def updateStatusWithHardware(tableName, operatorStatus, hardwarename, status):
if tableName == 'hardware':
if operatorStatus == 1:
return writeHardware(hardwarename, status, 0)
else:
return readHardware(hardwarename)
複製程式碼現在我們完成了test.py的編寫，主要完成了使用ORM技術編寫了運算元據庫的各種方法。接下來，我們要使用微信公眾號對資料庫進行修改。
上位機配置
在這個環節中，我們要做到使用者傳送“開燈”、“關燈”、“開風扇”、“溫度”等訊息給公眾號後，能夠在資料庫中看到狀態被修改並且反饋。
簡單的來概括一下要做的工作：首先要讓伺服器接收到公眾號傳送而來的訊息；其次要對傳送者進行篩選，不能誰都可以操作這套系統；接著匹配訊息，執行不同的方法；最後給公眾號反饋回訊息。
伺服器接收公眾號傳送的訊息我們已經在第一步中完成了，現在要對接收到的訊息體進行解析，根據userID來篩選誰能對這套系統進行操作。我的做法非常簡單，用一個"pjhubs.txt"檔案儲存了能夠操作這套系統的使用者ID。每次接收到訊息時，都先從訊息體中取出fromUserName欄位資料與txt檔案中的資料進行比對，如果在txt檔案中才允許接著進行操作。
import itchatmp
import test
# 配置微信公眾號資訊
itchatmp.update_config(itchatmp.WechatConfig(
token='你的token',
appId = '你的appId',
appSecret = '你的appSecret'))
# 接收使用者訊息
@itchatmp.msg_register(itchatmp.content.TEXT)
def text_reply(msg):
toUserName = msg['FromUserName']
content = msg['Content']
isContain = 0
# pjhubs.txt為有許可權的使用者列表
f = open("pjhubs.txt","r")
lines = f.readlines()
for line in lines:
if line[:-1] == toUserName:
isContain = 1;
if isContain == 0:
return '該系統並未對您開放，請聯絡PJ進行配置'
else:
if content == '新增':
# test.addNewUnit('tempUnit', 1, 2)
return '操作成功!'
elif content == '開燈':
return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'redLED', 1)
elif content == '關燈':
return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'redLED', 0)
elif content == '溫度':
unit = test.updateStatusWithHardware('hardware', 0, 'tempUnit', 1)
returnString = '當前溫度為：' + str(unit.num) + '°'
return returnString
elif content == '開風扇':
return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'tempUnit', 1)
elif content == '關風扇':
return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'tempUnit', 0)
# 新使用者關注公眾號時
@itchatmp.msg_register(itchatmp.content.EVENT)
def user_management(event):
if(event['Event']=='subscribe'):
return u'歡迎來到PJHubs，如果你想試用室內環境智慧監測系統，請聯絡PJ'
itchatmp.run()
複製程式碼執行，
$ python mp.py
複製程式碼在微信公眾號中傳送“開燈”、“關燈”、“開風扇”、“溫度”等指令都會對資料庫進行操作。此時可以select對應表檢視資料是否一致再進行下一步。
API編寫
這是知乎上一些關於API的內容講解。我們在此使用Flask輕量級的web框架進行API編寫。主要是給樹莓派運算元據庫使用的。 通過pip安裝好flask後，我們可以先嚐試寫一個最簡單的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)
複製程式碼此時我們去瀏覽器中輸入ip地址或域名，即可看到“Get out!?”這句話。現在我們要接著編寫幾個資源訪問路徑以便樹莓派訪問。
# 獲取所有硬體資訊（求快可以這麼寫）
@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'})
複製程式碼我們只需要起兩個API服務即可滿足要求。此時我們可以根據寫好的API訪問規則到瀏覽器中驗證一番。
下位機配置——樹莓派
樹莓派是整套系統的靈魂所在，對上承載著資料庫的更新，對下負擔著Arduino的操作。當然，如果不考慮效能你可以直接用Arduino的wifi模組，直接對API發起請求。
樹莓派首先要去在固定時間間隔內輪詢特定API，根據API反饋回來的資料對固定串列埠傳送特定字元，接收Arduino傳遞上來的資料，拼接API更新資料庫。
serial是對樹莓派上的串列埠進行操作庫，urllib2是網路請求庫，json是解析和傳送JSON格式庫。
import serial
import urllib2
import json
hostname = 'http://你的地址/dachuang/api/v1/allHardware'
# /dev/ttyACM0 是樹莓派上編號為0的USB口（可以在/dev目錄下通過觀察拔插對應的USB口找到對應的編號）
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 = ''
# 通過json庫解析完後的資料就是字典
if result[0]['status'] == 1:
send += 'a'
else:
send += 'A'
if result[1]['status'] == 1:
send += 'b'
else:
send += 'B'
# 從下位機Arduino上讀取到的資料拼接URL傳送回伺服器，更新資料庫
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)
複製程式碼我在此重新定義了一套操作流程， a -> “開燈” A -> “關燈” b -> “開風扇” B -> “關風扇” 因為受到Arduino本身效能的影響，如果你還給它發一長串的字串比如“open light”等，那估計單單就解析並匹配，分時操作已經過了。?。因此我才想重新定義一套ASCII碼關係對映，並且限制樹莓派每次輪詢的時間為4秒一次，可根據使用者所搭建的下位機硬體系統複雜適度增減輪詢時間。
下位機配置——Arduino
Arduino要做的事情只有接收串列埠資料，解析串列埠資料，根據資料分別操作不同的硬體。Arduino用C寫的，定義了一套規則，用起來非常順手親切。
#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() {
//讀取A0口的電壓值，溫度感測器所在串列埠
int n = analogRead(A0);
//使用浮點數儲存溫度資料，溫度資料由電>壓值換算得到
float vol = n * (5.0 / 1023.0*100);
if ( Serial.available() ) {
// 向串列埠寫入溫度
Serial.println(vol);
// 讀取樹莓派寫入串列埠的資料
int res = Serial.read();
// 根據ASCII碼執行不同硬體操作函式
if (res == 97) {
digitalWrite(yellowLED, HIGH);
}
if (res == 65){
digitalWrite(yellowLED, LOW);
}
if (res == 98) {
digitalWrite(fanPin, HIGH);
}
if (res == 66) {
digitalWrite(fanPin, LOW);
}
}
// 超過30°後開啟高溫預警，蜂鳴器奏響和風扇開啟
if (vol > 30) {
buzzerBegin();
}
}
// 蜂鳴器響鈴
void buzzerBegin() {
digitalWrite(fanPin, HIGH);
digitalWrite(REDled, HIGH);
//頻率從200HZ 增加到800HZ，模擬警報聲
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);
}
複製程式碼上下位機聯調
至此我們完成了全部的基礎工作，在聯調的過程中，當初我也發生了非常多的問題，這無法避免，稍不注意電路連錯了以後就全盤皆輸了，在此我只能祝大家好運，Arduino連線各個元器件的方式並沒有展開，因為我相信大家的電路設計一定比我強！?
在聯調的過程中，你需要做的是，
- 執行restful.py，把整套API服務跑起來；
- 執行mp.py，讓公眾號和伺服器打通;
- Arduino通過USB與樹莓派相連後，樹莓派再通電；
- 在公眾號上傳送指令，觀察Arduino上元器件狀態變化。
結果：
github地址：github.com/windstormey…