基于Python Flask的溫度數據可視化

常州信息職業技術學院電子與工程學院 胡 釗

本文闡述了基于Python Flask的溫度數據可視化方法，主要包括通過51單片機驅動DS18B20溫度傳感器通過串口通信向上位機發送溫度數據，前端循環定時1s向后端Flask web框架發送ajax請求獲取json數據，前端收到后端的響應數據通過ECharts可視化庫顯示溫度。

在數據科學飛速發展的今天，擁有豐富的工具包與活躍的開源社區Python語言，在web開發數據可視化等領域的的價值日漸增長。能夠對數據進行行之有效的探索性數據分析，并使用便捷的工具實現美觀的數據可視化至關重要。本文研究的是溫度傳感器的數據可視化，實現單片機與上位機串口通信，后端向前端發送數據，前端拿到數據進行處理，可視化能將數據以更加直觀的方式展現出來，使數據更加客觀、更具說服力。在各類報表和說明性文件中，用直觀的圖表展現數據，顯得簡潔、可靠。

圖1 程序設計流程圖

圖2 硬件原理圖

1 開發環境

（1）操作系統：Window 10

（2）Python版本：Python 3.7.4

（3）開發環境：Pycharm keil

（4）Python第三方庫：Flask serial

（5）前端：jquery庫，EChars庫

2 業務流程

在編寫程序時，需要了解程序執行流程，如圖1所示，在程序開始執行時，前端程序會設置一個定時器每個1s中向后端發送一個ajax請求，然后后端Flask收到請求后就會通過串口從單片機獲取溫度，再把數據轉換成json格式發送給前端，前端收到數據通過處理追加到ECharts數組中，從而就能夠實現需求。

3 庫簡介

3.1 ECharts

ECharts，縮寫來自Enterprise Charts，商業級數據圖表，是百度的一個開源的數據可視化工具，一個純Javascript的圖表庫，能夠在PC端和移動設備上流暢運行，兼容當前絕大部分瀏覽器（IE6/7/8/9/10/11，chrome，firefox，Safari等），底層依賴輕量級的Canvas庫ZRender，ECharts提供直觀，生動，可交互，可高度個性化定制的數據可視化圖表。

3.2 Flask

Flask是一個使用Python編寫的輕量級Web應用框架其WSGI工具箱采用Werkzeug，模板引擎則使用Jinja2,Flask自帶開發用服務器和debugger集成單元測試(uint testing)和RESTful調度請求。

3.3 serial

serial是Python的第三方庫，這個庫是一個類提供了非常多的方法，使用較少代碼就可以實現從PC的串口接收數據。在本設計中就是使用serial來獲取下位機傳來的溫度數據。

4 硬件設計

本設計采用STC89C52單片機驅動溫度傳感器DS18B20實時獲取溫度，通過串口通信把數據發送給上位機，如圖2所示。

5 軟件設計

5.1 串口通信

在獲取溫度數據之后，需要向上位機通過串口通信發送數據，程序中會設置tab[5]={1,2,’.’,3,4}這個數組索引0,1,3,4會保存溫度數據，索引2是小數點，具體代碼如下所示：

5.2 接收單片機數據并向前端發送數據

接收數據用的是python的第三方庫serial需要pip install serial進行安裝才能使用，后端flask框架需導入render_template用來引入html模板，還需導入jsonify在使用Flask寫一個接口時候需要給客戶端返回json數據，在Flask中可以直接使用jsonify生成一個json的響應返回前端，具體代碼如下：

5.3 前端數據可視化圖表實現

向后端發送數據需引入jquery，jquery是一個快速、簡潔的JavaScript框架。引入jquery后就能使用$.ajax()這個方法就能發送ajax請求了，ajax請求是指一種創建交互式、快速動態網頁應用的網頁開發技術，無需重新加載整個網頁的情況下，能夠更新部分網頁的技術。通過在后臺與服務器進行少量數據交換，ajax可以使網頁實現異步更新，后端收到請求后就會返回json，在拿到后端的json數據后就可以把數據插入到EChart數組里面。這樣溫度數據就可以動態的更新了，ajax請求代碼如下：

圖3 溫度數據可視化圖

5.4 溫度數據可視化圖

瀏覽器訪問網址127.0.0.1:5000所加載的頁面，通過Echarts實現數據到圖形的映射，每一秒鐘會動態更新數據。具體效果如圖3所示。

結論：本設計利用Python和單片機實現的實時溫度采集，通過后端數據和前端頁面數據交互實現溫度數據可視化。可以很直觀的觀察數據值，因為數據是網頁端顯示的，所以有很好的跨平臺性，在不同的客戶端都能很方便的觀察溫度狀態。在此基礎上還可以擴展一些空氣濕度傳感器，光敏電阻傳感器等等。可以實際運用到一些工廠，機房等進行環境監測。