写一个树莓派管理系统

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1. 前言

我有一个树莓派和 oled IIC接口 128x64的屏幕，另外我买了树莓派的排线的摄像头。我总想在oled屏幕上显示些什么，一般也就显示一下系统信息，显示一些动画，感觉没什么意思(也不怎么实用)，所以我花时间做了一个可以控制树莓派的系统。也花时间用sketchup画了一个简单的外壳模型。

排线屏幕接口我采用插拔的杜邦线接头，这样方便换屏幕，接线地方简单用电烙铁焊接一下然后用热缩管包裹起来。

2. 外壳模型

我有9层外壳，去掉最上面的，用新画的这个就行，四个立柱是固定oled屏幕的，圆洞是风扇的，方框是摄像头的，至于螺丝孔位我没有留，因为我总觉得3d打印的孔位不结实，不如后期我自己用小电转转几个洞，然后固定上螺丝。

弄好了就可以切片了，然后用我廉价的3D打印机打印出模型。 模型看起来很简单，但是画的时候也花了很长时间，每个地方尺寸我都是用游标卡尺测量的，但是打印机精度比较低，后期我用打磨工具（小电转）打磨了一下，还可以。 洞的大小总是打印小，可能是我没有增加水平扩展的缘故吧。

最终效果：

看起来不咋好看，但是还算稳定。

3.手机设置

手机使用软件"蓝牙串口"软件控制：

4.系统的设计

我想实现一个用手机控制树莓派上的一些服务的系统，并且可以实现自定义命令，系统中的每一个选项由json 配置文件决定，这样可以易于拓展功能。开始时我通过网络控制树莓派，树莓派上建立socket服务，手机上发送http请求，但是这种操作很傻，因为你不能保证树莓派到一个环境中肯定是连接到网络上的，如果网络断了就不能控制树莓派了。后来我改成了通过蓝牙串口 rfcomm 协议控制。

oled屏幕驱动我使用的是Adafruit-SSD1306，这个驱动渲染使用的图像对象是一个PIL库的Image对象 ， 如果需要拓展系统上功能，可以修改 json文件，并添加子任务来实现，而不需要在做Image上的处理。

command文件夹中存放子任务模块：扫描wifi二维码，显示系统信息，显示动画。

createJson.py：

import json
data = [
    {
     "text":"设置","function":"test","child":
            [
                {
     "text":"wifi设置","function":"JscanQRcode"},
                {
     "text":"service设置","function":"test"},
                {
     "text":"其它设置","function":"test"},
            ]
    },
    {
     "text":"显示动画(Bad Apple)","function":"JtestMovie"},
    {
     "text":"显示系统信息","function":"JdisplayInfo"},
    {
     "text":"重启系统","function":"Jrestart"},
    {
     "text":"设置5","function":"test"},
    {
     "text":"设置6","function":"test"},
    {
     "text":"设置7","function":"test"},
    {
     "text":"设置8","function":"test"},
    {
     "text":"设置9","function":"test"},
    {
     "text":"设置10","function":"test"},
    {
     "text":"设置11","function":"test"},
    {
     "text":"其它设置","function":"test"},

]
with open("config.json",'w') as f:
    f.write(json.dumps(data))

4.1 监听通信线程

开始时，监听蓝牙发送指令与收到指令处理分别独立于两个线程，只能分别采用轮询的方式，后来我发现这样对于cpu占用过高，为了考虑资源占用问题和指令的实时性问题，我将指令处理控制放到蓝牙监听循环中，这样在没有收到指令的时候，就会阻塞住，而收到指令的时候会立刻对指令进行处理。减少资源占用，并且提高了指令的实时性。

server_sock=bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.RFCOMM)
server_sock.bind(("",1))
server_sock.listen(1)
while True:
    client_sock,address = server_sock.accept()
    while True:
        try:
            control = client_sock.recv(1024).decode()
            判断control, 我定义了5种，分别为 上，下，确认，返回，息屏，5个指令
            ....
        except Exception as e:
            print(e)
            client_sock.close()
            break

这里使用两个while 嵌套是因为，rfcomm协议需要一直连接才能通信，每次传输完指令后不会断开连接，这样读取每次的指令都会再第二层循环中， 而如果没有连接的时候就会阻塞在server_sock.accept() ，在连接过程中，断开连接会抛出异常，抛出异常就会执行到 break 从而跳出第二层循环，执行到server_sock.accept()阻塞住，重新等待新的连接到达。

这里我设计了一个息屏指令，因为我发现之前一直显示系统信息导致有一些烧屏效果，屏幕在全亮的时候有一些字暗痕，所以最好不要让屏幕一直亮着。

4.2 主线程与子任务线程

子任务与主线程不能在同一线程中，否则必然会阻塞到子任务中，从而不能获得下一条指令（也就是不知道什么时候退出），所以子任务的执行需要独立于主线程之外，用另一个线程去执行。独立出主线程外就可以接受到什么时候返回了。

另外就是主线程接受到返回指令后如何通知子线程退出，这里我采用通过文件的方式来传递的消息，当子任务开始运行前，在项目目录中写入一个文件is_running 其中值为1，表示子任务正在运行，然后在子任务循环中判断内容是否为0，如果为0立刻退出，而如果主线程收到返回指令后立刻修改 is_running 中值为0，这样就可以通知子任务结束了。

这里也会产生一个问题，当主线程向is_running中写入值为0执行完毕后，子线程未必立刻退出，而这个时候子线程与主线程可能在同时显示图像（在子任务中有时也可能调用oled屏幕显示一些内容，例如显示动画，显示系统信息），此时会照成冲突，导致oled屏幕不稳定，会出现亮屏，闪屏的现象。所以要保证同一时间，只能有一个线程向oled屏幕中显示图像。加锁是一种解决办法，不过我采用的是一种判定当前线程数量来判断子线程是否真的结束len(threading.enumerate()) > 1 ，如果线程数量大于1，说明子线程正在运行。

while len(threading.enumerate()) > 1:
    pass

采用这种方式进行阻塞，从而防止多个线程对oled屏幕显示图像，导致oled屏幕不稳定。

5.扫描WIFI二维码功能

小米手机可以分享wifi （以二维码的方式），二维码包含 wifi 信息 ssid， password，以及使用的加密协议。通过这些信息就可以树莓派连接wifi了。 opencv库中有识别二维码的类cv2.QRCodeDetector() ，但是这个功能需要opencv4.0及以后的版本，树莓派执行使用 pip3 安装opencv4.0 及以后肯定会失败的，因为 在 build_wheel 的时候占用大量内存，还要各种原因，无奈，我只能下载opencv源码手动进行的编译。 编译成功后就可以调用这个类了。

这里我想用 oled 屏幕显示摄像头的内容，这种默认肯定是显示不了的，因为oled屏幕只能显示黑白两种状态，也就是图像经过二值化处理后的信息。大致能看清手机轮廓信息，这些也就够了。

二维码扫描成功解析获得的字符串信息，然后将其写入/etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf 配置文件，然后重启树莓派系统。这样重启后的树莓派系统就可以连接到wifi了。（这个系统软件肯定是需要root权限运行的，否则就修改不了配置文件）

6.动画

动画的实现是多个图片切换形成的。

6.1启动动画

只有一张图片，不够炫酷，用opencv掩模的方法将其做成动画。

createStartPic.py

import os
import cv2
import numpy as np
width = 128
height = 64

img = cv2.imread("result.png")
mask = np.zeros((height,width,3),np.uint8)
backImg = np.zeros((height,width,3),np.uint8)
for x in range(width):
    for y in range(height):
        if y % 2 and x % 2:
            backImg[y,x,:] = 255

for i in range(100):
    temp_mask = mask.copy()
    cv2.circle(temp_mask,(width//2-1,height//2),i,(255,255,255),-1)
    temp_mask = cv2.cvtColor(temp_mask,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    temp_mask = cv2.threshold(temp_mask,150,255,cv2.THRESH_BINARY)[1]
    inv_mask = 255 - temp_mask

    result = cv2.bitwise_and(img,img,mask=temp_mask)
    backImgTemp = cv2.bitwise_and(backImg,backImg,mask=inv_mask)
    # cv2.imwrite(f"startPic2/{i}.jpg",backImgTemp+result)
    cv2.imshow("title",backImgTemp+result)
    cv2.waitKey(10)

然后将每一帧保持一个图片，使用的时候直接调PIL库读取每一帧图像。当然也可以直接用 opencv临时绘制，但是我觉得浪费性能，所以还是将其每一帧保存成图片了。

6.2过渡动画

过渡动画参考开机动画的代码，也就是将上一个状态的图片当做背景，新的图片为最终要展示的图片：

代码可以精确的控制每一帧的延时，过渡动画的快慢都可以进行精细的调节。

但是我感觉浪费些性能，所以过渡动画功能目前没有加到代码中。

7 调试方面

我电脑是win7，在调试写这个控制系统的时候调试起来非常麻烦，每次修改完需要上传到树莓派，才能看到显示的效果。后来我想到，驱动库调用就是PIL图像对象。那么我可以将其转换为 opencv的图像对象（numpy数组），然后进行显示，这也是我文章中上面几个截图中的显示。而要做到不进行任何修改就可以上传，这里调用的Adafruit_SSD1306驱动库，所以我在项目目录中直接建立一个名为 Adafruit_SSD1306 的模块，里面调用opencv将图像用一个子线程显示出来：

import cv2
import numpy as np
from PIL import Image
from threading import Thread

class SSD1306_128_64:
    def __init__(self,rst):
        self.img = Image.new('1', (128,64))
        Thread(target=self.display_thread).start()

    def begin(self):
        pass

    def clear(self):
        self.img = Image.new('1', (128,64))
        
    def display_thread(self):
        while True:
            img = np.asarray(self.img,dtype="uint8")
            img[img==1] = 255
            cv2.imshow("title",img)
            cv2.waitKey(10)

    def display(self):
        pass

    def image(self,image):
        self.img = image

上传的时候，不上传 Adafruit_SSD1306.py 文件即可。 当然这里只能作为调试oled屏幕显示方面，不能作为具体任务执行时调试，因为windows没有对应的命令，并且子任务线程判定也会进行干扰。

8.将其配置成服务

新建文件： /etc/systemd/system/rfcomm.service：

Description=RFCOMM service
After=bluetooth.service
Requires=bluetooth.service
 
[Service]
ExecStart=/usr/bin/python3 /root/raspi/main.py
 
[Install]
WantedBy=multi-user.target

增加到开机自启中：

systemctl enable rfcomm

关闭开机自启：

systemctl disable rfcomm

管理服务：

service rfcomm stop #停止
service rfcomm start #启动
service rfcomm restart #重启

9.使用

依赖：

Adafruit_SSD1306
opencv 4.1.0 (手动编译)

可参考我的几篇文章：

树莓派编译opencv4

树莓派蓝牙rfcomm协议通信

上传树莓派不需上传项目目录下 Adafruit_SSD1306.py。

10.其它

为了写这篇文章我用到了一个gif转换生成的工具，我发现生成的gif带有水印，需要充值才可以去水印，简单研究了一下，我猜测水印是png叠加的，所以用正则表达式匹配png文件头和尾，得到了水印图片，然后将其修改成完全透明，然后将修改完的完全透明图像替换到exe中，改完png图像比原始图像要小，所以我进行了补0操作，然后二进制替换就实现了去水印的效果。毕竟gif工具只是临时使用，就只是为了展示一下效果代码效果（我买过这个公司的软件终身会员（不过听说也是github开源项目改的，很不良心））。建议以后软件水印在软件代码逻辑中进行生成，这样尽量防止被破解。

另外，破解和反破解相互促进发展。