“1+X”背景下基于樹(shù)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(shū)+若干職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)”制度試點(diǎn)方案》[1]，促進(jìn)證書(shū)試點(diǎn)與專(zhuān)業(yè)建設(shè)、證書(shū)試點(diǎn)與課程建設(shè)、證書(shū)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(gè)環(huán)節(jié)。大部分學(xué)校都意識(shí)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(zhuān)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(duì)于運(yùn)行環(huán)境的要求相對(duì)較為寬松。然而集中機(jī)房則不同，數(shù)十臺(tái)甚至上百臺(tái)計(jì)算機(jī)位于同一個(gè)房間內(nèi)，所產(chǎn)生的熱量是驚人的。這種場(chǎng)景下，需要對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和記錄，從而確保機(jī)房?jī)?nèi)溫度保持在合理范圍。

市面上對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)有很多，但是大部分價(jià)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(cè)、防盜監(jiān)控等進(jìn)行整合。

樹(shù)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(guó)慈善組織樹(shù)莓派基金研發(fā)，并且向全世界推廣，2012年首次問(wèn)世之后，樹(shù)莓派得到了瘋狂追捧。樹(shù)莓派價(jià)格便宜，僅有銀行卡大，同時(shí)具備功能充足的自定義信號(hào)輸入端口。在樹(shù)莓派上可以運(yùn)行Linux甚至Windows操作系統(tǒng)，基于樹(shù)莓派的應(yīng)用層出不窮,樹(shù)莓派獨(dú)立運(yùn)行時(shí)可以完成一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)的大部分功能，但是其最大優(yōu)勢(shì)在于可以外接各種設(shè)備[2-3]。

溫度監(jiān)控對(duì)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(zhuān)用的溫控設(shè)施成本較高。對(duì)此，在樹(shù)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(jià)且穩(wěn)健的監(jiān)控。本文從架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)兩方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并且展示了實(shí)際測(cè)試應(yīng)用的場(chǎng)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(shù)莓派4B作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(guò)樹(shù)莓派的GPIO接口連接，使用Python 3語(yǔ)言開(kāi)發(fā)服務(wù)程序，基于Flask架構(gòu)提供Web服務(wù)。

2.1 樹(shù)莓派4B

樹(shù)莓派4B(Raspberry Pi 4B)是2019年發(fā)布的樹(shù)莓派版本，該版本的性能與樹(shù)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(shù)莓派4B擁有與入門(mén)級(jí) 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(gè)，micro HDMI接口2個(gè)，網(wǎng)絡(luò)支持方面同時(shí)具備802.11 b/g/n無(wú)線(xiàn)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(shù)莓派支持多種擴(kuò)展設(shè)備的基礎(chǔ)，也是樹(shù)莓派成為大量嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)的一個(gè)重要原因[2-3]。

圖1 樹(shù)莓派4B板載

圖2 樹(shù)莓派4B的GPIO引腳說(shuō)明

樹(shù)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(zhǎng)inux系統(tǒng)是開(kāi)源系統(tǒng)，并且穩(wěn)定性好、運(yùn)行時(shí)損耗小，各類(lèi)設(shè)備驅(qū)動(dòng)也較為全面。

2.2 Python語(yǔ)言以及Flask框架

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

Flask是一個(gè)Python開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)Web應(yīng)用框架，耗能小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行各種基于Python的網(wǎng)站開(kāi)發(fā)。其WSGI工具箱采用Werkzeug，模板引擎則使用 Jinja2 。Flask被稱(chēng)為核心框架，因?yàn)樗⑽词褂酶黝?lèi)附加插件，也沒(méi)有指定數(shù)據(jù)庫(kù)、窗體驗(yàn)證等插件，全部需要應(yīng)用人員自行開(kāi)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(cè)量精度和一個(gè)用戶(hù)可編程的非易失性且具有過(guò)溫和低溫觸發(fā)報(bào)警的報(bào)警功能，測(cè)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(shí)，還具有±0.5℃的精度。DS18B20采用一線(xiàn)通信接口，即通過(guò)一條線(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)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(xiàn)通信，因此本系統(tǒng)將其vcc、gnd分別連接到樹(shù)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(guò)ssh連接上樹(shù)莓派，在終端中通過(guò)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(shí)應(yīng)能夠看到對(duì)應(yīng)設(shè)備。如果ls看不到顯示，通過(guò)以下命令進(jìn)行配置：打開(kāi)/boot/config.txt，并在該文檔的最后一行手動(dòng)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(yǔ)言是模塊化語(yǔ)言，為了能夠讓不同程序都能讀取DS18B20的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，本系統(tǒng)單獨(dú)為其開(kāi)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(guò)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(lèi)型的應(yīng)用，例如專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控程序，或者是實(shí)時(shí)刷新的監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)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(xiě)簡(jiǎn)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(guò)樹(shù)莓派對(duì)應(yīng)ip的8080端口即可獲取表示溫度的json字符串。

圖6 通過(guò)瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)本服務(wù)，得到的運(yùn)行結(jié)果

除了采用瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)Web-Service服務(wù)，我們也編制了簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行調(diào)用測(cè)試，實(shí)時(shí)顯示溫度。當(dāng)溫度超出安全范圍時(shí)(暫定為-10℃～40℃)，將給出警告。代碼詳見(jiàn)圖7。

圖7 溫度顯示網(wǎng)頁(yè)代碼

點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)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(yè)上。網(wǎng)頁(yè)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(chǎng)景。

圖8 溫度顯示網(wǎng)頁(yè)

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(zhuān)用頁(yè)面，顯示了機(jī)房中的布局以及各溫控點(diǎn)的位置示意(見(jiàn)圖9)。通過(guò)各機(jī)房的溫控頁(yè)面隨時(shí)查看實(shí)時(shí)溫度情況，頁(yè)面會(huì)定時(shí)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(yè)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(duì)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)校“1+X”職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)考試能否順利進(jìn)行。本文結(jié)合工作實(shí)際基于樹(shù)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(gè)實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)功能，提供了一種價(jià)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(lái)可以接入更多溫控節(jié)點(diǎn)，并且可以和其它環(huán)境檢測(cè)模塊組合，實(shí)現(xiàn)全方位的保障。