# 使用微信＋树莓派＋Arduino＋服务器构建智能家庭小助手 > 原文：https://pjhubs.com/2017/12/31/%E4%BD%BF%E7%94%A8%E5%BE%AE%E4%BF%A1%EF%BC%8B%E6%A0%91%E8%8E%93%E6%B4%BE%EF%BC%8BArduino%EF%BC%8B%E6%9C%8D%E5%8A%A1%E5%99%A8%E6%9E%84%E5%BB%BA%E6%99%BA%E8%83%BD%E5%AE%B6%E5%BA%AD%E5%B0%8F%E5%8A%A9%E6%89%8B/ > > 作者：PJHubs · 发布于 2017-12-31 · 标签：技术、树莓派、Arduino、Linux、Python、微信 这次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 --- 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。 ### 微信公众号 -> 服务器 在此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](https://github.com/littlecodersh/itchatmp)。 **微信公众号**： 进入[微信公众平台](https://mp.weixin.qq.com/)在左下角找到“开发”-“基本配置”，
在该页面中填写相关信息，
**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。 **令牌（Token）：**用于微信公众号和服务器进行双向交互时的验证。 **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， ```shell $ 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， ```python 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） ```shell $ 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~ ```shell 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（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）](https://www.cnblogs.com/wgbs25673578/p/5140482.html)。 PS：我们将采用sqlalchemy这个框架进行，在[廖雪峰的博客](https://www.liaoxuefeng.com/wiki/0014316089557264a6b348958f449949df42a6d3a2e542c000/0014320114981139589ac5f02944601ae22834e9c521415000)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， ```python # 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， ```python 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： ```python # 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() ``` 2. 修改一个元器件的状态： ```python # 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' ``` 3. 读取一个元器件的状态： ```python # 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 ``` 4. 稍微做了点封装的update方法： ```python # 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。 ### 微信公众号 -> 数据库 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。 ```python 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 elif 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， ```shell $ 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 这是知乎上一些[关于API的内容讲解](https://www.zhihu.com/question/38594466)。我们在此使用[Flask](http://docs.jinkan.org/docs/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： ```python 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。 ```python # 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。 ### 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。 ```python 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。 ### 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。 ```c #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); } ``` ### 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：**