使用微信＋樹莓派＋Arduino＋服務(wù)器構(gòu)建智能家庭小助手

前言

這是我去年的大創(chuàng)項(xiàng)目《一種基于微信的主動(dòng)式家庭智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，一直都沒有好好的梳理一遍應(yīng)該如何去復(fù)現(xiàn)它，最近時(shí)間較為充裕，我會(huì)較為仔細(xì)的描述清楚該項(xiàng)目的核心難點(diǎn)（其實(shí)并沒有難點(diǎn)?）。當(dāng)初報(bào)這個(gè)項(xiàng)目是為了學(xué)習(xí)一些硬件的簡(jiǎn)單相關(guān)知識(shí)，再結(jié)合一下前年（17年的項(xiàng)目要在16年年末申報(bào)）的社會(huì)熱點(diǎn)問題，當(dāng)時(shí)大家都比較熱衷于“智能家庭”的概念。當(dāng)時(shí)的小米“家庭智能”套件火的是一塌糊涂，甚至還出了賀歲版禮包（如果我沒記錯(cuò)的話），再結(jié)合當(dāng)時(shí)對(duì)自己的技術(shù)路線的一個(gè)定位，需要彌補(bǔ)一些關(guān)于硬件的知識(shí)，遂有了這個(gè)項(xiàng)目。

因?yàn)闀r(shí)間間隔的比較久遠(yuǎn)，不保證復(fù)現(xiàn)過程中100%正確，如果你有跟著走，出現(xiàn)了問題請(qǐng)務(wù)必告知，我們一起完善！大部分都是Python和Arduino代碼，建表SQL因?yàn)闆]法保證大家的物料跟我是一致的，而且大家也不一定會(huì)做的跟我完全一樣，這塊就保留了吧。當(dāng)然，如果你喜歡論文嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母袷?#xff0c;也可以到知網(wǎng)down下與本項(xiàng)目相關(guān)的渣作

物料準(zhǔn)備

我將使用微信公眾號(hào)、樹莓派、Arduino和一臺(tái)乞丐版配置的云服務(wù)器構(gòu)建一個(gè)智能家庭小助手，用于協(xié)助我們對(duì)室內(nèi)環(huán)境有一個(gè)較好的把控。如果你什么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(qiáng)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(hào)的樹莓派，畢竟最新的3B型號(hào)wifi模塊信號(hào)更好，整體的處理速度更快。￥150~300

一套Arduino開發(fā)套件。注意，是開發(fā)套件而不是Arduino這一塊板子，我們需要開發(fā)套件中的其它元器件。￥150~300

一臺(tái)云服務(wù)器。如果你要用自己的電腦也可以，在校園網(wǎng)、小區(qū)、公司內(nèi)記得先做內(nèi)網(wǎng)穿透，不過一臺(tái)乞丐版的服務(wù)器也沒多少錢，能省很多事。￥0~10

微信公眾號(hào) 如果你之前沒申請(qǐng)過的話，貌似開通審核得等兩三天？￥0

信息配置

如果一切順利，現(xiàn)在你的手上應(yīng)該有一塊樹莓派、一套Arduino開發(fā)套件、一臺(tái)云服務(wù)器、一個(gè)微信公眾號(hào)。微信提供了一套公眾號(hào)開發(fā)SDK，可以使用它，雖然官方提供開發(fā)文檔已經(jīng)非常成熟了，但還是覺得不夠簡(jiǎn)潔。在此推薦大家使用itchatmp。

微信公眾號(hào)： 進(jìn)入微信公眾平臺(tái)在左下角找到“開發(fā)”-“基本配置”，

在該頁面中填寫相關(guān)信息，

服務(wù)器地址（URL）:填寫IP地址。但必須是公網(wǎng)IP或者已經(jīng)做了內(nèi)網(wǎng)穿透的IP地址，也可解析好域名后填入對(duì)應(yīng)域名。

令牌（Token）:用于微信公眾號(hào)和服務(wù)器進(jìn)行雙向交互時(shí)的驗(yàn)證。

消息加解密密鑰:隨意。 所有內(nèi)容都填寫完畢后，別著急提交。進(jìn)行下一步，

服務(wù)器

登錄服務(wù)器后，先檢查是否安裝了Python環(huán)境（可直接上Python3）。安裝完成后，使用pip下載itchatmp，

$ pip install itchatmp 復(fù)制代碼

下載完成后，新建一個(gè).py文件（此處以mp.py為例），在文件中寫下，

import itchatmpitchatmp.update_config(itchatmp.WechatConfig(# 填寫上一步在微信公眾號(hào)的配置內(nèi)容token='yourToken',appId = 'yourAppId',appSecret = 'yourAppSecret'))@itchatmp.msg_register(itchatmp.content.TEXT)def text_reply(msg):return msg['Content']itchatmp.run() 復(fù)制代碼

此時(shí)執(zhí)行，（需要root權(quán)限）

$ python mp.py 復(fù)制代碼

看到下邊這句話后就可以去微信公眾號(hào)點(diǎn)擊確認(rèn)啦~

itchatmp started! press Ctrl+C to exit. 復(fù)制代碼

效果： 進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的微信公眾號(hào)中，你輸入任何內(nèi)容，它都會(huì)給你返回相同的內(nèi)容。如果微信公眾平臺(tái)告訴你Token驗(yàn)證失效估計(jì)就是你的IP地址不對(duì)。

數(shù)據(jù)庫

使用數(shù)據(jù)庫是為了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（完全可以使用txt文件來維護(hù)），在此為了簡(jiǎn)化手拼SQL易出錯(cuò)以及本項(xiàng)目并不需要進(jìn)行多少性能優(yōu)化的情況下，直接采用ORM（對(duì)象關(guān)系映射技術(shù)）。 P.S.我將采用sqlalchemy這個(gè)框架進(jìn)行，在廖雪峰的博客上有較為細(xì)致的講解，大家可以先自行研究一番到底是個(gè)什么東西。

這是定義好的硬件類，其實(shí)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) 復(fù)制代碼

新建一個(gè)py文件（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# '數(shù)據(jù)庫類型+數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)名稱://用戶名:口令@機(jī)器地址:端口號(hào)/數(shù)據(jù)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() 復(fù)制代碼

到這一步為止，就完成了使用ORM進(jìn)行MySQL數(shù)據(jù)庫操作的鋪墊。接下來，我們將進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的增刪改查方法的編寫。

增加一個(gè)元器件：

# 添加電子原件方法 # 原件name及針腳num需要配置 # 原件狀態(tài)默認(rèn)關(guān)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() 復(fù)制代碼

修改一個(gè)元器件的狀態(tài)：

# 執(zhí)行write操作 def writeHardware(hardwarename, status, num):unit = readHardware(hardwarename)unit = session.query(Hardware).get(unit.id)if unit:unit.status = statusif 'Unit' in hardwarename:unit.num = num;session.add(unit)session.commit()return '操作成功'return '操作失敗，請(qǐng)聯(lián)系管理員' 復(fù)制代碼

讀取一個(gè)元器件的狀態(tài)：

# 執(zhí)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 復(fù)制代碼

稍微做了點(diǎn)封裝的update方法：

# 電子原件執(zhí)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) 復(fù)制代碼

現(xiàn)在我們完成了test.py的編寫，主要完成了使用ORM技術(shù)編寫了操作數(shù)據(jù)庫的各種方法。接下來，我們要使用微信公眾號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改。

上位機(jī)配置

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，我們要做到用戶發(fā)送“開燈”、“關(guān)燈”、“開風(fēng)扇”、“溫度”等消息給公眾號(hào)后，能夠在數(shù)據(jù)庫中看到狀態(tài)被修改并且反饋。

簡(jiǎn)單的來概括一下要做的工作：首先要讓服務(wù)器接收到公眾號(hào)發(fā)送而來的消息；其次要對(duì)發(fā)送者進(jìn)行篩選，不能誰都可以操作這套系統(tǒng)；接著匹配消息，執(zhí)行不同的方法；最后給公眾號(hào)反饋回消息。

服務(wù)器接收公眾號(hào)發(fā)送的消息我們已經(jīng)在第一步中完成了，現(xiàn)在要對(duì)接收到的消息體進(jìn)行解析，根據(jù)userID來篩選誰能對(duì)這套系統(tǒng)進(jìn)行操作。我的做法非常簡(jiǎn)單，用一個(gè)"pjhubs.txt"文件保存了能夠操作這套系統(tǒng)的用戶ID。每次接收到消息時(shí)，都先從消息體中取出fromUserName字段數(shù)據(jù)與txt文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果在txt文件中才允許接著進(jìn)行操作。

import itchatmp import test# 配置微信公眾號(hào)信息 itchatmp.update_config(itchatmp.WechatConfig(token='你的token',appId = '你的appId',appSecret = '你的appSecret'))# 接收用戶消息 @itchatmp.msg_register(itchatmp.content.TEXT) def text_reply(msg):toUserName = msg['FromUserName']content = msg['Content']isContain = 0# pjhubs.txt為有權(quán)限的用戶列表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(tǒng)并未對(duì)您開放，請(qǐng)聯(lián)系PJ進(jìn)行配置'else:if content == '添加':# test.addNewUnit('tempUnit', 1, 2)return '操作成功!'elif content == '開燈':return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'redLED', 1)elif content == '關(guān)燈':return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'redLED', 0)elif content == '溫度':unit = test.updateStatusWithHardware('hardware', 0, 'tempUnit', 1)returnString = '當(dāng)前溫度為：' + str(unit.num) + '°'return returnStringelif content == '開風(fēng)扇':return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'tempUnit', 1)elif content == '關(guān)風(fēng)扇':return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'tempUnit', 0)# 新用戶關(guān)注公眾號(hào)時(shí) @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(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，請(qǐng)聯(lián)系PJ' itchatmp.run() 復(fù)制代碼

執(zhí)行，

$ python mp.py 復(fù)制代碼

在微信公眾號(hào)中發(fā)送“開燈”、“關(guān)燈”、“開風(fēng)扇”、“溫度”等指令都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。此時(shí)可以select對(duì)應(yīng)表查看數(shù)據(jù)是否一致再進(jìn)行下一步。

API編寫

這是知乎上一些關(guān)于API的內(nèi)容講解。我們?cè)诖耸褂肍lask輕量級(jí)的web框架進(jìn)行API編寫。主要是給樹莓派操作數(shù)據(jù)庫使用的。 通過pip安裝好flask后，我們可以先嘗試寫一個(gè)最簡(jiǎn)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 testapp = Flask(__name__) api = Api(app)@app.route('/') def index():return 'Get out!?'if __name__ == '__main__':app.run(host='0.0.0.0',debug=True) 復(fù)制代碼

此時(shí)我們?nèi)g覽器中輸入ip地址或域名，即可看到“Get out!?”這句話。現(xiàn)在我們要接著編寫幾個(gè)資源訪問路徑以便樹莓派訪問。

# 獲取所有硬件信息（求快可以這么寫） @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'}) 復(fù)制代碼

我們只需要起兩個(gè)API服務(wù)即可滿足要求。此時(shí)我們可以根據(jù)寫好的API訪問規(guī)則到瀏覽器中驗(yàn)證一番。

下位機(jī)配置——樹莓派

樹莓派是整套系統(tǒng)的靈魂所在，對(duì)上承載著數(shù)據(jù)庫的更新，對(duì)下負(fù)擔(dān)著Arduino的操作。當(dāng)然，如果不考慮性能你可以直接用Arduino的wifi模組，直接對(duì)API發(fā)起請(qǐng)求。

樹莓派首先要去在固定時(shí)間間隔內(nèi)輪詢特定API，根據(jù)API反饋回來的數(shù)據(jù)對(duì)固定串口發(fā)送特定字符，接收Arduino傳遞上來的數(shù)據(jù)，拼接API更新數(shù)據(jù)庫。

serial是對(duì)樹莓派上的串口進(jìn)行操作庫，urllib2是網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求庫，json是解析和發(fā)送JSON格式庫。

import serial import urllib2 import jsonhostname = 'http://你的地址/dachuang/api/v1/allHardware' # /dev/ttyACM0 是樹莓派上編號(hào)為0的USB口（可以在/dev目錄下通過觀察拔插對(duì)應(yīng)的USB口找到對(duì)應(yīng)的編號(hào)） 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 resultsend = ''# 通過json庫解析完后的數(shù)據(jù)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(jī)Arduino上讀取到的數(shù)據(jù)拼接URL發(fā)送回服務(wù)器，更新數(shù)據(jù)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) 復(fù)制代碼

我在此重新定義了一套操作流程， a -> “開燈” A -> “關(guān)燈” b -> “開風(fēng)扇” B -> “關(guān)風(fēng)扇” 因?yàn)槭艿紸rduino本身性能的影響，如果你還給它發(fā)一長(zhǎng)串的字符串比如“open light”等，那估計(jì)單單就解析并匹配，分時(shí)操作已經(jīng)過了。?。因此我才想重新定義一套ASCII碼關(guān)系映射，并且限制樹莓派每次輪詢的時(shí)間為4秒一次，可根據(jù)用戶所搭建的下位機(jī)硬件系統(tǒng)復(fù)雜適度增減輪詢時(shí)間。

下位機(jī)配置——Arduino

Arduino要做的事情只有接收串口數(shù)據(jù)，解析串口數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分別操作不同的硬件。Arduino用C寫的，定義了一套規(guī)則，用起來非常順手親切。

#define yellowLED 13 #define REDled 12 #define Buzzer 8 #define fanPin 2void setup() {Serial.begin(9600); // 9600 bpspinMode(yellowLED, OUTPUT);pinMode(Buzzer,OUTPUT);pinMode(REDled,OUTPUT);pinMode(fanPin,OUTPUT); } void loop() {//讀取A0口的電壓值，溫度傳感器所在串口int n = analogRead(A0); //使用浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)由電>壓值換算得到float vol = n * (5.0 / 1023.0*100); if ( Serial.available() ) {// 向串口寫入溫度Serial.println(vol);// 讀取樹莓派寫入串口的數(shù)據(jù)int res = Serial.read();// 根據(jù)ASCII碼執(zhí)行不同硬件操作函數(shù)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°后開啟高溫預(yù)警，蜂鳴器奏響和風(fēng)扇打開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(bào)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); } 復(fù)制代碼

上下位機(jī)聯(lián)調(diào)

至此我們完成了全部的基礎(chǔ)工作，在聯(lián)調(diào)的過程中，當(dāng)初我也發(fā)生了非常多的問題，這無法避免，稍不注意電路連錯(cuò)了以后就全盤皆輸了，在此我只能祝大家好運(yùn)，Arduino連接各個(gè)元器件的方式并沒有展開，因?yàn)槲蚁嘈糯蠹业碾娐吩O(shè)計(jì)一定比我強(qiáng)！?

在聯(lián)調(diào)的過程中，你需要做的是，

運(yùn)行restful.py，把整套API服務(wù)跑起來；

運(yùn)行mp.py，讓公眾號(hào)和服務(wù)器打通;

Arduino通過USB與樹莓派相連后，樹莓派再通電；

在公眾號(hào)上發(fā)送指令，觀察Arduino上元器件狀態(tài)變化。

結(jié)果：

github地址：github.com/windstormey…

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的使用微信＋树莓派＋Arduino＋服务器构建你的看门狗的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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