基于Node-Red和樹莓派的物聯網應用系統開發

莊進樣

一、引言

近年來物聯網編程工具Node-Red和樹莓派以學習門檻低、硬件成本低和具有趣味性的特點，在中職信息技術教學中倍受青睞。如廣州市中職信息技術教研會在2019年舉行了兩期樹莓派與人工智能機器人培訓，全國職校信息技術技能大賽中職組在2018年和2019年舉行了可視化智能控制系統設計與調試競賽，該賽項的內容正是使用Node-Red編程工具和樹莓派。

目前的中職物聯網應用系統開發課程教學主要選擇單片機和C語言作為開發工具，而本文則基于實踐教學設計，介紹了如何使用可視化編程工具Node-Red和樹莓派進行物聯網應用系統開發。

二、樹莓派和Node-Red

樹莓派（Raspberry Pi）的尺寸只有信用卡大小，是為計算機編程教育而設計的微型電腦。它除了能代替日常桌面計算機的用途外，還能使用GPIO（General-Purpose Input/Output，通用輸入/輸出端口）為物聯網應用提供很好的實踐案例。官方推薦安裝操作系統為基于Debian的Raspbian，該系統中預安裝了Node-Red編程工具。

Node-Red是IBM開發的一個開源項目，以新穎有趣的方式將硬件設備、應用程序接口、在線服務連接起來，編程時只需要在瀏覽器中拖拽節點（Node），然后把這些節點用線連接起來，而數據則通過這些連線在節點間傳遞。節點是封裝了特定功能的模塊，核心節點會隨Node-Red一起被默認安裝，包括8個主要類別：輸入、輸出、功能、社交、存儲、高級和Raspberry Pi。除了核心節點外，用戶還可以在線安裝其他節點，如儀表盤節點（node-red-dashboard）、DHT溫濕度傳感器（node-dht-sensor）等等。正是由于Node-Red這種簡單、高效的編程方式，它被用作物聯網的一種粘合劑并很快發展成為一種通用的、可視化的物聯網編程工具。

三、系統功能設計

物聯網應用系統以智能教室系統為例，實現的功能包括：在終端顯示教室燈光當前的狀態;進行開燈、關燈操作;顯示教室實時的溫度和濕度。除此之外，系統還能夠設定溫度的閾值，如果溫度高于設定的值，系統則發出人聲報警（“濕度太高，可以開空調”）和蜂鳴器鳴叫，并能夠設定濕度的閾值，如果濕度高于設定的值，則自動打開排氣扇進行抽濕。

四、硬件設計

現實智能教室功能的硬件主要包括樹莓派、LED、DHT11溫濕度傳感器、蜂鳴器、12V排氣扇、12V電源、繼電器、杜邦線。然而因為樹莓派GPIO輸出不能達到12V，無法直接驅動排氣扇，所以需要使用繼電器進行電路轉換。

樹莓派提供40個GPIO引腳，通過它們輸出高低電平或者通過它們讀入引腳的狀態：高電平或低電平。用戶可以通過樹莓派的GPIO口和硬件進行數據交互、控制硬件工作、讀取硬件的工作狀態信號等，GPIO引腳如圖1所示。

圖1樹莓派的GPIO示意圖

各種傳感器和執行器在樹莓派GPIO上的連接設計盡可能布局合理，減少線材交叉，達到方便編寫程序又美觀的目的。具體說明如下表1所示。

五、編程設計

（一）編程環境

Node-Red可視化編程在智能控制系統的應用，只需要拖拽節點，設置相應的參數，連接節點，即可搭建一個具備數據顯示、處理與控制界面的控制系統，可用于通信與控制、物聯網、互聯網+等行業。Node-Red既可以下載安裝在電腦中，也可以在安裝了Raspbian操作系統的樹莓派中直接使用，更多的安裝使用方法可以參考官方網址https：//nodered.org/docs/getting-started/，也可以使用在線版Node-Red，如：在瀏覽器中輸入網址https：//goiot.cc/，注冊登錄后即可開始Node-Red的編程之旅。

因為本智能教室系統以樹莓派為控制中心，所以更方便的編程方式是在樹莓派中開啟Node-Red服務，然后在同一局域網中電腦端的瀏覽器中訪問http：//<樹莓派IP>：1880/即可進行Node-Red程序編寫，以及訪問http：//<樹莓派IP>：1880/UI即可運行用戶交互界面。

（二）顯示和交互界面

儀表盤節點（Dashboard）主要用于創建實時圖形化交互界面，與其它節點安裝類似，在菜單中的“節點管理”中“安裝”選項卡中輸入“dashboard”，找到名為“node-red-dashboard”并點擊安裝即可。

儀表盤的布局由Tab和Group兩個屬性組成。Tab相當于分頁，Group是分組，每個Tab中可以包含多個Group。智能教室系統設置一個Tab，命名為：智能教室;設置三個Group，分別命名為：燈光控制、濕度控制、溫度控制。每個Group包括dashboard的若干個節點：

燈光控制：text節點，用于顯示當前燈光的狀態（亮或滅）;button節點兩個，分別對應開燈和關燈的按鈕。

溫度控制：text節點，用于顯示當前設置閾值;slider節點，用于調節溫度的臨界值，即當教室的溫度高于設定的閾值時，觸發蜂鳴器鳴叫和人聲報警（人聲報警使用文字轉語音節點實現）;guage節點，用于顯示教室的實時溫度。

濕度控制：與溫度控制類似，當環境濕度高于設置的閾值時，自動開啟排氣扇進行抽濕。

智能教室系統的顯示和交互界面，如圖2、圖3所示。

（三）燈光控制程序

開燈和關燈使用節點button，控制樹莓派引腳使用節點rpi-gpio out。在開燈節點button發送有效載荷設置為數字1（高電平），關燈節點button發送有效載荷設置為數字0（低電平）。然后分別從兩個節點button右邊的小方塊拉出連接線，并連接到節點rpi-gpio out左邊的小方塊，如圖4所示。

燈光LED的正極與引腳40-GPIO21相連，因此可以初始化該引腳為低電平（0），使燈光處于滅的狀態。當用戶點擊“開燈”時，數據流向右邊發送，使引腳40-GPIO21處于高電平狀態，從而點亮教室的燈光;當用戶點擊“關燈”時，數據流向右邊發送，使引腳40-GPIO21處于低電平狀態，從而熄滅教室的燈光。

變量msg.payload是從上一流程中接收到的有效載荷，最終函數返回對象msg，實現其轉換后的有效載荷往下一流程發送。完成后的燈光控制程序，如圖5所示。

圖5燈光控制的程序

（四）獲取并顯示溫濕度程序

獲取連接到樹莓派引腳溫濕度傳感器DHT11的數據，需要安裝節點rpi-dht22（支持dht11和dht22）。值得注意的是：智能教室的溫濕度數據并不是獲取一次就終止了，而是按一定的時間間隔（如5秒）重復地獲取實時數據并在終端上更新。

節點inject能以有規律的時間間隔向下一節點發送消息，該消息中的有效載荷可以是字符串、Javascript對象或者當前時間等。把節點inject發送的內容設置成當前時間，并每隔5秒執行一次，正符合我們的設計要求。

節點rpi-dht11獲取到的溫度數據包含在msg.payload中，而獲取到的濕度數據則包含在msg.humidity。為了在儀表上能分別顯示溫度和濕度，可以使用節點function編寫Javascript代碼進行有效載荷的轉換，溫濕度顯示的程序如圖6所示。

（五）溫濕度與報警的聯動程序

在智能教室系統中，當溫度高于設定的閾值時，將會觸發報警，蜂鳴器鳴叫，同時把警示文字轉換成語音在終端中播放;當濕度高于設定的閾值時，將會觸發繼電器接通排氣扇進行抽濕。

以溫度高于閾值報警為例，用戶設置的閾值保存為函數節點中的全局變量，代碼為：flow.set（‘yuzhi_wendu，msg.payload）。在下一節點的函數中則獲取上一節點的全局變量后存放于新的變量yuzhi_wendu中，如果獲取失敗，則賦值26，代碼為：varyuzhi_wendu=flow.get（‘yuzhi_wendu）||26。實時溫度與用戶設置的閾值相比較，使用else-if條件分支語句進行判斷，程序如圖7所示。

濕度高于用戶設置的閾值時將會觸發排氣扇抽濕的程序，與溫度高于閾值時將會觸發報警程序的原理一致，只需要在上述程序基礎上修改少量代碼即可實現。

六、結語

用于實踐教學設計的中職物聯網應用系統開發，因使用Node-Red和樹莓派而變得簡單和有趣，又因以智能教室為例，是學生所熟悉的情境，能夠較好地促進教學目標的達成。基于Node-Red和樹莓派學習開發智能教室系統，能幫助學生掌握物聯網應用系統開發的基本方法，同時，通過替換、增加傳感器和融入更多的Node-Red節點，使學生能夠開發功能更加完備的應用系統，從而更好地進行創新創業活動。

責任編輯陳春陽