“1+X”背景下基于樹莓派和Flask的機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

詹志芳

(福建省湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)校,福建 莆田 351100)

1 概述

為更好落實(shí)《關(guān)于在院校實(shí)施“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”制度試點(diǎn)方案》[1]，促進(jìn)證書試點(diǎn)與專業(yè)建設(shè)、證書試點(diǎn)與課程建設(shè)、證書試點(diǎn)與教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)結(jié)合，將“1”和“X”相融合，提升職業(yè)教育的教學(xué)質(zhì)量與就業(yè)水平，計(jì)算機(jī)機(jī)房建設(shè)成為“1+X”試點(diǎn)建設(shè)中必不可少的一個環(huán)節(jié)。大部分學(xué)校都意識到機(jī)房建設(shè)的重要性，紛紛建設(shè)了獨(dú)立的計(jì)算機(jī)機(jī)房。

目前，計(jì)算機(jī)課程是大部分專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程。計(jì)算機(jī)作為較為普及的電器產(chǎn)品，對于運(yùn)行環(huán)境的要求相對較為寬松。然而集中機(jī)房則不同，數(shù)十臺甚至上百臺計(jì)算機(jī)位于同一個房間內(nèi)，所產(chǎn)生的熱量是驚人的。這種場景下，需要對機(jī)房內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和記錄，從而確保機(jī)房內(nèi)溫度保持在合理范圍。

市面上對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)有很多，但是大部分價格較高，并且作為成品系統(tǒng)，擴(kuò)展性受到一定限制，也很難和其他系統(tǒng)，如供電監(jiān)測、防盜監(jiān)控等進(jìn)行整合。

樹莓派(Raspberry-pi)幾乎是目前世界上體積最小的完備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由英國慈善組織樹莓派基金研發(fā)，并且向全世界推廣，2012年首次問世之后，樹莓派得到了瘋狂追捧。樹莓派價格便宜，僅有銀行卡大，同時具備功能充足的自定義信號輸入端口。在樹莓派上可以運(yùn)行Linux甚至Windows操作系統(tǒng)，基于樹莓派的應(yīng)用層出不窮,樹莓派獨(dú)立運(yùn)行時可以完成一臺普通計(jì)算機(jī)的大部分功能，但是其最大優(yōu)勢在于可以外接各種設(shè)備[2-3]。

溫度監(jiān)控對于計(jì)算機(jī)機(jī)房的建設(shè)和管理非常重要，但是配置專用的溫控設(shè)施成本較高。對此，在樹莓派基礎(chǔ)上研發(fā)了溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)廉價且穩(wěn)健的監(jiān)控。本文從架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)兩方面對該系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并且展示了實(shí)際測試應(yīng)用的場景。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文研發(fā)的系統(tǒng)采用最新發(fā)布的樹莓派4B作為開發(fā)平臺，基于Linux系統(tǒng)。溫度傳感器選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器[4]，通過樹莓派的GPIO接口連接，使用Python 3語言開發(fā)服務(wù)程序，基于Flask架構(gòu)提供Web服務(wù)。

2.1 樹莓派4B

樹莓派4B(Raspberry Pi 4B)是2019年發(fā)布的樹莓派版本，該版本的性能與樹莓派 3B+版本相比，在處理器速度、多媒體、內(nèi)存等方面都有顯著提升。樹莓派4B擁有與入門級 x86 PC 系統(tǒng)相媲美的桌面性能，該版本配置有ARM Cortex-A72 1.5GHz(四核)CPU，內(nèi)存可選1/2/4GB，USB2.0和3.0端口各2個，micro HDMI接口2個，網(wǎng)絡(luò)支持方面同時具備802.11 b/g/n無線網(wǎng)卡和全吞吐量千兆以太網(wǎng)卡。最關(guān)鍵的是延續(xù)了傳統(tǒng)的GPIO引腳，這是樹莓派支持多種擴(kuò)展設(shè)備的基礎(chǔ)，也是樹莓派成為大量嵌入式應(yīng)用開發(fā)平臺的一個重要原因[2-3]。

圖1 樹莓派4B板載

圖2 樹莓派4B的GPIO引腳說明

樹莓派4B支持多種操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)研發(fā)選用Linux操作系統(tǒng)，因?yàn)長inux系統(tǒng)是開源系統(tǒng)，并且穩(wěn)定性好、運(yùn)行時損耗小，各類設(shè)備驅(qū)動也較為全面。

2.2 Python語言以及Flask框架

Python語言誕生于1989年，在編程語言中屬于新生代語言，目前Python語言位于編程語言排行榜前五。Python語言具有語法簡單、易學(xué)易用的特點(diǎn)，并且作為膠水語言，能夠很好地和其他語言進(jìn)行交叉編程。此外，Python語言擴(kuò)充性好，具有多種擴(kuò)展庫，這使得它在各種領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

Flask是一個Python開發(fā)的輕量級Web應(yīng)用框架，耗能小、結(jié)構(gòu)簡單，便于進(jìn)行各種基于Python的網(wǎng)站開發(fā)。其WSGI工具箱采用Werkzeug，模板引擎則使用 Jinja2 。Flask被稱為核心框架，因?yàn)樗⑽词褂酶黝惛郊硬寮矝]有指定數(shù)據(jù)庫、窗體驗(yàn)證等插件，全部需要應(yīng)用人員自行開發(fā)，十分靈活[5]。

2.3 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、耗能低等特點(diǎn)，提供9～12-Bit攝氏溫度測量精度和一個用戶可編程的非易失性且具有過溫和低溫觸發(fā)報警的報警功能，測溫范圍廣，能完成-55℃～125℃，誤差約1℃，并且在溫度傳感器-10℃～85℃之外時，還具有±0.5℃的精度。DS18B20采用一線通信接口，即通過一條線路即可實(shí)現(xiàn)控制機(jī)和其之間的通信，直接由數(shù)據(jù)線供電而不需要外部電源供電，很靈活。目前普遍應(yīng)用于工業(yè)、民用多種場合[4]。

圖3 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 采集電路設(shè)計(jì)

由于DS18B20是單線通信，因此本系統(tǒng)將其vcc、gnd分別連接到樹莓派的vcc和gnd，而DS連接到GPIO 4端口即可。

連接好硬件設(shè)施后，通過ssh連接上樹莓派，在終端中通過以下命令進(jìn)行配置：

sudo modprobe w1-gpio

sudo modprobe w1-therm

cd /sys/bus/w1/devices

ls

此時應(yīng)能夠看到對應(yīng)設(shè)備。如果ls看不到顯示，通過以下命令進(jìn)行配置：打開/boot/config.txt，并在該文檔的最后一行手動添加：dtoverlay=w1-gpio-pullup,gpiopin=4，然后執(zhí)行sudo reboot即可。

3.2 采集程序設(shè)計(jì)方案

由于Python語言是模塊化語言，為了能夠讓不同程序都能讀取DS18B20的測溫數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)單獨(dú)為其開發(fā)了讀取模塊，文件命名為ds18b20.py。該模塊主要工作原理為讀取設(shè)備路徑中生成的數(shù)據(jù)文件，判定文件格式是否正確，即傳感器是否正常工作。并從中分離出代表溫度的字符串，轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)返回。如果未能正確讀取，則返回None。

圖4 ds18b20.py文件代碼

通過調(diào)用read_temp函數(shù)，即可獲取溫度數(shù)據(jù)。

3.3 Web服務(wù)程序設(shè)計(jì)

考慮到前端可以是不同類型的應(yīng)用，例如專門的監(jiān)控程序，或者是實(shí)時刷新的監(jiān)控網(wǎng)頁等，我們采用Web-Service方式提供數(shù)據(jù)。在Flask框架內(nèi)，只需要編寫簡單的程序就可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)作為json返回給調(diào)用者。

圖5 溫度數(shù)據(jù)返回代碼

運(yùn)行該程序后，通過樹莓派對應(yīng)ip的8080端口即可獲取表示溫度的json字符串。

圖6 通過瀏覽器直接訪問本服務(wù)，得到的運(yùn)行結(jié)果

除了采用瀏覽器直接訪問Web-Service服務(wù)，我們也編制了簡單的網(wǎng)頁進(jìn)行調(diào)用測試，實(shí)時顯示溫度。當(dāng)溫度超出安全范圍時(暫定為-10℃～40℃)，將給出警告。代碼詳見圖7。

圖7 溫度顯示網(wǎng)頁代碼

點(diǎn)擊網(wǎng)頁上的“讀取”按鈕，將調(diào)用后端服務(wù)，讀取json格式的溫度信息，顯示在網(wǎng)頁上。網(wǎng)頁的顯示界面如圖8所示，其中上中下三圖分別展示了正常溫度、高溫警告、低溫警告的場景。

圖8 溫度顯示網(wǎng)頁

為了提升監(jiān)控效率，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同機(jī)房的專用頁面，顯示了機(jī)房中的布局以及各溫控點(diǎn)的位置示意(見圖9)。通過各機(jī)房的溫控頁面隨時查看實(shí)時溫度情況，頁面會定時刷新，保持最新的溫度顯示。

圖9 機(jī)房溫度監(jiān)控實(shí)際頁面

4 結(jié)論

計(jì)算機(jī)機(jī)房作為教學(xué)設(shè)施，其環(huán)境控制對設(shè)備安全、數(shù)據(jù)安全等至關(guān)重要，直接關(guān)系到學(xué)?！?+X”職業(yè)技能等級證書考試能否順利進(jìn)行。本文結(jié)合工作實(shí)際基于樹莓派和Flask技術(shù)，從系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)介紹了一個實(shí)時溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)功能，提供了一種價廉物美的實(shí)現(xiàn)方案，機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)部署實(shí)施后,可以保證機(jī)房的穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)具備可擴(kuò)展性，未來可以接入更多溫控節(jié)點(diǎn)，并且可以和其它環(huán)境檢測模塊組合，實(shí)現(xiàn)全方位的保障。