使用树莓派打造家庭监控系统

原文：Monitor Your Home With the Raspberry Pi B+
作者：M. Schwartz
译者：安翔
审校：苏宓

简介

市场上有许多设备提供从中央界面监控家庭环境的功能。在本文中，我们将自己 DIY 一套这样的监控设备。要做到这一点，我们将使用 B +型号的树莓派开发板和官方的树莓派相机模块。此外，我们还将使用温湿度传感器进行一些测量工作。

在文章末尾，你将能够构建一个界面，访问摄像机和传感器录像。我们还将展示如何从世界任何地方接入这个界面。让我们开始动手吧！

软硬件需求

开始项目之前，你需要的第一个东西就是树莓派 B +开发板。它具有很强大的功能（如4个USB端口），当然你也可以使用较旧版本的树莓派。

您将需要使用官方的 Raspberry Pi 相机模块来拍摄照片。还将使用 DHT11（或DHT22）传感器来测量家中的温度和湿度。

由于我们将远程访问 Rapsberry Pi，因此你将需要一个USB接口的无线网卡。

你还需要安装 Adafruit cobbler 工具包，面包板和一些跳线。你需要这些东西来实现Raspberry Pi、相机和传感器之间的连接。

以下是此项目所需组件的列表：

Raspberry Pi B +开发板（配套 microSD卡，microUSB 电缆和 HDMI 电缆）
Raspberry Pi 相机模块
具有4.7k欧姆电阻的 DHT11 传感器
USB 无线网卡
Adafruit Cobbler工具包
跳线
面包板

检查你的 Raspberry Pi 上是否安装了 Linux 发行版。这是为了确保你有一个完整功能的Pi。该项目中，我使用的是 Raspbian 操作系统。

如果你还没有完成操作系统的安装，可以参考此文：http://www.raspberrypi.org/help/quick-start-guide/。

将 Raspberry P i连接到本地 WiFi 网络，并为 BCM2835 芯片安装驱动程序，以读取DHT11 传感器的数据。

你可以按照以下说明下载并安装这些驱动程序：
http://www.raspberry-projects.com/pi/programming-in-c/c-libraries/bcm2835-by-mike-mccauley。

整个项目都是基于Node.js. 它将作为一个服务器，从中我们可以访问我们的Raspberry Pi 的所有功能。

首先你需要在 Pi 上安装 Node.js。需要注意的是，你不能使用apt-get 工具安装 Node 包模块，因为你可能会安装一个旧的版本。要安装最新版本的Node.js，请遵循以下指导：
http://revryl.com/2014/01/04/nodejs-raspberry-pi/

你还需要安装 BCM2835 芯片的驱动程序。可以通过访问此页面下载并安装这些驱动程序：
http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/

之后，在 GitHub 上下载此项目的文件：
https://github.com/openhomeautomation/rpi-web-control

我们需要安装一些软件包，然后通过 rapsberrypi.local 访问本地 WiFi 网络上的Raspberry Pi。我们这样做之后就不需要通过其 IP 地址访问 Pi。

此后，你可以通过 SSH 登录 Raspberry Pi，或直接访问 Pi，然后键入以下命令：

sudo apt install avahi-daemon netatalk

硬件配置

如果你按照上述步骤进行操作，应该可以很轻松完成树莓派的配置。现在我们来添加其他的组件。

首先，我们将连接相机。按照 Raspberry Pi 网站上的说明进行安装。

以下是我使用的相机的图片。旁边是我的 Raspberry Pi：

请注意，我为我的 Raspberry Pi 使用了一个塑料盒。塑料盒在这个项目中并不是必需的。

接下来，我们将通过 Cobbler 套件将 DHT11 传感器连接到 Raspberry Pi 上。组装完成套件后，将其连接到 Raspberry Pi GPIO 接口。通过 PCB 适配器将电缆的另一面连接到面包板。

对于 DHT11 传感器，其引脚分布如下：

将 VCC 引脚连接到 Raspberry Pi 3.3V 引脚，GND 连接 GND，将 DATA 连接到 GPIO 连接器上的4号引脚。最后，在 VCC 和 DATA 引脚之间连接 4.7K 欧姆电阻。下图显示了传感器的最终连接效果：

测试传感器和摄像头

我们现在要依次测试传感器和摄像头。

因为我们要构建一个基于 Node.JS 的应用程序，所以我们将使用 Node 连接 DHT11 传感器。为此，我们将使用已经存在的专用 Node 模块。
你将在项目代码中找到名为 sensors_test 的文件夹下的所有内容。以下是本部分的完整代码：

var sensorLib = require('node-dht-sensor');var dht_sensor = {initialize: function () {return sensorLib.initialize(11, 4);},read: function () {var readout = sensorLib.read();console.log('Temperature: ' + readout.temperature.toFixed(2) + 'C, ' +'humidity: ' + readout.humidity.toFixed(2) + '%');setTimeout(function () {dht_sensor.read();}, 2000);}
};if (dht_sensor.initialize()) {dht_sensor.read();
} else {console.warn('Failed to initialize sensor');
}

以上代码中，首先导入 DHT 传感器所需的模块。然后，每2000ms，我们从传感器读取数据，并使用console.log() 将数据显示在终端。该部分的代码在项目的 GitHub 仓库地址如下：
https://github.com/openhomeautomation/rpi-web-control

现在开始测试代码。从 GitHub 下载代码后，转到 sensors_test 文件夹，然后键入如下命令：

sudo npm install node-dht-sensor

以上命令的运行需要一段时间，请耐心等待。执行完成后，键入以下命令：

sudo node sensors_test.js

执行命令后应该能够看到在终端中打印的温度和湿度的值：

Temperature: 21.00C, humidity: 35.00%

摄像头的测试方法也非常简单。只需转到终端键入以下命令即可：

raspistill -o cam.jpg

然后，转到执行此命令的文件夹，你应该可以看到一张名为 cam.jpg 的照片。

通过 WiFi 监控你的家

我们现在要编写一个基于 Node.js 的应用程序来远程跟踪传感器和摄像头的数据。代码大致由三部分组成：

（1）Javascript 中的服务器代码
（2）包含接口的 HTML 页面
（3）连接以上两者的客户端 Javascript 文件

我们先看看服务器端的 Javascript 代码。它首先包括所需的 Node 模块：

（1）node-dht-sensor 模块来处理DHT传感器
（2）快速处理 HTTP 通信，如Web服务器

代码如下：

var sensorLib = require('node-dht-sensor');
var express = require('express');
var app = express();

我们还包括视图和公共目录。views 目录是我们将存储接口的地方，而公共目录是我们将把 JavaScript 代码和记录的图片放在一起的地方：

app.set('views', __dirname + '/views')
app.set('view engine', 'jade')
app.use(express.static(__dirname + '/public'))

我们将为接口创建路径，以便访问我们的项目：

app.get('/interface', function(req, res){res.render('interface');
});

我们将包括 aREST API 的 Raspberry Pi 版本（http://arest.io/），以便我们通过 HTTP 控制 Raspberry Pi：

var piREST = require('pi-arest')(app);

此外，我们还给树莓派设置一个 ID 和名字：

piREST.set_id('1');
piREST.set_name('my_RPi');

最后，我们调用app.listen() 数来启动我们的应用程序：

var server = app.listen(3000, function() {console.log('Listening on port %d', server.address().port);
});

界面本身是用 Jade（http://jade-lang.com/）编写的。这将给我们一个 HTML 格式的结果。该文件存储在应用程序的视图目录中。我们添加一些标题，一些容器用于传感器测量，以及一个字段用来存储摄像头记录的图片：

doctype
htmlheadtitle Raspberry Pi Interfacescript(src="/js/jquery-2.0.3.min.js")script(src="/js/interface.js")link(rel='stylesheet', href='/css/style.css')bodyheaderdiv.mainContainerh1 Raspberry Pi Interfaceh2 Sensor Readingsp Temperature: span#temperature 0span  Cp Humidity: span#humidity 0span  %h2 Cameraimg#camera(src='')

正如你在代码中看到的那样，我们将在 Jade 模板中包含一个 Javascript 文件和一个jQuery。脚本文件将每2000ms调用 Raspberry Pi 的 aREST API 来刷新 DHT11 传感器的测量结果：

setInterval(function() {// Update temperature$.get("/temperature", function(data) {$("#temperature").html(data.temperature);});// Update humidity$.get("/humidity", function(data) {$("#humidity").html(data.humidity);});}, 2000);

摄像头每10秒钟拍摄一次照片：

setInterval(function() {// Take picture$.get("/camera/snapshot");}, 10000);

界面内的图片每秒刷新一次：

setInterval(function() {// Reload pictured = new Date();$("#camera").attr("src","pictures/image.jpg?" + d.getTime());}, 1000);

接下来测试界面，转到 pi_node 文件夹并键入如下命令：

sudo npm install node-dht-sensor express pi-arest

稍等一会，继续输入命令：

sudo node pi_node.js

最后，使用任意你最喜爱的浏览器并输入以下地址：

http://raspberrypi.local:3000/interface

如果是在树莓派上，仅仅需要输入以下地址即可：

http://localhost:3000/interface

不出意外，你应该可以看到项目的界面显示如下：

耐心等待传感器测量数据和图片出现在显示屏上。请记住，传感器测量会延迟2秒，图像则延迟10秒。

另外请注意，相机模块的 Node.js 模块并不完美。在我的系统中，照片的拍摄和最终显示之间有一段延迟。

不过总体来说是成功的，你现在可以远程访问 Raspberry Pi 的传感器数据和摄像头了！

从任何地方访问你的树莓派

现在，我们看到了如何在家庭环境中使用电脑或手机访问这个界面。
这已经很不错了，但如果能够从世界任何地方访问该项目，检查摄像模块拍摄的图片，将会更酷。这其实很简单，接下来我将会告诉你如何实现。

我们将使用一个简单的工具 Ngrok 来实现。这个工具会在你的 Raspberry Pi 和远程服务器之间建立一个通道，因此你可以随时随地访问界面。第一步是下载 Ngrok：
https://ngrok.com/

将文件放在一个文件夹中，并通过 Raspberry Pi 上的终端访问此文件夹。然后键入以下命令：

./ngrok 3000

这将打开 Raspberry Pi 和 Ngrok 服务器之间的连接，确认消息如下所示：

你现在可以尝试一下，并在浏览器中输入网址。你应该可以看到与上一节中相同的界面，这意味着你可以从世界任何地方控制你的系统！

最后一句话：小心这一点。现在任何人都可以使用正确的 URL 访问此界面，现在它只是连接到一个实际上没有连接到任何东西的继电器，但是如果你的整个报警系统已经连接到了 Raspberry Pi，这样任意访问肯定是有风险的！在这种情况下，你最好在服务器上设置一个健壮的登录/密码系统，以便只有你自己可以访问它。

总结

我们构建了一个基于 Node.js 的应用程序来自动访问来自传感器的测量数据。我们还使用一个 Node.js 模块访问 Raspberry Pi 的摄像头模块。最后，我们将所有内容显示在一个漂亮的网页界面上，并且我们还展示了如何使用 Ngrok 从世界任何地方访问我们的项目。

你可以通过在项目中包含更多的传感器来进一步扩展该项目。例如，您可以添加光照强度传感器和运动传感器，在 Node.js 应用程序中显示这些传感器的状态非常容易。