使用微信＋树莓派＋ Arduino＋服务器构建你的看门狗

使用微信＋树莓派＋ Arduino ＋服务器构建智能家庭小助手

前言

这是我去年的大创项目《一种基于微信的主动式家庭智能监测系统设计与实现》，因为时间关系，一直都没有好好的梳理一遍应该如何去复现它，最近时间较为充裕，我会较为仔细的描述清楚该项目的核心难点（其实并没有难点）。当初报这个项目是为了学习一些硬件的简单相关知识，再结合一下前年（ 17 年的项目要在 16 年年末申报）的社会热点问题，当时大家都比较热衷于“智能家庭”的概念。当时的小米“家庭智能”套件火的是一塌糊涂，甚至还出了贺岁版礼包（如果我没记错的话），再结合当时对自己的技术路线的一个定位，需要弥补一些关于硬件的知识，遂有了这个项目。

因为时间间隔的比较久远，不保证复现过程中 100%正确，如果你有跟着走，出现了问题请务必告知，我们一起完善！大部分都是Python和Arduino代码，建表 SQL 因为没法保证大家的物料跟我是一致的，而且大家也不一定会做的跟我完全一样，这块就保留了吧。当然，如果你喜欢论文严谨的格式，也可以到知网 down 下与本项目相关的渣作

物料准备

我将使用微信公众号、树莓派、Arduino 和一台乞丐版配置的云服务器构建一个智能家庭小助手，用于协助我们对室内环境有一个较好的把控。如果你什么都没有可以参考以下清单先行购买物料（所有的必须物料下来，勉强三百多一些？）：

1. 一块树莓派。版本随意，如果你资金比较充裕，可以购买最新型号的树莓派，毕竟最新的 3B 型号 wifi 模块信号更好，整体的处理速度更快。￥ 150~300
2. 一套 Arduino 开发套件。注意，是开发套件而不是 Arduino 这一块板子，我们需要开发套件中的其它元器件。￥ 150~300
3. 一台云服务器。如果你要用自己的电脑也可以，在校园网、小区、公司内记得先做内网穿透，不过一台乞丐版的服务器也没多少钱，能省很多事。￥ 0~10
4. 微信公众号 如果你之前没申请过的话，貌似开通审核得等两三天？￥ 0

信息配置

如果一切顺利，现在你的手上应该有一块树莓派、一套 Arduino 开发套件、一台云服务器、一个微信公众号。微信提供了一套公众号开发 SDK，可以使用它，虽然官方提供开发文档已经非常成熟了，但还是觉得不够简洁。在此推荐大家使用itchatmp。

微信公众号： 进入微信公众平台在左下角找到“开发”-“基本配置”，

在该页面中填写相关信息，

1. 服务器地址（ URL ）:填写 IP 地址。但必须是公网 IP 或者已经做了内网穿透的 IP 地址，也可解析好域名后填入对应域名。
2. 令牌（ Token ）:用于微信公众号和服务器进行双向交互时的验证。
3. 消息加解密密钥:随意。 所有内容都填写完毕后，别着急提交。进行下一步，

服务器

登录服务器后，先检查是否安装了 Python 环境（可直接上 Python3 ）。安装完成后，使用 pip 下载 itchatmp，

$ pip install itchatmp 

下载完成后，新建一个.py 文件（此处以 mp.py 为例），在文件中写下，

import itchatmp itchatmp.update_config(itchatmp.WechatConfig( # 填写上一步在微信公众号的配置内容 token='yourToken', appId = 'yourAppId', appSecret = 'yourAppSecret')) @itchatmp.msg_register(itchatmp.content.TEXT) def text_reply(msg): return msg['Content'] itchatmp.run() 

此时执行，（需要 root 权限）

$ python mp.py 

看到下边这句话后就可以去微信公众号点击确认啦~

itchatmp started! press Ctrl+C to exit. 

效果： 进入到对应的微信公众号中，你输入任何内容，它都会给你返回相同的内容。如果微信公众平台告诉你 Token 验证失效估计就是你的 IP 地址不对。

数据库

使用数据库是为了存储数据（完全可以使用 txt 文件来维护），在此为了简化手拼 SQL 易出错以及本项目并不需要进行多少性能优化的情况下，直接采用ORM （对象关系映射技术）。 P.S.我将采用sqlalchemy这个框架进行，在廖雪峰的博客上有较为细致的讲解，大家可以先自行研究一番到底是个什么东西。

这是定义好的硬件类，其实也就是硬件表，

# 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) 

新建一个 py 文件（以 test.py 为例），在其中写下，

from sqlalchemy import create_engine from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base from sqlalchemy import Column, String, Integer from sqlalchemy.orm import sessionmaker # '数据库类型+数据库驱动名称://用户名:口令 @机器地址:端口号 /数据库名' 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() 

到这一步为止，就完成了使用 ORM 进行 MySQL 数据库操作的铺垫。接下来，我们将进行数据库的增删改查方法的编写。

1. 增加一个元器件：

# 添加电子原件方法 # 原件 name 及针脚 num 需要配置 # 原件状态默认关闭 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() 

1. 修改一个元器件的状态：

# 执行 write 操作 def writeHardware(hardwarename, status, num): unit = readHardware(hardwarename) unit = session.query(Hardware).get(unit.id) if unit: unit.status = status if 'Unit' in hardwarename: unit.num = num; session.add(unit) session.commit() return '操作成功' return '操作失败，请联系管理员' 

1. 读取一个元器件的状态：

# 执行 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 

1. 稍微做了点封装的 update 方法：

# 电子原件执行 read 或 write 筛选方法 def updateStatusWithHardware(tableName, operatorStatus, hardwarename, status): if tableName == 'hardware': if operatorStatus == 1: return writeHardware(hardwarename, status, 0) else: return readHardware(hardwarename) 

现在我们完成了 test.py 的编写，主要完成了使用 ORM 技术编写了操作数据库的各种方法。接下来，我们要使用微信公众号对数据库进行修改。

上位机配置

在这个环节中，我们要做到用户发送“开灯”、“关灯”、“开风扇”、“温度”等消息给公众号后，能够在数据库中看到状态被修改并且反馈。

简单的来概括一下要做的工作：首先要让服务器接收到公众号发送而来的消息；其次要对发送者进行筛选，不能谁都可以操作这套系统；接着匹配消息，执行不同的方法；最后给公众号反馈回消息。

服务器接收公众号发送的消息我们已经在第一步中完成了，现在要对接收到的消息体进行解析，根据 userID 来筛选谁能对这套系统进行操作。我的做法非常简单，用一个"pjhubs.txt"文件保存了能够操作这套系统的用户 ID。每次接收到消息时，都先从消息体中取出 fromUserName 字段数据与 txt 文件中的数据进行比对，如果在 txt 文件中才允许接着进行操作。

import itchatmp import test # 配置微信公众号信息 itchatmp.update_config(itchatmp.WechatConfig( token='你的 token', appId = '你的 appId', appSecret = '你的 appSecret')) # 接收用户消息 @itchatmp.msg_register(itchatmp.content.TEXT) def text_reply(msg): toUserName = msg['FromUserName'] cOntent= msg['Content'] isCOntain= 0 # pjhubs.txt 为有权限的用户列表 f = open("pjhubs.txt","r") lines = f.readlines() for line in lines: if line[:-1] == toUserName: isCOntain= 1; if isCOntain== 0: return '该系统并未对您开放，请联系 PJ 进行配置' else: if cOntent== '添加': # test.addNewUnit('tempUnit', 1, 2) return '操作成功!' elif cOntent== '开灯': return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'redLED', 1) elif cOntent== '关灯': return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'redLED', 0) elif cOntent== '温度': unit = test.updateStatusWithHardware('hardware', 0, 'tempUnit', 1) returnString = '当前温度为：' + str(unit.num) + '°' return returnString eif cOntent== '开风扇': return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'tempUnit', 1) elif cOntent== '关风扇': return test.updateStatusWithHardware('hardware', 1, 'tempUnit', 0) # 新用户关注公众号时 @itchatmp.msg_register(itchatmp.content.EVENT) def user_management(event): if(event['Event']=='subscribe'): return u'欢迎来到 PJHubs，如果你想试用室内环境智能监测系统，请联系 PJ' itchatmp.run() 

执行，

$ python mp.py 

在微信公众号中发送“开灯”、“关灯”、“开风扇”、“温度”等指令都会对数据库进行操作。此时可以 select 对应表查看数据是否一致再进行下一步。

API 编写

这是知乎上一些关于 API 的内容讲解。我们在此使用Flask轻量级的 web 框架进行 API 编写。主要是给树莓派操作数据库使用的。 通过 pip 安装好 flask 后，我们可以先尝试写一个最简单的 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 test app = Flask(__name__) api = Api(app) @app.route('/') def index(): return 'Get out!' if __name__ == '__main__': app.run(host='0.0.0.0',debug=True) 

此时我们去浏览器中输入 ip 地址或域名，即可看到“ Get out!”这句话。现在我们要接着编写几个资源访问路径以便树莓派访问。

# 获取所有硬件信息（求快可以这么写） @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'}) 

我们只需要起两个 API 服务即可满足要求。此时我们可以根据写好的 API 访问规则到浏览器中验证一番。

下位机配置树莓派

树莓派是整套系统的灵魂所在，对上承载着数据库的更新，对下负担着 Arduino 的操作。当然，如果不考虑性能你可以直接用 Arduino 的 wifi 模组，直接对 API 发起请求。

树莓派首先要去在固定时间间隔内轮询特定 API，根据 API 反馈回来的数据对固定串口发送特定字符，接收 Arduino 传递上来的数据，拼接 API 更新数据库。

serial 是对树莓派上的串口进行操作库，urllib2 是网络请求库，json 是解析和发送 JSON 格式库。

import serial import urllib2 import json hostname = 'http://你的地址 /dachuang/api/v1/allHardware' # /dev/ttyACM0 是树莓派上编号为 0 的 USB 口（可以在 /dev 目录下通过观察拔插对应的 USB 口找到对应的编号） 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 result send = '' # 通过 json 库解析完后的数据就是字典 if result[0]['status'] == 1: send += 'a' else: send += 'A' if result[1]['status'] == 1: send += 'b' else: send += 'B' # 从下位机 Arduino 上读取到的数据拼接 URL 发送回服务器，更新数据库 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) 

我在此重新定义了一套操作流程， a -> “开灯” A -> “关灯” b -> “开风扇” B -> “关风扇” 因为受到 Arduino 本身性能的影响，如果你还给它发一长串的字符串比如“ open light ”等，那估计单单就解析并匹配，分时操作已经过了。。因此我才想重新定义一套 ASCII 码关系映射，并且限制树莓派每次轮询的时间为 4 秒一次，可根据用户所搭建的下位机硬件系统复杂适度增减轮询时间。

下位机配置 Arduino

Arduino 要做的事情只有接收串口数据，解析串口数据，根据数据分别操作不同的硬件。Arduino 用 C 写的，定义了一套规则，用起来非常顺手亲切。

#define yellowLED 13 #define REDled 12 #define Buzzer 8 #define fanPin 2 void setup() { Serial.begin(9600); // 9600 bps pinMode(yellowLED, OUTPUT); pinMode(Buzzer,OUTPUT); pinMode(REDled,OUTPUT); pinMode(fanPin,OUTPUT); } void loop() { //读取 A0 口的电压值，温度传感器所在串口 int n = analogRead(A0); //使用浮点数存储温度数据，温度数据由电>压值换算得到 float vol = n * (5.0 / 1023.0*100); if ( Serial.available() ) { // 向串口写入温度 Serial.println(vol); // 读取树莓派写入串口的数据 int res = Serial.read(); // 根据 ASCII 码执行不同硬件操作函数 if (res == 97) { digitalWrite(yellowLED, HIGH); } if (res == 65){ digitalWrite(yellowLED, LOW); } if (res == 98) { digitalWrite(fanPin, HIGH); } if (res == 66) { digitalWrite(fanPin, LOW); } } // 超过 30°后开启高温预警，蜂鸣器奏响和风扇打开 if (vol > 30) { buzzerBegin(); } } // 蜂鸣器响铃 void buzzerBegin() { digitalWrite(fanPin, HIGH); digitalWrite(REDled, HIGH); //频率从 200HZ 增加到 800HZ，模拟警报声 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); } 

上下位机联调

至此我们完成了全部的基础工作，在联调的过程中，当初我也发生了非常多的问题，这无法避免，稍不注意电路连错了以后就全盘皆输了，在此我只能祝大家好运，Arduino 连接各个元器件的方式并没有展开，因为我相信大家的电路设计一定比我强！

在联调的过程中，你需要做的是，

1. 运行 restful.py ，把整套 API 服务跑起来；
2. 运行 mp.py ，让公众号和服务器打通;
3. Arduino 通过 USB 与树莓派相连后，树莓派再通电；
4. 在公众号上发送指令，观察 Arduino 上元器件状态变化。

结果：

github 地址：https://github.com/windstormeye/watchDog