天气实时显示系统--基于python网络爬虫的树莓派与Arduino蓝牙通信

综述

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由树莓派作为上位机，定时运行python爬虫程序，将结果通过蓝牙发送给Arduino,Arduino接收到数据，将数据显示在1602LCD屏上，如果数据中显示会下雨，则亮起红色LED以提醒并（拓展：使用SIM900GSM模块，通过Arduino发信息给手机实时提醒。)

电子器件：

1. raspberry pi 3B
2. Arduino Uno
3. HC-05蓝牙主从一体模块
4. 1602LCD显示屏
5. HC-SR04超声波测距模块
6. 9V电池
7. 1000Ω电阻
8. 红色，绿色LED
9. SIM900 GSM模块(拓展)

树莓派上位机：

一：蓝牙配置
目前知道有2种方法：
A：完全通过linux命令行完成

在Python环境下使用“import bluetooth”如果报出错误信息“ImportError: No module named bluetooth”则说明没有安装相应的包，执行一下命令安装。

$sudo apt-get update
$sudo apt-get install bluetooth  bluez  python-bluez

进入蓝牙连接工具

$ bluetoothctl
[NEW] Controller B8:27:EB:D3:61:B0 raspberrypi [default]
[bluetooth]# agent on
Agent registered
[bluetooth]# default-agent
Default agent request successful

开始扫描周围蓝牙设备

[bluetooth]# scan on 
Discovery started
[CHG] Controller B8:27:EB:D3:61:B0 Discovering: yes
[NEW] Device 98:14:01:10:C5:32 HC-05

连接蓝牙设备

[bluetooth]# pair 98:14:01:10:C5:32 
Attempting to pair with 98:14:01:10:C5:32 
[CHG] Device 98:14:01:10:C5:32 Connected: yes
Connected: yes
Request PIN code
[agent] Enter PIN code: 1234
[CHG] Device 98:14:01:10:C5:32 UUIDs:
        00001101-0000-1000-8000-00805f9b34fb
[CHG] Device 98:14:01:10:C5:32 Paired: yes
Pairing successful

生成rfcomm0 文件(要用)

$ sudo rfcomm bind 0 98:14:01:10:C5:32

连接蓝牙设备后，会在树莓派的【/dev】目录中创建一个蓝牙设备的虚拟文件 /dev/rfcomm0

如果大家觉得这方法繁琐且难以记住，还有一种相对简答方法：

B：先通过桌面，再通过命令行
较新的树莓派桌面支持显示蓝牙设备，我们可以通过桌面操作连接蓝牙
升级安装蓝牙相关软件包
关键第三步用来更新桌面环境，我的桌面版本老，故要执行

$sudo apt-get update 
$sudo apt-get upgrade -y 
$sudo apt-get dist-upgrade -y 
$sudo apt-get install pi-bluetooth bluez bluez-firmware blueman

找到桌面蓝牙图标

之后的操作和命令行一样：
先进入bluetoothctl

$ bluetoothctl

找到对应的蓝牙地址（这是会自动显示再桌面下已连接的蓝牙设备)
再退出

exit

最后生成rfcomm0 文件(要用)

$ sudo rfcomm bind 0 98:14:01:10:C5:32

二： python网络爬虫获取天气预报
首先导入python相应模块

INDEX:
Requests 是用Python语言编写，基于 urllib，采用 Apache2 Licensed 开源协议的 HTTP 库。它比 urllib 更加方便，可以节约我们大量的工作，完全满足 HTTP 测试需求。Requests 的哲学是以 PEP 20 的习语为中心开发的，所以它比 urllib 更加 Pythoner。更重要的一点是它支持 Python3

Beautiful Soup提供一些简单的、python式的函数用来处理导航、搜索、修改分析树等功能。它是一个工具箱，通过解析文档为用户提供需要抓取的数据，因为简单，所以不需要多少代码就可以写出一个完整的应用程序。
Beautiful Soup自动将输入文档转换为Unicode编码，输出文档转换为utf-8编码。你不需要考虑编码方式，除非文档没有指定一个编码方式，这时，Beautiful Soup就不能自动识别编码方式了。然后，你仅仅需要说明一下原始编码方式就可以了。
Beautiful Soup已成为和lxml、html6lib一样出色的python解释器，为用户灵活地提供不同的解析策略或强劲的速度。

serial 用于读串口的数据，使用非常的方便

time 处理与时间有关的操作，包括程序中断等

import requests
from bs4 import BeautifulSoup
import serial
from time import sleep#程序中断执行函数

如果导入出现困难，用linux命令行进行下载更新
法1：

$sudo apt-get install python-requests

法2：(前提是已经下载python pip 模块)

$sudo pip install python-requests

获得各城市天气预报网站函数

def get_url(city_name):#输入参数为城市名
    url = 'http://www.weather.com.cn/weather/'
    #打开存储对应城市对应网址地址的txt文档
    with open('city.txt', 'r', encoding='UTF-8') as fs:
        lines = fs.readlines()
        #对文件读取遍历
        for line in lines:
            if(city_name in line):#发现城市名
                code = line.split('=')[0].strip()#取得相应数字
                return url + code + '.shtml'#加到网址地址后
    raise ValueError('invalid city name')#未找到该城市

同路径下有个存储对应城市具体地址的txt文档
格式：
101010100=北京
101010200=海淀

网络爬虫获取地址中的内容
用简单的 requests 配合 BeautifulSoup 获取预报信息并保存。
下面两步根据链接地址把网页内容抓下来，然后进行解析，得到要保存的数据，返回的 content 是一个列表，每个元素是要保存的一行内容。

def get_content(url, data=None):
    rep = requests.get(url)
    rep.encoding = 'utf-8'
    return rep.text

def get_data(htmltext, city):
    content = []
    bs = BeautifulSoup(htmltext, "html.parser")
    body = bs.body
    data = body.find('div', {'id': '7d'})
    ul = data.find('ul')
    li = ul.find_all('li')
    for day in li:
        line = [city]
        date = day.find('h1').string
        line.append(date)
        text = day.find_all('p')
        line.append(text[0].string)
        if text[1].find('span') is None:
            temperature_H = None
        else:
            temperature_H = text[1].find('span').string.replace('℃', '')
        temperature_L = text[1].find('i').string.replace('℃', '')
        line.append(temperature_H)
        line.append(temperature_L)
        content.append(line)
    return content

对所获得信息进行处理

def finds(strings):#中文字符串
#找相应中文
    a=strings.find("雨",0)
    b=strings.find("云",0)
    c=strings.find("晴",0)
    if a!=-1:
        return 'r'#有雨发送‘r’
    if b!=-1:
        return 'c'#有云发送‘c’
    if c!=-1:
        return 's'#有阳发送‘s’

    #对没有天气情况的返回为‘N’,result列表储存今明2天天气情况
if result[0][3]==None:
    result[0][3]='N'
if result[0][4]==None:
    result[0][4]='N'
if result[1][3]==None:
    result[1][3]= 'N'
if result[1][4]==None:
    result[1][3]='N'        

三： 与Arduino下位机通信

 #蓝牙串口虚拟文件
 port='/dev/rfcomm0'
 serial=serial.Serial(port,9600)#设置蓝牙波特率

for i in range(1,10):#多次发送保证发送成功
            #调用serial.write()其在python3中只能一位一位发送，故将数据转为按位发送
                serial.write(bytes(finds(result[0][2]),'UTF-8'))
                #发送空格，分开各数据
                serial.write(bytes(' ','UTF-8'))
                serial.write(bytes(result[0][3],'UTF-8'))
                serial.write(bytes(' ','UTF-8'))
                serial.write(bytes(result[0][4],'UTF-8'))
                serial.write(bytes(' ','UTF-8'))
                serial.write(bytes(finds(result[1][2]),'UTF-8'))
                serial.write(bytes(' ','UTF-8'))
                serial.write(bytes(result[1][3],'UTF-8'))
                serial.write(bytes(' ','UTF-8'))
                serial.write(bytes(result[1][4],'UTF-8'))
                serial.write(bytes(' ','UTF-8'))
                serial.flushInput()#清除串口缓冲区
                sleep(.8)#程序终止运行0.8s，太快CPU费劲，程序也容易卡，LCD也会有反应不过来，更新过快

Arduino 下位机：

一： 获得树莓派数据
在arduino中蓝牙与串口使用方法相同

void got ()
  //收到蓝牙信号   
{if (Serial.available())
     //不停读取发送的一个个位，最多会有16位数据
  {for (int i=0;i<16;i++)
   {
     a=Serial.read();
     //将数据给数组
     b[i]=a;
     if (b[i]=='s')
//如果接收到要下雨信息，pin8至高电平，点亮红色LED提醒
     {digitalWrite(9,HIGH);
     }
     if (b[i]=='r')
    //如果接收到要天晴信息，pin9至高电平，点亮绿色LED
     {digitalWrite(8,HIGH);
    }    

二：在LCD上显示
要导入”LiquidCrystal”库
这样2行便解决

# include 
 //设置光标位置   
lcd.setCursor(i,2);
 //写入字符串
lcd.print(b[i]);       

三：数据更新
有2种不同的选择：
A：通过超声波传感器接收距离信息，如果距离小于某值，则说明有人来了，向树莓派发送信息，树莓派进行数据更新
获得距离

//超声波传感器输出端       
# define 6 trig
 //超声波传感器输入端 
# define 6 trig

float cm;//存储探测距离
float temp;//存储高脉冲信号长度

void distance ()
{digitalWrite(trig,LOW);
 delayMicroseconds(2);
 digitalWrite(trig,HIGH);//给一个10us秒的高脉冲，激发传感器
 delayMicroseconds(10);
 digitalWrite(trig,LOW);

 temp=float(pulseIn(echo,HIGH));//检测计算传感器发出后接受到的高脉冲时长，其正比于距离
 cm=temp*17/1000;//公式换算}
}

循环loop函数中进行检测更新发数据给树莓派

void loop()
{ distance();//获得距离
  if(cm<50)
  {Serial.write(int(cm));//发送信息给树莓派
  for (int i=0;i<11;i++)
   {got();//多次获得数据，保证数据正确完整
   lcd.setCursor(1,0);
   lcd.print("today tomorrow");//写明今明两天
   delay(800);}}//延时与树莓派相匹配                      
}       

B：使用程序中断定时进行：
这也有2种方法：
a:使用python time 模块的sleep函数，执行中断一段时间，之后继续执行
例如我们让每3小时更新一下，只要加上”sleep(60*60*3)”并稍微改动即可

b:使用linux下的crontab工具，设置程序定时执行
打开在pi用户下的crontab

$sudo crontab -u pi -e

写下

7 0 * * * python weather2.py
11 0 * * * python weather2.py
16 0 * * * python weather2.py

20 0 * * * python weather2.py

其格式是:
hour minute day month year command
退出vim编辑器后,很重要的一点是一定要执行如下命令，否则无法执行

$sudo /etc/init.d/cron restart  

则python程序将在7，11，16，20点执行
四：电路连接
不想用Fritzing画图了，直接写了
1.LCD-Arduino
将电位器换成1000Ω电阻，另一端接地
2.HC-SR04
trig-6
echo-7

3.HC-05
TX-RX
RX-TX

4.LED
红+-pin8
绿+-pin9
5.电源
考虑到盒子小体积，我使用了较小的9V电池，分别直接接IO口的VIN与GND，没有接电源接口，主要是缩小体积。

五：拓展短信通知(没钱买模块啊！树莓派一买就要吃土了！！还有关键Uno上只有一个RX,TX，得换arduino mega）
加个函数再调用就行

void sendSms(String phonecode ,String content) 
  {//电话号码 ，短信内容 
  Serial3.println("AT+CMGS=\""+phonecode+"\"");
  delay(500);//必须延时，不加延时可以自己看结果
  Serial3.print(content);//短内容为content;
  //不知为什么加这个？
  Serial3.write(0x1A)
  }

总体包装：

先是用杜邦线连接调试，然后花了一个下午多把电路焊在洞洞板上(布线自己还算满意,学长或许就不这么认为了…)，然后偶然看到实验室的一个盒子大小刚好适合，便顺便把盒子改造了下，把他塞进去了，还不错。时间比较紧，焊接制作各过程都没拍照，关键是近期手机坏了，不能拍照！
最后给一张我用老手机拍的模糊的最终成品照：

总结：

大一下学期学的较乱，黑白道(软硬件)通吃，却都很不精，感觉有点不踏实，不过想想以后又不是靠这些吃饭（至少不大可能），觉得现在多了解些挺好，打好通识工科，为以后打基础吧，这学期从最初的stm32，到python与opencv图形处理，再到树莓派与linux，计划之后再学学电路基础，偏点硬件。
PS:
该项目是实验室二轮考核的题目，在匆忙之中将其完成，应该包含了大部分我学习的内容，还是比较综合的吧，可能偏简答了，但觉得实验室应该没人做过这个，应该算是较新的领域了，
相对比较实用(这也是我选择项目的主要考虑因素）。也是完成了，感觉满满的成就感 ，别人是难以体会的，一种自我价值实现与创造，按柏格森说法，就是”生命创造论”，—个人创造冲动与工具理性的结合而产生,或者说是二者之间的一种相互妥协，这或许是2者最好的归宿。。。