用树莓派搭建的校园气象信息检测系统

有一次看到学生的科学实践作业，是记录一周的天气情况，记录每天的最低温度、最高温度，并画出一周的气温变化折线图。我在想，如果利用传感器采集一些简单的气象信息，并用物联网技术存储并处理这些信息，就可以更加准确地记录更长时间的气象信息。于是，我准备构建一套基于物联网的气象信息监测系统，该系统包括采集气象信息的传感器，信息处理并联网的物联网开发板，存储数据的树莓派，最终呈现数据的大屏幕。
Blynk是一款优秀的物联网开发平台，它支持的硬件平台广泛，移动端app方便易用，编程简单易懂，是创客们入门物联网开发的最佳伴侣。利用Blynk开发的物联网应用主要包括开发板、手机app端、Blynk服务器端，如图 1所示。开发板上的传感器将采集到的数据上传到Blynk服务器，移动端app通过读取服务器信息将数据通过一定的方式呈现（数值、图表等）。在官方提供的方案中，数据只能在手机端呈现，而并不能通过电脑等其他设备查看数据，实属遗憾。

Blynk物联网平台结构图

硬件准备

名称	功能
树莓派3B	作为服务器存储、处理数据
WeMos D1物联网开发板	将传感器数据发送到服务器
DHT11温湿度传感器	采集温度数据
大屏幕（电视机或显示器）	呈现数据、图表等

设计思路

在树莓派上搭建Blynk server服务器，让开发板将数据存储在树莓派中；在树莓派上安装metabese，用于解析数据；用树莓派自带的浏览器访问metabese站点查看数据。

系统结构图

树莓派的安装与配置

从树莓派官网（https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/）下载RASPBIAN STRETCH LITE版系统。系统烧写完成后，将树莓派连上鼠标键盘和显示器，利用终端进行基础配置。

树莓派基础配置

在命令行中输入sudo raspi-config，进行配置，具体配置如下图。

树莓派配置

Change User Password
修改用户密码，新装的树莓派系统需要修改默认用户pi的密码，选中后回车，输入新密码即可。
Network Options
网络设置，选择Wi-fi,输入你的Wi-fi名称及密码，注意区分大小写，在下次重启后树莓派就可以连接到网络了。
Localisation Options
本地化配置
Change Locale
语言和区域设置,下拉选择ZH-CN UTF-8然后按回车。
Change Timezone
设置时区，将时区设为Asia/Shanghai，如果不进行设置，树莓派的时间就会跟北京时间相差8小时。
完成基础设置后，运行以下命令，更新树莓派系统及软件。

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

设置完成后，重启树莓派。
命令行输入ifconfig，查看并记录树莓派在内网的IP地址，如192.168.1.108。

查看树莓派IP

安装桌面系统

我们安装的树莓派系统是Lite版，该版本是树莓派的精简版，只保留树莓派系统最基础的功能，为应用程序提供尽可能多的资源。为了能用该树莓派连接屏幕显示数据与图表，还需要在该树莓派上安装桌面系统和浏览器。
依次执行以下命令：

sudo apt-get install --no-install-recommends xserver-xorg
sudo apt-get install --no-install-recommends xinit
sudo apt-get install raspberrypi-ui-mods
sudo apt-get install chromium-browser

重启树莓派后，用pi用户登录系统，发现树莓派已经有了桌面系统，并且已经安装了chromium浏览器。此时的树莓派已经具备一台小型电脑的功能，有图形界面，支持鼠标键盘操作，具有浏览网页的浏览器。

安装Blynk Server

Blynk Server是基于Java开发的开源Blynk服务器端程序，方便用户建立安全稳定的Blynk私有云。开发板将数据传输并存储在Blynk云，手机app端可以访问Blynk云端数据。比较Blynk的私有云与公共云，主要有以下区别：

指标	公共云	私有云
稳定性	服务器在国外，响应速度较慢，且稳定性受网络、公共云等影响。	可以安装在内网或国内公网，速度有保证，稳定性完全由自己掌握。
服务器资源	免费提供1000能量值，一般可以开发两个小型应用。	能量值无上限，可以开发的应用数量理论无上限。
二次开发	不能进行二次开发	可以进行二次开发，数据存储在私有云，可进行深度挖掘。
安全性	只能通过账号密码保护数据安全。	可以设置多种安全策略，比如绑定MAC,IP等。

在安装Blynk server之前要先安装java8，输入命令sudo apt-get install oracle-java8-jdk。
下载Blynk server
wget https://github.com/blynkkk/blynk-server/releases/download/v0.32.1/server-0.32.1-java8.jar
（blynk server 最新版查看地址https://github.com/blynkkk/blynk-server/releases/latest）
在同级目录下创建Blynk server配置文件sudo nano server.properties
将官方提供的配置文件样例粘贴到server.properties文件中，https://github.com/Blynkkk/Blynk-server/blob/master/server/core/src/main/resources/server.properties
为了开启blynk的数据库存储功能，需要修改以下配置，将enable.db和enable.raw.db.data.store都设为true：

#enable DB
enable.db=true
#enable raw data storage to DB
enable.raw.db.data.store=true

安装并配置PostgreSQL9.6数据库

sudo apt-get --no-install-recommends install postgresql-9.6 postgresql-contrib-9.6

创建数据库配置文件

在临时目录创建数据库配置文件sudo nano /tmp/create_schema.sql
找到blynk官方给出的数据库配置文件https://raw.githubusercontent.com/Blynkkk/Blynk-server/master/server/core/src/main/resources/create_schema.sql
但是，官方提供的配置文件中时间变量的类型为timestamp，默认不带时区，会导致数据库中记录的时间值与当地时间有差值，因此需要修改该文件。将create_schema.sql文件中所有的timestamp替换成timestamp with time zone，再将内容复制到create_schema.sql文件中。

创建数据库

sudo su – postgres，切换到postgres（数据库管理员账号）。再输入psql，进入数据库管理界面，执行数据库文件\i create_schema.sql，用于创建数据库。根据数据库配置文件，将会创建一个名为Blynk的数据库，该数据库用于存放Blynk产生的所有数据，同时还会创建一个用户名和密码都为test的用户。完成后执行\q退出psql。

Metabese安装及配置

Metabase是一套开源、易用的数据可视化分析工具，可以方便地对数据库中的数据进行挖掘分析，创建柱状图、折线图等统计图表，非常适用于统计分析天气数据。
下载最新的metabase到树莓派
wget http://downloads.metabase.com/v0.28.1/metabase.jar
（metabase最新版查看地址https://www.metabase.com/start/jar.html）

启动相关服务

启动Blynk server服务，java –jar server-0.32.1-java8.jar -dataFolder /home/pi/Blynk
启动metabase服务，java -jar /home/pi/metabase.jar
稍等片刻，相关服务就会启动。
利用树莓派自带的浏览器访问以下网址进行功能测试，Blynk server后台地址https://127.0.0.1:9443/admin；metabase站点地址http://127.0.0.1:3000。如果两个站点都能正常访问，则说明部署完成。
为使用方便，可以将以上两项服务设为开机启动，用命令行打开rc.local文件并编辑该文件，sudo nano /etc/rc.local。
在该文件中增加以下两行命令，用于开机时启动相关服务。

java -jar /home/pi/server-0.32.1-java8.jar -dataFolder /home/pi/Blynk &
java -jar /home/pi/metabase.jar

重启树莓派，等待2-3分钟后所有相关服务启动完成，服务器端的配置到此结束。

Blynk Server后台管理

访问blynk server后台，地址为https://127.0.0.1:9443/admin，注意该地址为https，而不是http。默认管理员账号为[email protected]，密码为admin。登录后可以修改该账号的用户名和密码，还可以创建新的用户名。创建用户名后才能通过app端产生对应的授权码。

Blynk应用开发

利用Arduino IDE编写程序上传到开发板中，其中的服务器地址填写为树莓派的IP地址。
比如：将DHT11温湿度传感器接在D2管脚上，将测到的温湿度值传给虚拟管脚V5、V6，然后每隔15分钟将数据提交给树莓派服务器。程序如下：

#define BLYNK_PRINT Serial
#include 
#include 
#include 
char auth[] = "385328d811954a4ab990e7899971****";//授权码
char ssid[] = "****";//wifi名称
char pass[] = "****";//wifi密码
#define DHTPIN D2//DHT11温湿度传感器连接管脚
#define DHTTYPE DHT11//DHT温湿度传感器类型
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
BlynkTimer timer;
void sendSensor()
{
  float h = dht.readHumidity();//读取湿度
  float t = dht.readTemperature(); //读取温度

  if (isnan(h) || isnan(t)) {
    Serial.println("Failed to read from DHT sensor!");
    return;
  }
  Blynk.virtualWrite(V5, h);//向blynk发送数据
  Blynk.virtualWrite(V6, t);
}
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  Blynk.begin(auth, ssid, pass, IPAddress(192,168,1,108), 8442);
  dht.begin();
  timer.setInterval(900000L, sendSensor);//每隔15分钟发送传感器数据
}
void loop()
{
  Blynk.run();
  timer.run();
}

具体Blynk应用开发可参考物联网开发，SO EASY——基于Blynk的物联网应用开发。