物联网项目 | LeanCloud+树莓派+安卓实现住宅环境异常告警系统

前言

本系统监测的条件限于温湿度、火焰、烟雾或有毒气体，以及登记授权人员人脸信息，（人脸检测和识别老早写了，懒得再接入了有时间再说吧） :neutral_face:出现异常时可及时记录和向用户APP推送消息告警。

完成后的树莓派和传感器

目录

物料清单

软件架构

室内环境条件监控模块

系统同时使用多个传感器感知和上传所处环境的温湿度、烟雾和火焰触发数据，同时使用烟雾传感器、温度传感器和火焰传感器进行判断火情。

• 若只有烟雾传感器或火焰传感器被触发或温度高于45.0摄氏度，向用户发送普通告警；
• 其中两个条件满足，向用户发送中级告警；
• 若三者均满足，向用户发送紧急告警信息。

推送消息被用户点击后，会跳转到APP主界面让用户查看详细传感器数据。

手机监视APP模块

接受消息推送和查看传感器上传的数据。

硬件模块使用

DHT11温湿度传感器

1.连接VCC，GND，其中DATA接到GPIO 4，树莓派4B引脚如图：

树莓派4B引脚图，由树莓派实验室绘制

import time
import sys
import Adafruit_DHT
DHT_chanel = 18 #BCM编码引脚口
while true
    time.sleep(1)
    hum,temp = Adafruit_DHT.read_retry(11,DHT_chanel)

3.运行正常，结果如图：(以humidity表示相对湿度)

在树莓派上测试DHT11正常输出温湿度值

MQ-2烟雾传感器

1.连接VCC，GND，其中DO为TTL高低电平输出口，接GPIO 0
2.安装python依赖PRi.GPIO。在控制台中输入命令pip install PRi.GPIO进行安装。
3.编写测试程序如下，高电平时正常：

import RPi.GPIO as GPIO 
import time

CHANNEL=7 # GPIO引脚口
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) 
GPIO.setup(CHANNEL,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

try:
    while True: # 执行一个while死循环
        status=GPIO.input(CHANNEL) # 检测7号引脚口的输入高低电平状态
        print(status) # 实时打印此时的电平状态
        if status == True: # 如果为高电平，说明MQ-2正常，并打印“OK”
            print ( ' OK ' )
        else:    # 如果为低电平，说明MQ-2检测到有害气体，并打印“dangerous”
            print ( ' high toxic gas level ! ! ! ' )
        time.sleep(5) 
except KeyboardInterrupt: # 异常处理，当检测按下键盘的Ctrl+C，就会退出这个>脚本
GPIO.cleanup()

4.运行正常，结果如图：

MQ-2正常工作，TTL口输出高电平表示正常

云后端接入与使用

云后端的作用就是充当手机APP和物联网硬件之间的桥梁，也就是我们的树莓派和安卓APP之间用于推送消息以及保存传感器数据的中间人。经过上一轮的测试，Bmob云后端虽然提供了比较完善的免费云后端服务，但在Android SDK接入时有难以解决的错误，故采用同样具有数据服务和消息推送的免费云后端服务LeanCloud。

为安卓用户端接入LeanCloud数据及消息推送SDK

按照官方文档中对于Java SDK的说明，在Android Studio中使用Gradle引入LeanCloud的数据存储和消息推送的Java SDK，即在module级Gradle配置文件的相应位置中加入如下引入：

implementation 'cn.leancloud:storage-android:8.0.1'
implementation 'cn.leancloud:realtime-android:8.0.1'
implementation 'io.reactivex.rxjava2:rxandroid:2.1.1'

然后再进行Gradle项目同步即可。

LeanCloud安卓SDK初始化

在Android项目的Application类的onCreate()方法内进行如下操作：

public class MyLeanCloudApp extends Application {
    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        // 提供 this、App ID、App Key、Server Host 作为参数
        // 注意这里千万不要调用 cn.leancloud.core.LeanCloud 的 initialize 方法，否则会出现 NetworkOnMainThread 等错误。
        LeanCloud.initialize(this,
 "t8dmUAOAX4NptIX4oziNpYPc-gzGzoHsz",
 "pDuJ1si51y5RGGdWyqReM8Ff",
 "https://please-replace-with-your-customized.domain.com");//这里填入LeanCloud上提供或是自己绑定的域名，本项目使用官方提供的免费域名
PushService.setDefaultChannelId(this, "android");#配置默认消息通道
#订阅消息通道
PushService.subscribe(this, "public", MainActivity.class); 
        PushService.subscribe(this, "android", MainActivity.class);
        #使用SharePreferences存储安装信息，是否为第一次安装以及安装得到的installationId
        SharedPreferences sp = getSharedPreferences("installation", MODE_PRIVATE);
        SharedPreferences.Editor edit = sp.edit();
        boolean isInstalled = sp.getBoolean("isInstalled", false);
        if(!isInstalled){
            //LCInstallation.getCurrentInstallation().saveInBackground();
            LCInstallation.getCurrentInstallation().saveInBackground().subscribe(new Observer<LCObject>() {
                @Override
                public void onSubscribe(Disposable d) {
                }
                @Override
                public void onNext(LCObject avObject) {
                    // 关联 installationId 到用户表等操作。
                    String installationId = LCInstallation.getCurrentInstallation().getInstallationId();
                    edit.putString("installationId",installationId).commit();
                    System.out.println("保存成功：" + installationId );
                }
                @Override
                public void onError(Throwable e) {
                    System.out.println("保存失败，错误信息：" + e.getMessage());
                }
                @Override
                public void onComplete() {
                }
            });
            edit.putBoolean("isInstalled", true);
            edit.commit();
    }
}

完成后在AndroidManifest.xml声明此Application类，即在其中的<application下添加

android:name=".MyLeanCloudApp" >

这里的MyLeanCloudApp替换成自己的Application类名称。

LeanCloud安卓消息推送服务初始化

按照官方文档，在Android项目的AndroidManifest.xml的<application下添加如下服务和消息接收器:

<service android:name="cn.leancloud.push.PushService" />
        <!--
        <receiver android:name="cn.leancloud.push.LCBroadcastReceiver">
            <intent-filter>
                <action android:name="android.intent.action.BOOT_COMPLETED" />
                <action android:name="android.intent.action.USER_PRESENT" />
                <action android:name="android.net.conn.CONNECTIVITY_CHANGE" />
            </intent-filter>
        </receiver>
        -->
        <receiver
            android:name=".MyCustomReceiver"
            android:exported="false">
            <intent-filter>
                <action android:name="android.intent.action.BOOT_COMPLETED" />
                <action android:name="android.intent.action.USER_PRESENT" />
                <action android:name="android.net.conn.CONNECTIVITY_CHANGE" />
                <action android:name="com.avos.UPDATE_STATUS" />
            </intent-filter>
        </receiver>

其中MyCustomReceiver是一个自定义类，继承BroadcastReceiver，代码如下：

public class MyCustomReceiver extends BroadcastReceiver {
    @Override
    public void onReceive(Context context, Intent intent) {
        // 获取推送消息数据
        String message = intent.getStringExtra("com.avoscloud.Data");
        String channel = intent.getStringExtra("com.avoscloud.Channel");
        System.out.println("push message");
        System.out.println("message=" + message + ", channel=" + channel);
    }
}

LeanCloud安卓消息推送服务接入完成测试

在LeanCloud的后台-推送-在线发送中，填写JSON推送内容如下：

{
    "alert": "test content",
    "title": "WARNING！ Your house's condition is in danger!",
    "silent": false
}

点击发送，Android端成功接到推送消息：

Android端成功接到LeanCloud管理后台推送的消息

为用户端监测硬件 —— 树莓派接入LeanCloud Python SDK

按照LeanCloud的官方文档，使用包依赖管理工具进行便捷的安装，即，在控制台中输入sudo pip install leancloud进行依赖包安装。

依赖包安装完成，在需要使用到LeanCloud服务的程序里先使用import leancloud导入，再使用命令leancloud.init("App ID ", " App Key ")初始化LeanCloud服务。

按照LeanCloud文档，使用Python在新增结构化数据的代码如下：

# 构建数据操作对象
    StateObject = leancloud.Object.extend('State')# 'State'为表名
    state_object = StateObject()
    state_object.set('temperature', temp)# 'temperature' 为列名
    state_object.set('relativeHumidity', hum)# 'relativeHumidity'为列名
    state_object.set('isFireOK', isFireOK)# 'isFireOK'为列名
    state_object.set('isSmokeOK', isMQ2OK)# 'isSmokeOK'为列名
    state_object.set('recordDate', recordDate)# 'recordDate'为列名
state_object.save()#传入的各列数据类型需要一一对应，参照官方文档的数据类型

# 测试向Android端推送消息
content="temperature lower than 45.0, it’s just a test"
title="nothing"
data = json.loads(json.dumps({'alert': content, 'title': title}))
if(len(title)!=0 and len(content)!=0):
    leancloud.push.sned(data,
                      channels=['android','public'],
                      push_time=None,
                      expiration_time=None,
                      expiration_interval=None,
                      where=None,cql=None,
                      flow_control=None,
                      prod=None)

在安卓端SDK和消息推送服务配置正常以后，可以正常收到如下推送：

在安卓实机上收到的来自树莓派的推送消息

传感器数据实体

传感器记录数据在云后端数据库中的实体如表所示：

State表

Android APP编写和打包测试

Android项目和集成开发环境

本项目使用基于intellJ IDEA社区版的Android Studio进行开发测试，新建Android项目并进行相应配置，使用Redmi Note 8 Pro 实体机进行测试。

App详细设计

为了减少项目复杂度，本项目采用最简单的安卓开发模式：MVC。一个MainActivity和对应界面即可。

App打开后自动进入到主界面MainActivity，并异步加载服务器记录的传感器数据。数据的展示采用RecyclerView + BaseRecyclerViewadapter的模式。在MainActivity的layout中，使用SwipeRefreshLayout包裹RecyclerView以实现下拉加载的功能。

在MainActivity中为SwipeRefreshLayout添加下拉监听，下拉动作发生时执行服务器数据拉取动作。

点击右上角感叹号图标可以筛选有数据超过阈值的记录，再次下拉刷新可以取消筛选。完成后测试获得服务器数据如图：

APP主页展示的传感器数据

参考资料

[1] PyPI. Adafruit_Python_DHT [EB/OL]. (2021-07-06). https://pypi.org/project/Adafruit_Python_DHT/
[2] 埃勒里灬波洛. 树莓派DHT22读Adafruit_DHT报错 can not import Beaglebone_Black_Driver的解决办法 [EB/OL]. (2020-09-09). https://blog.csdn.net/elleryer/article/details/108482087
[3] weixin_34112030. 基于树莓派（Raspberry Pi）平台的MQ-2烟雾报警系统实现（一） [EB/OL]. (2018-03-16). https://blog.csdn.net/weixin_34112030/article/details/92237494
[4] LeanCloud. LeanCloud文档 [EB/OL]. (2021-07-06). https://leancloud.cn/docs