使用树莓派制作的远程开门器

背景：

话说自从我厂的商务部门搬到旁边的商务楼之后，工程师发现漂亮的前台MM也搬走了，某区只留下冷冷清清的鱼缸。然后，工程师们发现开门成了个问题。鉴于进门需要刷卡，所以没有带卡的工程师就不得不摁下门铃，等待其他人从座位上起身为自己开门。经历过多次不得不让别人来开门以及不得不为别人开门之后，终于有工程师不能忍受了（我就是其中一个），于是，决定自己动手解决问题。要知道，地球上没有能难住工程师的问题！

研究与选择方案：

我厂的电子门锁的开门设备是通过一个带弹簧的开关（门内，类似墙面上开灯的开关）控制的，按下开关就能打开门，按下开关的时候能够听到明显的继电器闭合的声音，因此，趁着没人的时候我把开关拆开看了一下，证实的确是通过触电控制的一个继电器。按下开关时，两个金属触电接触，继电器动作，门打开。继电器在动作后延时4秒左右恢复。这样看来，硬件层面的开门实现就非常简单了：跨接一个数字继电器，要开门时，通过电平信号控制继电器闭合并保持2秒即可。

但要实现远程控制，必须设置一台可以通过TCP或是HTTP协议接受用户命令，并能控制开门硬件（继电器）的设备。最初考虑过Arduino，作为一个开源的硬件平台，Arduino的电平输出非常易于控制和操作。而且Arduino也有RJ45或是无线的接口模块。不过在查看了Arduino的无线模块的操作方式之后，我发现要让Arduino接入一个WPA加密的无线网络并实现一个web server并不容易。所以最终还是选择了树莓派（Raspberry PI），虽然RPI的硬件成本更高一点。

RPI与Arduino的设计目标不同，它主要是一个超小的PC主机。幸好RPI本身提供了若干个GPIO的输出口（3.3V），用来操作数字继电器倒是没有问题。

RPI的GPIO引脚的定义：http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals#General_Purpose_Input.2FOutput_.28GPIO.29
引脚的输出规格：http://elinux.org/RPi_BCM2835_GPIOs
RPI的GPIO教程：http://log.liminastudio.com/writing/tutorials/tutorial-how-to-use-your-raspberry-pi-like-an-arduino

请特别注意：由于GPIO的引脚是没有保护电路的，不当的硬件连接很可能会导致整块RPI板子烧掉，连接和操作时务必慎重。在确定方案时，我个人使用了面包板，电阻和二极管等电子元件搭建实验电路，并反复用万用表验证过输出电压和电流（主要是对RPI的每个脚的输出不确定）。

操作步骤

在RPI上安装操作系统

拿到RPI后，首先要在RPI上安装操作系统。这里有份文档：http://log.liminastudio.com/writing/tutorials/getting-started-with-the-raspberry-pi，安装完操作系统后，确保重新启动成功（RPI的视频输出口是HDMI接口，可以直接连接在支持HDMI的显示器或是电视上，或者可以通过HDMI转VGA/DVI的连接线连接到支持VGA/DVI的显示器上。注意：无源的HDMI转VGA的线可能会损坏RPI板）。

配置网络

RPI本身的网络支持已经比较完善，通过有线方式接入的话，只要直接插入网线就可。考虑到无线方式部署比较方便，我采用的是无线连接的方式。

RPI仅对部分网卡支持较好，利用RPI的官网上的无线网卡兼容信息，最终选择了一款相对便宜且能得到较好支持的网卡：TP-LINK TL-WN823N，该网卡可以从amazon.cn购买，购买地址见本文最后的列表。

插入网卡后，修改网卡的配置信息：

    sudo vi /etc/network/interfaces

修改其中与wlan0相关的部分：

    auto lo

    iface lo inet loopback
    iface eth0 inet dhcp

    allow-hotplug wlan0
    iface wlan0 inet static
        wpa-ssid 你要连接的wifi ssid
        wpa-psk 你的wpa连接密码
    address 192.168.0.20    # 设定的静态IP地址
    netmask 255.255.255.0   # 网络掩码
    gateway 192.168.0.1     # 网关
    network 192.168.0.0      # 网络地址
    #wpa-roam /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
    iface default inet dhcp

这里我选择了使用静态地址，原因是我们不希望开门的服务器地址老是变来边去。设置好网络并确认能够正常工作后，就可以着手进行下一个步骤了。

连接硬件

下图是具体的连接方式，注意连在RPI上的三条线，白色（电源）、黑色（GND）、灰色（信号）分别连接在RPI GPIO的2号、6号与7号针脚上。

编写代码

RPI的操作系统缺省已经有一个Python的安装了。因此，我们可以使用Python来设置Web Server并控制开门的硬件设备。我选择了web.py作为Web server的开发基础，加上GPIO的python库来完成工作。

Web.py的下载、安装与教程：http://webpy.org/
RPI GPIO的python库安装和使用：http://log.liminastudio.com/writing/tutorials/tutorial-how-to-use-your-raspberry-pi-like-an-arduino

接下来就是在RPI上设置Web server了。遵循我厂的传统，使用Python作为Web server的主要开发语言。

开门硬件控制相关代码：

    import RPi.GPIO as GPIO
    import time

    PORT = 7

    def reset():
        GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
        GPIO.setup(PORT, GPIO.IN)

    def initcontroller():
        GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
        GPIO.setup(PORT, GPIO.OUT)
        GPIO.output(PORT, True)

    def opendoor():
        GPIO.setup(PORT, GPIO.OUT)
        GPIO.output(PORT, False)
        time.sleep(2)
        GPIO.output(PORT, True)

Web server代码（基于web.py）

    import web
    from web import form
    import doorop
    import requests

    render = web.template.render('templates/')

    urls = (
            '/', 'index'
    )
    app = web.application(urls, globals())

    myform = form.Form(
        form.Textbox("username"),
        form.Textbox("password", form.notnull)
    )

    #initial door controller
    doorop.initcontroller()

    def verifyuser(uname, passwd):
        #这里是验证用户的逻辑，我是用公司的LDAP服务器进行验证的
        #验证成功返回True，否则返回False
        pass

    class index:
        def GET(self):
            form = myform()
            return render.formtest(form)

        def POST(self):
            form = myform()
            if not form.validates():
                return render.formtest(form)
            else:
                if(verifyuser(form['username'].value, form['password'].value)):
                    doorop.opendoor()
                    return "door opened!"
                else:
                    return "Username/Password invalid!"

    if __name__ == "__main__":
        web.internalerror = web.debugerror
        app.run()

这样就在RPI上建立了一个web server，用HTTP POST方式输入正确的用户名和口令就能实现开门。

为了更方便地应用远程开门（例如，用手机开门显然更cool），可以编写iOS或是Android上运行的开门应用。当然，由于开门只需要发送一个HTTP POST请求，直接写成一个可以在Mac/Linux/Win下运行的命令行也可以。