使用树莓派制作的远程开门器【转】

sky-Hawk where

本帖最后由 xinxincaijq 于 2012-12-27 17:06 编辑

转自博客园关河的博客：http://www.cnblogs.com/guanhe/archive/2012/12/25/2832982.html

背景：
话说自从我厂的商务部门搬到旁边的商务楼之后，工程师发现漂亮的前台MM也搬走了，某区只留下冷冷清清的鱼缸。然后，工程师们发现开门成了个问题。鉴于进门需要刷卡，所以没有带卡的工程师就不得不摁下门铃，等待其他人从座位上起身为自己开门。经历过多次不得不让别人来开门以及不得不为别人开门之后，终于有工程师不能忍受了（我就是其中一个），于是，决定自己动手解决问题。要知道，地球上没有能难住工程师的问题！

研究与选择方案：
我厂的电子门锁的开门设备是通过一个带弹簧的开关（门内，类似墙面上开灯的开关）控制的，按下开关就能打开门，按下开关的时候能够听到明显的继电器闭合的声音，因此，趁着没人的时候我把开关拆开看了一下，证实的确是通过触电控制的一个继电器。按下开关时，两个金属触电接触，继电器动作，门打开。继电器在动作后延时4秒左右恢复。这样看来，硬件层面的开门实现就非常简单了：跨接一个数字继电器，要开门时，通过电平信号控制继电器闭合并保持2秒即可。

但要实现远程控制，必须设置一台可以通过TCP或是HTTP协议接受用户命令，并能控制开门硬件（继电器）的设备。最初考虑过Arduino，作为一个开源的硬件平台，Arduino的电平输出非常易于控制和操作。而且Arduino也有RJ45或是无线的接口模块。不过在查看了Arduino的无线模块的操作方式之后，我发现要让Arduino接入一个WPA加密的无线网络并实现一个web server并不容易。所以最终还是选择了树莓派（Raspberry PI），虽然RPI的硬件成本更高一点。
RPI与Arduino的设计目标不同，它主要是一个超小的PC主机。幸好RPI本身提供了若干个GPIO的输出口（3.3V），用来操作数字继电器倒是没有问题。

RPI的GPIO引脚的定义：[url=]http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals#General_Purpose_Input.2FOutput_.28GPIO.29[/url]
引脚的输出规格：[url=]http://elinux.org/RPi_BCM2835_GPIOs[/url]
RPI的GPIO教程：[url=]http://log.liminastudio.com/writing/tutorials/tutorial-how-to-use-your-raspberry-pi-like-an-arduino[/url]

请特别注意：由于GPIO的引脚是没有保护电路的，不当的硬件连接很可能会导致整块RPI板子烧掉，连接和操作时务必慎重。在确定方案时，我个人使用了面包板，电阻和二极管等电子元件搭建实验电路，并反复用万用表验证过输出电压和电流（主要是对RPI的每个脚的输出不确定）。

操作步骤在RPI上安装操作系统
拿到RPI后，首先要在RPI上安装操作系统。这里有份文档：[url=]http://log.liminastudio.com/writing/tutorials/getting-started-with-the-raspberry-pi[/url]，安装完操作系统后，确保重新启动成功（RPI的视频输出口是HDMI接口，可以直接连接在支持HDMI的显示器或是电视上，或者可以通过HDMI转VGA/DVI的连接线连接到支持VGA/DVI的显示器上。注意：无源的HDMI转VGA的线可能会损坏RPI板）。

配置网络
RPI本身的网络支持已经比较完善，通过有线方式接入的话，只要直接插入网线就可。考虑到无线方式部署比较方便，我采用的是无线连接的方式。
RPI仅对部分网卡支持较好，利用RPI的官网上的无线网卡兼容信息，最终选择了一款相对便宜且能得到较好支持的网卡：TP-LINK TL-WN823N，该网卡可以从amazon.cn购买，购买地址见本文最后的列表。
插入网卡后，修改网卡的配置信息：

sudo vi /etc/network/interfaces

复制代码

修改其中与wlan0相关的部分：

auto lo
iface lo inet loopback
iface eth0 inet dhcp
allow-hotplug wlan0
iface wlan0 inet static
wpa-ssid 你要连接的wifi ssid
wpa-psk 你的wpa连接密码
address 192.168.0.20 # 设定的静态IP地址
netmask 255.255.255.0 # 网络掩码
gateway 192.168.0.1 # 网关
network 192.168.0.0 # 网络地址
#wpa-roam /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
iface default inet dhcp

复制代码

这里我选择了使用静态地址，原因是我们不希望开门的服务器地址老是变来边去。设置好网络并确认能够正常工作后，就可以着手进行下一个步骤了。

连接硬件
下图是具体的连接方式，注意连在RPI上的三条线，白色（电源）、黑色（GND）、灰色（信号）分别连接在RPI GPIO的2号、6号与7号针脚上。

编写代码
RPI的操作系统缺省已经有一个Python的安装了。因此，我们可以使用Python来设置Web Server并控制开门的硬件设备。我选择了web.py作为Web server的开发基础，加上GPIO的python库来完成工作。

Web.py的下载、安装与教程：[url=]http://webpy.org/[/url]
RPI GPIO的python库安装和使用：[url=]http://log.liminastudio.com/writing/tutorials/tutorial-how-to-use-your-raspberry-pi-like-an-arduino[/url]

接下来就是在RPI上设置Web server了。遵循我厂的传统，使用Python作为Web server的主要开发语言。
开门硬件控制相关代码：

import RPi.GPIO as GPIO
import time
PORT = 7
def reset():
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(PORT, GPIO.IN)
def initcontroller():
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(PORT, GPIO.OUT)
GPIO.output(PORT, True)
def opendoor():
GPIO.setup(PORT, GPIO.OUT)
GPIO.output(PORT, False)
time.sleep(2)
GPIO.output(PORT, True)

复制代码

Web server代码（基于web.py）

import web
from web import form
import doorop
import requests
render = web.template.render('templates/')
urls = (
'/', 'index'
)
app = web.application(urls, globals())
myform = form.Form(
form.Textbox("username"),
form.Textbox("password", form.notnull)
)
#initial door controller
doorop.initcontroller()
def verifyuser(uname, passwd):
#这里是验证用户的逻辑，我是用公司的LDAP服务器进行验证的
#验证成功返回True，否则返回False
pass
class index:
def GET(self):
form = myform()
return render.formtest(form)
def POST(self):
form = myform()
if not form.validates():
return render.formtest(form)
else:
if(verifyuser(form['username'].value, form['password'].value)):
doorop.opendoor()
return "door opened!"
else:
return "Username/Password invalid!"
if __name__ == "__main__":
web.internalerror = web.debugerror
app.run()

复制代码

这样就在RPI上建立了一个web server，用HTTP POST方式输入正确的用户名和口令就能实现开门。
为了更方便地应用远程开门（例如，用手机开门显然更cool），可以编写iOS或是Android上运行的开门应用。当然，由于开门只需要发送一个HTTP POST请求，直接写成一个可以在Mac/Linux/Win下运行的命令行也可以。

部署后的全景

豆瓣开门

豆瓣开门widget

后记与感谢
感谢所有参与这个项目的我厂同学们，豆瓣的确是个有着独特的技术文化的环境，这里不仅有许多可以互相交流想法的技术geek，还有这庞大的对所有新鲜的东西感兴趣的工程师群体，欢迎各位喜欢这个环境的其他非我厂同学们参观和加入：）

成本与硬件列表（为方便想要动手的同学，带购买链接，点击请慎重）

树莓派（MODB-512M） 带运费，税费，约300元 [url=]http://cn.element14.com/raspberry-pi/raspbrry-modb-512m/%E5%8D%95%E6%9D%BF%E6%9C%BA-%E6%A0%91%E8%8E%93%E6%B4%BE-raspberry-pi-b%E5%9E%8B-512mb/dp/2191863?ref=lookahead[/url]
TP-LINK TL-WN823N 300M迷你型无线USB网卡 55元 [url=]http://www.amazon.cn/gp/product/B009A2WQTW[/url]
连接线：2元 [url=]http://item.taobao.com/item.htm?id=13451559655>[/url]
两路数字继电器 5元 [url=]http://item.taobao.com/item.htm?id=13451559655[/url]
其他： 约60元 导线 4G SD卡一张