基于树莓派的环境监控系统

摘要

当你发现需要更多的计算能力或外设支持的时候，如 USB或高清晰度多媒体接口（HDMI）视频，你已经离开了像 Arduino这样的微控制器领域，进入了计算机领域。树莓派（Raspberry Pi）是一个小型计算机，可以很好地执行这样的高级任务。树莓派可以在许多有趣的项目中使用。

本文将用树莓派以及温度和湿度传感器（DHT11），来构建基于 Web 的温度和湿度监控系统。在树莓派（arm开发板）上运用python语言来实现系统。

关键字：树莓派、python、环境监测

一. 开发环境及相关技术

本系统的开发环境：

树莓派3B+、DHT11温湿度传感器，杜邦线，无线网卡，PC

Raspbian系统、python语言。

1.DHT11温湿度传感器

DHT11是一种测量温度和湿度的常用传感器。

精度湿度+-5%RH， 温度+-2℃，量程：湿度20-90%RH，温度0~50℃。

DHT1有4个引脚，分别是VDD（+）、 GND（—）、 DATA， NC（不使用）

pin	名称	注释
1	VDD（+）	供电3~5.5v
2	DATA	串行数据，单总线
3	NC	不使用
4	GND（—）	接地，电源负极

DATA 引脚连接到微控制器（树莓派），输入和输出都通过该引脚。我们将用 Adafruit Python 库 Adafruit_Python_DHT 与 DHT11 通信，取得温度和湿度数据。

2 . 树莓派

Raspberry Pi(中文名为“树莓派”,简写为RPi，(或者RasPi / RPI)，是为学习计算机编程教育而设计)，只有信用卡大小的微型电脑，其系统基于Linux。随着Windows 10 IoT的发布，我们也将可以用上运行Windows的树莓派。

本项目用到的是Raspberry Pi 3 Model B +（树莓派3B+），如图

树莓派3B+硬件情况：

博通BCM2837B0 SoC，集成四核ARM Cortex-A53（ARMv8）64位@ 1.4GHz CPU，集成博通 Videocore-IV GPU

内存：1GB LPDDR2 SDRAM

有线网络：千兆以太网（通过USB2.0通道，最大吞吐量 300Mbps）

无线网络:2.4GHz和5GHz 双频Wi-Fi，支持802.11b/g/n/ac

蓝牙：蓝牙4.2&低功耗蓝牙（BLE）

存储：Micro-SD

其他接口：HDMI，3.5mm模拟音频视频插孔，4x USB 2.0，以太网，摄像机串行接口（CSI），显示器串行接口（DSI），MicroSD卡座，40pin扩展双排插针

尺寸：82mmx 56mmx 19.5mm，50克

树莓派3b+两个重要的升级特性：更强的CPU性能以及更强的无线（WiFi/BT，支持5G频段的WiF以及支持BT 4.2&BLE）连接功能

树莓派3b+GPIO引脚图：

3. 安装配置软件

设置树莓派并准备编写Python

二. 系统设计

在树莓派上运行的代码将启动 Bottle Web 服务器，监听传入的连接。当你访问本地网络上的树莓派的 Internet 协议（IP）地址时， Bottle 服务器会提供包含天气数据图表的网页。树莓上的处理程序将与 DHT11 传感器通信，取得数据，并返回给客户程序，客户程序用 flot 库在浏览器中绘制传感器数据。我们还会为连接到树莓派的发光二极管（LED）提供基于 Web 的控制（这只是为了演示如何用树莓派通过 Web 来控制外部设备）。

系统功能模块图：

三 . 系统实现

1. 测试

使用 Adafruit 读取 DHT11 温湿度传感器

需要在电源和数据脚之间串联一个上拉电阻(4.7K-10K)，这里串联一个5.1k的电阻。

以树莓派3b+、DHT11为例：

DHT11和树莓派连接参考图：

DHT Pin	Signal	Pi Pin
1	3.3v	1
2	Data	11 (GPIO17)
3	not used	–
4	Ground	6 or 9

实物连接图：

Adafruit 提供了示例程序

运行下面的命令测试

cd Adafruit_Python_DHT

cd examples

python3 AdafruitDHT.py 11 17

进行测试,其中11代表DHT11型号，17代表GPIO硬件接口

打印结果：

循环打印温湿度

运行下面的命令测试

python3 test.py

测试结果：

每隔1s打印读取到的温湿度，向传感器哈暖气，温湿度升高。

输出结果：

Temp=22.0*C Humidity=73.0%

Temp=22.0*C Humidity=73.0%

Temp=23.0*C Humidity=73.0%

2. 实现过程

搭建硬件

除了前面提到的树莓派和外设之外，还需要以下各项和连接线：

DHT11传感器、5.1kΩ电阻、100Ω电阻、LED灯、面包板。

5.1kΩ电阻和100Ω电阻

器件连接示意图：

树莓派、DHT11电路和LED之间的连接示意图

DHT11 的 VDD 引脚连接到+ 5V（树莓派上的引脚＃2），DHT11 的 DATA 引脚连接到树莓派上的引脚＃16，DHT11 的 GND 引脚连接到树莓派上的 GND（引脚＃6）。DATA 和 VDD 之间连接一个 4.7kΩ 电阻。LED 的阴极（负极）通过 100Ω 电阻器连接到 GND，阳极（正极）连接到树莓派的引脚＃18。

连接实物图：

树莓派、DRT11和LCD与面包板连接

 

3. 编程实现

定义main函数

def main():

    print 'starting piweather...'

    # create parser

    parser = argparse.ArgumentParser(description="PiWeather...")

    # add expected arguments

    parser.add_argument('--ip', dest='ipAddr', required=True)

    parser.add_argument('--port', dest='portNum', required=True)

    # parse args

    args = parser.parse_args()

    # setup GPIO

    GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

    GPIO.setup(18, GPIO.OUT)

    GPIO.output(18, False)

    # start server

    run(host=args.ipAddr, port=args.portNum, debug=True)

4. 运行程序

将树莓派连接到DHT11和LCD电路后，利用SSH从计算机登录树莓派。

运行以下命令：

sudo python piweather.py –ip 192.168.4.236 –port 8080

打开浏览器，在浏览器的地址栏中输入树莓派的ip地址和端口：

http://192.168.4.236:8080/plot

运行结果：

在secureCRT上

在浏览器页面上，

如果点击图表中的任何数据点，点击的数据部分应该更新，显示有关该点的更多信息。在收集到 100 个点后，当新数据进入时，图形将开始水平滚动（单击 EnableLighting 复选框来打开和关闭 LED）。

对DHT11传感器处理，变化明显

四. 总结

项目构建了一个基于树莓派的环境监控系统，通过 Web 界面绘制温度和湿度数据。通过设置树莓派，使用树莓派的GPIO引脚与硬件通信（DHT11温湿度传感器、led灯），调用Python Web框架Bottle作为Web服务器，调用JavaScript库flot制作图表，来构建客户端-服务器一体的应用程序。

虽然本项目存在许多的不足，但是有巨大的发展潜力。在完成该项目后，我们将继续深入研究，不断的完善该系统。

参考文献

[1] Mahesh Venkitachalam. Python极客项目编程[M]. 人民邮电出版社，2017.