基于Raspberry Pi的可視化溫濕度測量系統(tǒng)設(shè)計

郭亮，王冠南，孫紅靜，錢碧甫

基于Raspberry Pi的可視化溫濕度測量系統(tǒng)設(shè)計

郭亮1，王冠南1，孫紅靜2，錢碧甫3

（1.國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，南昌330096；2.國網(wǎng)瑞安供電公司；3.國網(wǎng)溫州供電公司）

二次設(shè)備必須在較為適宜的環(huán)境溫濕度下運行，為了提高溫濕度測量速度和準(zhǔn)確性，基于Raspberry Pi嵌入式系統(tǒng)和Java語言，開發(fā)了一套對二次屏柜溫濕度進行測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有GUI可視化界面，通過鼠標(biāo)即可控制溫濕度測量的啟動和停止，在連續(xù)測量時，測量結(jié)果通過控件變化動態(tài)顯示。該系統(tǒng)集合溫濕度一起測量，可布置在重點屏柜內(nèi)，有利于運維人員及時掌握二次屏柜溫濕度變化，在溫濕度超限時能及時采取處理措施。

Raspberry Pi；溫濕度；二次設(shè)備；Java語言

引 言

變電站內(nèi)的繼電保護室和控制室內(nèi)布置的二次屏柜中包含了保護、測控、通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機等許多設(shè)備，這些設(shè)備的正常運行對環(huán)境溫濕度有一定的要求，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5149-2001《220-500k V變電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，變電站內(nèi)主控制室和計算機室溫度宜在18～25℃，繼電小室可為5～30℃，相對濕度為45%～70%，任何情況下無凝露。

二次屏柜內(nèi)溫濕度與室內(nèi)溫濕度緊密相關(guān)，對二次屏柜，特別是對溫濕度要求嚴(yán)格的屏柜的溫濕度監(jiān)測，顯得非常重要，實時自動、快速可靠的監(jiān)測，可以提醒巡視運維人員及時采取通風(fēng)、降溫等措施，保障設(shè)備的正常工作。

Raspberry Pi又稱為“樹莓派”，是英國一個以推廣科技為宗旨的小型慈善組織“The RaspberryPi Foundation”開發(fā)的一款開放式嵌入式系統(tǒng)，它采用ARM處理器，操作系統(tǒng)為Linux，隨著Windows10 Io T的發(fā)布，運行Windows系統(tǒng)的樹莓派將會出現(xiàn)。樹莓派的體積僅信用卡大小，但具有計算機主機的所有功能，并提供了多種接口（如SD卡擴展口、快速以太網(wǎng)接口、USB、RJ45、SD IO、HDMI及GPIO接口等），通過裝載相應(yīng)的Linux系統(tǒng)和應(yīng)用程序，可以實現(xiàn)強大的功能。不僅如此，樹莓派還具有廉價、社區(qū)廣泛等優(yōu)點。

利用樹莓派的通用輸入/輸出（GPIO）接口，結(jié)合輸出數(shù)字信號的溫濕度測量模塊，實現(xiàn)對二次屏柜內(nèi)溫濕度的自動實時測量。利用Java語言優(yōu)異的窗口化編程，可以實現(xiàn)GUI可視化界面顯示，使測量結(jié)果一目了然。

1　總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件主要包括Raspberry Pi、DHT11溫濕度模塊、顯示器及轉(zhuǎn)換接頭、鼠標(biāo)鍵盤和直流電源，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Raspberry Pi負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)控制，它運行Java程序，與人進行交流，獲取命令，控制溫濕度測量，通過顯示器顯示界面，處理數(shù)據(jù)并直觀展示。

圖1　基于Raspberry Pi對溫濕度系統(tǒng)示意圖

2　Raspberry Pi的啟動和配置

2.1硬 件

在啟動樹莓派之前，需要準(zhǔn)備必要的外接設(shè)備并安裝操作系統(tǒng)，一般而言，樹莓派啟動需要以下設(shè)備：①一個樹莓派（本文為2代B級型）；②鼠標(biāo)鍵盤（可選用無線功能的）；③顯示器（高清轉(zhuǎn)針式轉(zhuǎn)換接頭）；④16 GB的SD卡；⑤5 V直流電源。

2.2安裝操作系統(tǒng)

首先將SD卡進行格式化，然后在該卡上安裝操作系統(tǒng)；樹莓派具有廣泛的社區(qū)資源，為其應(yīng)用提供了許多便利。可以在Raspberry Pi官網(wǎng)（網(wǎng)址為www.raspberrypi. org）下載操作系統(tǒng)的安裝文件壓縮包NOOBS，解壓縮后，通過讀卡器復(fù)制進SD卡中。然后將樹莓派連接好鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器，把存儲了安裝文件的SD卡插入樹莓派的卡槽之中，插上5 V電源，樹莓派便自動啟動安裝操作系統(tǒng)程序，操作系統(tǒng)安裝好后，Raspberry Pi便可以啟動。

2.3配 置

系統(tǒng)啟動后，將看到下面的登陸信息（詢問用戶名和密碼）：

raspberrypi login：

password：

樹莓派的操作系統(tǒng)默認(rèn)用戶名為pi，默認(rèn)密碼是raspberry，輸入以上用戶名和密碼，屏幕上會出現(xiàn)下面文本：

pi@raspberry～$

輸入指令Startx，操作系統(tǒng)便顯示為Xwindows界面，如圖2所示。

操作系統(tǒng)自帶了Java編程環(huán)境，可以很方便地進行Java語言編程。在聯(lián)網(wǎng)情況下，打開命令行界面，運行下面語句獲得系統(tǒng)最新更新：

sudo apt-get update sudo apt-get upgrade

3　溫濕度模塊硬件連接

市面上有很多溫濕度傳感模塊，將溫濕度傳感器和單片機封裝在一起，只需提供工作電源和控制信號，便可以開始測量并輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的溫濕度數(shù)據(jù)。本文所使用的模塊為DHT11模塊。

圖2　Raspberry Pi啟動后界面

3.1DHT11模塊介紹

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，如圖3所示。

DHT11有4個引腳：①VDD供電3.3～5.5 V DC；②DATA串行數(shù)據(jù)，單總線；③NC空腳；④GND接地，電源負(fù)極。

圖3　DHT11溫濕度傳感器外觀

3.2DHT11與樹莓派引腳連接

二代B級型樹莓派具有40個引腳，本文所用DHT11模塊輸入信號DATA口與GPIO口直接連接，該模塊內(nèi)部在電源接口與數(shù)據(jù)口之間已集成了上拉電阻。DHT11模塊的VCC、DATA、GND引腳分別與樹莓派物理接口4（即5 V電源）、12（即GPIO1口）、34（即GND口）引腳相連，NC口懸空即可，如圖4所示。

圖4　DHT11模塊與樹莓派引腳接線圖

4　溫濕度模塊的控制程序

4.1DHT11模塊工作原理

使用Python語言與DHT11模塊進行數(shù)據(jù)交換，該模塊運用比較廣泛，本文采用Python語言進行編程。在進行編程之前，必須對照模塊的工作原理和數(shù)據(jù)時序。其工作原理為：

①DHT11上電后要等待1 s，以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，然后測試環(huán)境溫濕度，并記錄數(shù)據(jù)，同時DHT11的DATA數(shù)據(jù)線由上拉電阻拉高一直保持高電平；此時DHT11的DATA引腳處于輸入狀態(tài)，時刻檢測外部信號。

②微處理器的I/O引腳設(shè)置為輸出，同時輸出低電平保持時間大于18 ms，然后微處理器的I/O設(shè)置為輸入狀態(tài)，由于上拉電阻，微處理器的I/O即DHT11的DATA數(shù)據(jù)線也隨之變高，等待DHT11作出回答信號。

③DHT11的DATA引腳檢測到外部持續(xù)18 ms低電平結(jié)束后變成高電平，延時轉(zhuǎn)為輸出狀態(tài)，輸出80μs的低電平作為應(yīng)答信號，緊接著輸出80μs的高電平通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，此時微處理器的I/O應(yīng)為輸入狀態(tài)，檢測到I/O有低電平（DHT11回應(yīng)信號）后，等待80μs的高電平后的數(shù)據(jù)接收。

④由DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)，微處理器根據(jù)I/O電平的變化接收40位數(shù)據(jù)。50μs的低電平和26～28μs的高電平為數(shù)據(jù)“0”；50μs的低電平加70μs的高電平為數(shù)據(jù)“1”。

4.2使用Python語言實現(xiàn)溫濕度控制

溫濕度程序流程圖如圖5所示。

該程序在一次測量的結(jié)果為：

Wendu：17℃

Shidu：39%

處理結(jié)果時，可以選擇將數(shù)據(jù)在命令行中顯示或存入文件中。

5　GUl界面設(shè)計

Java語言具有豐富GUI圖形用戶界面編程庫，使用Java語言可以實現(xiàn)結(jié)果的顯示，以及對溫濕度控制程序的調(diào)用和控制，本系統(tǒng)的顯示控制程序流程圖如圖6所示。

本程序的三個主要功能是：①調(diào)用Python語言控制溫濕度模塊啟動停止；②可視化界面和反復(fù)測量結(jié)果的動態(tài)顯示；③鼠標(biāo)按鍵實現(xiàn)命令輸入。

5.1調(diào)用Python語言的實現(xiàn)

調(diào)用已編寫好的Python程序，可以簡化Java語言編程，Java語言優(yōu)異的跨平臺特性使其可以調(diào)用任何程序，利用Java語句可以實現(xiàn)名稱為*.py的Python腳本調(diào)用：

圖5　溫濕度程序流程圖

Process pr=Runtime.getRuntime（）.exec（"python*.py"）

溫濕度控制模塊的命名為dht11.py，并保存在Java項目文件下，實現(xiàn)對該程序的調(diào)用，并在Java界面顯示運行結(jié)果，其Java程序如下：

try｛

Process pr=Runtime.getRuntime（）.exec（"python dht11. py"）；

Buffered Reader in=new Buffered Reader

（new InputStream Reader（pr.getInputStream（）））；

Stringstr；

while（（str=in.read Line（））！=null）｛

System.out.println（str）；

｝

in.close（）；

pr.wait For（）；

｝catch（Exception e）｛e.printStack Trace（）；｝

在Java程序編譯后，直接在命令行界面輸入Java dht11，“dht11”為java語言程序命令，運行結(jié)果與直接Python語言結(jié)果一致，如圖7所示。

圖6　溫濕度控制系統(tǒng)Java程序流程圖

圖7　使用Java語言實現(xiàn)Python程序調(diào)用

5.2可視化界面和測量結(jié)果的動態(tài)顯示

利用Java語言GUI工具可以實現(xiàn)窗口可視化和實時數(shù)據(jù)更新顯示，Java Stage類、Scene類和Pane類可以實現(xiàn)可視化GUI界面，方便控制命令的輸入，數(shù)據(jù)動態(tài)更新顯示通過Timeline類實現(xiàn)。本文通過填充不同顏色的矩形框的寬度大小來表示溫濕度的大小，并實時顯示溫濕度數(shù)字。

5.3鼠標(biāo)按鍵控制溫濕度測量

發(fā)出命令控制溫濕度傳感器啟動停止，通過對按鍵添加鼠標(biāo)按鍵驅(qū)動事件類ActionEvent來實現(xiàn)。例如，對按鈕btBegin設(shè)置了鼠標(biāo)按鍵事件驅(qū)動，在鼠標(biāo)按下后，系統(tǒng)顯示Begin Measuring的提示語，并啟動動態(tài)顯示過程（animation.play（）實現(xiàn)）。

btBegin.setOn Action（e-＞｛

System.out.println（"Begin Measuring..."）；

animation.play（）；｝）；

6　運行結(jié)果

將DHT11模塊放在需要測量溫濕度的屏柜內(nèi)，連接到樹莓派，啟動測量，可以很方便地觀察到溫濕度的動態(tài)變化。

通過顯示器可以查看程序運行的結(jié)果，圖8是測量系統(tǒng)啟動初始界面。

圖8 溫濕度測量系統(tǒng)初始界面

圖9為動態(tài)測量結(jié)果。鼠標(biāo)按下“開始測量”按鍵后，程序啟動DHT11模塊開始連續(xù)測量，圖形和數(shù)字實時顯示，在外界溫濕度波動時，便可以觀察到矩形框的跳動；當(dāng)按下“停止測量”后，頁面停在最后一次測量的畫面結(jié)果上，繼續(xù)按下“開始測量”，數(shù)字和圖形又開始動態(tài)更新，按下“退出”按鈕，界面關(guān)閉。

圖9　溫濕度測量系統(tǒng)開始動態(tài)測量結(jié)果

結(jié) 語

本文以Raspberry Pi（樹莓派）為溫濕度控制硬件，通過Java語言程序設(shè)計了一個可以實時、自動、準(zhǔn)確地測量溫濕度的平臺，該平臺可以控制測量的開始停止，測量迅速、結(jié)果準(zhǔn)確、顯示界面明晰。以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過增加軟件功能，還可以實現(xiàn)下述功能：①利用數(shù)據(jù)庫存儲歷史數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)分析統(tǒng)計功能；②實現(xiàn)遠程多點測量；③增加界面顯示內(nèi)容。

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Visual Temperature and Humidity Measurement System Based on Raspberry Pi

Guo Liang1，Wang Guannan1，Sun Hongjing2，Qian Bifu2
（1.State Grid Jiangxi Electric Power Science Research Institute，Nanchang 330096，China；2.State Grid Ruian Power Supply Company；3.State Grid Wenzhou Power Supply Company）

The secondary equipment must be run under the suitable temperature and humidity of the environment.In order to improve the temperature and humidity measurement speed and accuracy，a set of the secondary cabinet temperature and humidity measurement system is developed based on the embedded system Raspberry Pi and Java language.The system has the visual interface of GUI，and the mouse can control the start and stop of the temperature and humidity measurement.In the continuous measurement，the measurement results are displayed dynamically through the control.The system collects the temperature and humidity parameters together，it can be placed in a key cabinet.It helps the operation and maintenance personnel in time to grasp of the temperature and humidity changes，and the measures can be timely taken to deal with when the temperature and humidity exceed the limit.

Raspberry Pi；temperature and humidity；secondary equipment；Java language

TN91

A