基于 WEB 的室内温湿度监测系统（树莓派）

一、项目介绍

    本实验通过 DHT11 模块测量大气中温湿度，利用树莓派多功能的用途，将温湿度测量结果显示到网页，并包含历史数据、实时折线图表示。

二、实验介绍

1. 实验原材料

树莓派 Raspberry 4 Model B，DHT11 v1.3，电阻，杜邦线，面包板。

2. 流程图

三、硬件部分

DHT11 传感器实验相关知识

1.1 DHT11引脚说明
下图为GPIO引脚对照表

本次实验使用的DHT11有3个引脚：VCC、DATA、GND。
VCC接 5V PIN 02；DATA接 PIN 08；GND接地 PIN 06。
硬件连接图如下：右上角40引脚的2、6、8所连的三条线为DHT11所连的线。下面的13、14引脚所连的线为温度阈值报警小灯所用（此为附加功能所用）。

1.2 外设读取步骤
主机和从机之间的通信可通过如下几个步骤完成(（外设（如微处理器）读取DHT11的数据的步骤）。
步骤一:
DHT11上电后（DHT11上电后要等待1S以越过不稳定状态在此期间不能发送任何指令），测试环境温湿度数据，并记录数据，同时DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平;此时DHT11的DATA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。
步骤二:
微处理器的I/O设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms(最大不得超过30ms），然后微处理器的I/O设置为输入状态，由于上拉电阻，微处理器的I/O即DHT11的DATA数据线也随之变高，等待DHT11作出回答信号。发送信号如下图所示:
步骤三:
DHT11的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后DHT11的 DATA引脚处于输出状态，输出83微秒的低电平作为应答信号，紧接着输出87微秒的高电平通知外设准备接收数据，微处理器的I/O此时处于输入状态，检测到I/O有低电平（DHT11回应信号）后，等待87微秒的高电平后的数据接收，发送信号下图所示：

步骤四:
由DHT11的DATA引脚输出40位数据，微处理器根据I/O电平的变化接收40位数据，位数据 “0”的格式为：54微秒的低电平和23-27微秒的高电平，位数据“1”的格式为：54微秒的低电平加68-74微秒的高电平。位数据“0”、“1”格式信号如下图所示：

结束信号：
DHT11的DATA引脚输出40位数据后，继续输出低电平54微秒后转为输入状态，由于上拉电阻随之变为高电平。但DHT11内部重测环境温湿度数据，并记录数据，等待外部信号的到来。

1.3. DHT11单总线传送数据位定义
DATA 用于微处理器与 DHT11 之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次传送 40 位数据，高位先出。
数据格式：

8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验位，其中湿度小数部分为 0

示例一：接收到的40位数据为：
0011 0101 / 0000 0000 / 0001 1000 / 0000 0100 / 0101 0001
湿度高8位 / 湿度低8位 / 温度高8位 / 温度低8位 / 校验位
计算：
00110101+00000000+00011000+00000100=01010001
接收数据正确：
湿度：00110101(整数)=35H=53%RH00000000(小数)=00H=0.0%RH=>53%RH+0.0%RH=53.0%RH
温度：00011000(整数)=18H=24℃00000100(小数)=04H=0.4℃=>24℃+0.4℃=24.4℃

实验中dht11.py所读取的温度显示为整数，欲将其变为带有一位小数的输出，只需将return值处理一下，将温度的小数部分the_bytes[3]加上就可以了

return DHT11Result(DHT11Result.ERR_NO_ERROR, the_bytes[2]+float(the_bytes[3])/10, the_bytes[0])

四、软件部分

1. 设计流程

2. 树莓派学习笔记

树莓派相关下载过程此处不再赘述，这里只总结一些我在实验中遇到的问题以及解决的方法。

SSH 远程连接树莓派使用SSH远程连接后，可以在另外一台PC机上操控树莓派

这个问题的出现的很普遍，因为大家对这个操作平台都还不是很熟悉，这个问题出现的原因是树莓派 SSH 服务没有打开，在树莓派桌面左上角树莓派图标上单击-> Preferences-> Raspberry Pi Configuration-> Interfaces -> SSH Enabled 选中 -> OK，重启PUTTY就可以解决了。
树莓派远程桌面在实现远程连接时，要保证两个设备处在同一个网络中。而且要确认好目前设备开的端口是哪一个，树莓派的IP地址是哪一个，确定好了才可以连接。

3. 代码程序报错记录

在运行这几个py文件时，遇到的几个主要的报错以及出现原因、处理方法如下：

报错：SyntaxError: invalid syntax
这句话的意思是Python代码语法有问题。Python对语法的要求非常严格，有时候代码是网上直接找来复制粘贴的，就有可能导致明明看上去没错，但就一直报语法错误，可以尝试清空格式后重新输入一遍。
另外需要注意的是Python2和Python3的语法有区别，比如Python2的print后面不用加括号，而Python3中就会报错。
报错：ModuleNotFoundError: No module named 'Adafruit_DHT’
“import Adafruit_DHT ”语句错误，提示找不到Adafruit_DHT模块，但是在terminal里输入“import Adafruit_DHT”不报错，并且已经下载了相关库。可能是python版本的问题，先明确你运行程序时使用的是哪个Python版本。
使用的是Python2使用的语句是：sudo pip install Adafruit_Python_DHT； sudo python setup.py install，
但使用的是Python3使用的语句是：sudo pip3 install Adafruit_Python_DHT； sudo python3 setup.py install
注意一定要用pip3！
报错：ImportError: cannot import name ‘Beaglebone_Black_Driver’ from 'Adafruit_DHT’
通过报错信息，发现是库中的common.py里引用get_platform有问题，再去platform_detect.py里查看发现树莓派的版本定义里没有4B，由于我们使用的是4B树莓派，所以导致返回了None
解决：出现这个原因是AdaFruit不再更新这个旧的Adafruit_DHT库，所以里面没有更新树莓派4B对应的cpu。有两种解决方法，使用这个传感器的新库“Adafruit_CircuitPython_DHT”，或者在你原来的Adadruit_DHT库中自己手动更新，具体操作如下：
（1）找到Adafruit_DHT文件夹， “/usr/local/lib/python3.7/dist-packages/Adafruit_DHT/”，
（2）打开文件夹里的platform_detect.py文件，可以看到把下面这两行代码添加到最后。

其中BCM2711是树莓派4B的CPU，它是四核Cortex-A72 64位。其它的BCMxxxx是其它树莓派版本的CPU。
Adafruit库无法使用
在根据讲义下载DHT库Adafruit库时，下载到的库中缺少Raspberry_Pi_2driver.py文件，导致执行DHT11_test测试文件时就没能读出数据，经过原因排查和多次下载，我们推断猜测可能是因为树莓派的问题，因为我们使用的是树莓派B4，可能是版本更新了的问题。
对此我们的解决方案是：不使用Adafruit读取温湿度数据，而是用我们之前用过的DHT11.py文件进行读取，这个文件是通过GPIO端口直接读取数据的，并具有CRC纠检错功能，足够实验的功能实现。
实际操作：WebServer文件夹下添加新文件夹：library，将dht11.py文件放在其中作调用功能，并在app.py文件加调用语言from library import dht11，将接下来的变量名重置。

4. 代码

基础功能的代码：使用dht11.py读取温度后，将温湿度显示到网页上。

（1）数据读取部分dht11.py

用于通过传感器读取数据的文件

import time
import RPiclass DHT11Result:'DHT11 sensor result returned by DHT11.read() method'ERR_NO_ERROR = 0ERR_MISSING_DATA = 1ERR_CRC = 2error_code = ERR_NO_ERRORtemperature = -1humidity = -1def __init__(self, error_code, temperature, humidity):self.error_code = error_codeself.temperature = temperatureself.humidity = humiditydef is_valid(self):return self.error_code == DHT11Result.ERR_NO_ERRORclass DHT11:'DHT11 sensor reader class for Raspberry'__pin = 0def __init__(self, pin):self.__pin = pindef read(self):RPi.GPIO.setup(self.__pin, RPi.GPIO.OUT)# send initial highself.__send_and_sleep(RPi.GPIO.HIGH, 0.05)# pull down to lowself.__send_and_sleep(RPi.GPIO.LOW, 0.02)# change to input using pull upRPi.GPIO.setup(self.__pin, RPi.GPIO.IN, RPi.GPIO.PUD_UP)# collect data into an arraydata = self.__collect_input()# parse lengths of all data pull up periodspull_up_lengths = self.__parse_data_pull_up_lengths(data)# if bit count mismatch, return error (4 byte data + 1 byte checksum)if len(pull_up_lengths) != 40:return DHT11Result(DHT11Result.ERR_MISSING_DATA, 0, 0)# calculate bits from lengths of the pull up periodsbits = self.__calculate_bits(pull_up_lengths)# we have the bits, calculate bytesthe_bytes = self.__bits_to_bytes(bits)# calculate checksum and checkchecksum = self.__calculate_checksum(the_bytes)if the_bytes[4] != checksum:return DHT11Result(DHT11Result.ERR_CRC, 0, 0)# ok, we have valid data, return itreturn DHT11Result(DHT11Result.ERR_NO_ERROR, the_bytes[2]+float(the_bytes[3])/10, the_bytes[0]+float(the_bytes[1])/10)def __send_and_sleep(self, output, sleep):RPi.GPIO.output(self.__pin, output)time.sleep(sleep)def __collect_input(self):# collect the data while unchanged foundunchanged_count = 0# this is used to determine where is the end of the datamax_unchanged_count = 100last = -1data = []while True:current = RPi.GPIO.input(self.__pin)data.append(current)if last != current:unchanged_count = 0last = currentelse:unchanged_count += 1if unchanged_count > max_unchanged_count:breakreturn datadef __parse_data_pull_up_lengths(self, data):STATE_INIT_PULL_DOWN = 1STATE_INIT_PULL_UP = 2STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN = 3STATE_DATA_PULL_UP = 4STATE_DATA_PULL_DOWN = 5state = STATE_INIT_PULL_DOWNlengths = [] # will contain the lengths of data pull up periodscurrent_length = 0 # will contain the length of the previous periodfor i in range(len(data)):current = data[i]current_length += 1if state == STATE_INIT_PULL_DOWN:if current == RPi.GPIO.LOW:# ok, we got the initial pull downstate = STATE_INIT_PULL_UPcontinueelse:continueif state == STATE_INIT_PULL_UP:if current == RPi.GPIO.HIGH:# ok, we got the initial pull upstate = STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWNcontinueelse:continueif state == STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN:if current == RPi.GPIO.LOW:# we have the initial pull down, the next will be the data pull upstate = STATE_DATA_PULL_UPcontinueelse:continueif state == STATE_DATA_PULL_UP:if current == RPi.GPIO.HIGH:# data pulled up, the length of this pull up will determine whether it is 0 or 1current_length = 0state = STATE_DATA_PULL_DOWNcontinueelse:continueif state == STATE_DATA_PULL_DOWN:if current == RPi.GPIO.LOW:# pulled down, we store the length of the previous pull up periodlengths.append(current_length)state = STATE_DATA_PULL_UPcontinueelse:continuereturn lengthsdef __calculate_bits(self, pull_up_lengths):# find shortest and longest periodshortest_pull_up = 1000longest_pull_up = 0for i in range(0, len(pull_up_lengths)):length = pull_up_lengths[i]if length < shortest_pull_up:shortest_pull_up = lengthif length > longest_pull_up:longest_pull_up = length# use the halfway to determine whether the period it is long or shorthalfway = shortest_pull_up + (longest_pull_up - shortest_pull_up) / 2bits = []for i in range(0, len(pull_up_lengths)):bit = Falseif pull_up_lengths[i] > halfway:bit = Truebits.append(bit)return bitsdef __bits_to_bytes(self, bits):the_bytes = []byte = 0for i in range(0, len(bits)):byte = byte << 1if (bits[i]):byte = byte | 1else:byte = byte | 0if ((i + 1) % 8 == 0):the_bytes.append(byte)byte = 0return the_bytesdef __calculate_checksum(self, the_bytes):return the_bytes[0] + the_bytes[1] + the_bytes[2] + the_bytes[3] & 255

（2）主文件app.py

这里要注意地址需要修改成自己主机的地址，查看树莓派地址的方式：在终端输入ifconfig然后回车。
from-import是用来引用文件中的文件内容的。 title中的内容"Sensor Data"和html中的代码</>Sensor Data</>是对应的，如果想要修改，需要两边同时修改。
time.sleep(1)的用处是让程序间隔一秒读取数据。这里的timesleep是python自带的一个函数，在编写程序时候，我们有时需要将程序短暂的停顿一下，这个时候就需要用到time包下面的sleep。
有的时候运行报错可能是因为端口的问题，尝试把port=50改成80/5080/8080之类的就好了。

from flask import Flask ,render_template
from library import dht11
import RPi.GPIO as GPIOapp = Flask(__name__)
# initialize GPIO
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()#read data using pin 14
instance = dht11.DHT11(pin=14)@app.route("/")
def hello():result = instance.read()time.sleep(1)temperature = result.temperaturehumidity = result.humiditytemplateData={'title': "Sensor Data",'temp': temperature,'hum': humidity,}       return render_template("index.html", **templateData)if __name__ == "__main__":app.run(host="192.168.1.xxx", port=50, debug=True)

（3）index.html

<!DOCTYPE html><head><html><head><title>{{title}}</title><link rel="stylesheet" href='../static/style.css'/></head><body><h1>Sensor Data</h1><h2>TEMPERATURE ==> {{ temp }} oC</h2><h3>HUMIDITY (Rel.) ==> {{ hum }} %</h3></body></html>

（4）style.css：用于美化html背景和字体颜色

body{background: blue;color: yellow;padding:1%
}
.button {font: bold 15px Arial;text-decoration: none;background-color: #EEEEEE;color: #333333;padding: 2px 6px 2px 6px;border-top: 1px solid #CCCCCC;border-right: 1px solid #333333;border-bottom: 1px solid #333333;border-left: 1px solid #CCCCCC;
}