Node.js與樹莓派物聯網控制技術實踐-有解無憂

內容簡介：
當前，嵌入式系統和網路已經密不可分，我們使用的手機會聯網獲取資訊，家電(如空調或熱水器等)會聯網接受遠程控制，戶外監控攝像頭和各種傳感器通過網路將資料傳回監控中心，我們所處的世界正在走向萬物互聯，從而形成萬維物聯網WoT(Web of Things)，本文借助樹莓派3B Linux單板機及少量的電子元件，詳細介紹Node.js與樹莓派物聯網控制與介面技術，以此為基礎，我們還可結合當代人工智能及機器學習演算法構建出豐富多彩的智能物聯網或智能萬維網應用平臺及應用產品原型系統，
文章目錄
一、Node.js簡介
二、樹莓派Node.js升級及構建基本的HTTP服務器測驗程式
1.樹莓派Node.js升級安裝
2.用Node構建一個基本的樹莓派HTTP服務器測驗程式
三、運用Node.js編制Web服務器程式控制樹莓派GPIO介面-以樹莓派LED發光控制為例
1.樹莓派GPIO引腳與LED連接
2.安裝 onoff 模塊和socket.io庫
3.創建Web服務器檔案和HTML檔案
一、Node.js簡介
簡單來說，Node.js就是運行在服務端的JavaScript，Node.js是一種事件驅動I/O服務端JavaScript環境、基于Google的V8引擎而建立的一個平臺，Node.js 使用事件驅動、非阻塞式 I/O 的模型，使用它可以方便、快速地構建可擴展的物聯網Web應用平臺，Node目前有兩個活躍版本：長期支持版（LTS）和當前版，由 Node.js基金會進行管理并提供支持，自從 2009年 Node.js問世以來，JavaScript漸漸變成了能開發所有軟體的語言，其地位也越來越重要，它不再是只能勉強在瀏覽器上使用的雞肋語言，這里有 ECMAScript 2015的功勞，因為它解決了之前那些ECMAScript標準中遺留下來的幾個關鍵問題，Node所用的Google V8引擎就是基于ECMAScript 2015而開發的，ECMAScript 2015是 ECMAScript標準的第6個版本，所以有時也被稱為 ES6，Node、React和 Electron等技術創新成果讓 JavaScript無處不在：從服務器到瀏覽器，再到原生的移動端應用程式，甚至像微軟這樣的大公司都對JavaScript敞開了懷抱，也為Node的成功應用起到了推波助瀾的作用，
Node和JavaScript的優勢之一是它們的單執行緒編程模型，多個執行緒一般會引入 Bug，盡管一些新的編程語言，包括 Go和 Rust，試圖提供更加安全的并發工具，但 Node仍然保留了JavaScript在瀏覽器中所用的模型，在為瀏覽器撰寫代碼時，我們寫的指令序列一次執行一條，代碼非并行執行，然而對于用戶界面來說這是不合理的，沒有哪個用戶想在瀏覽器執行網路訪問或檔案獲取這樣的低速操作時干等，為了解決該問題，在瀏覽器中引入事件處理機制：當你點擊按鈕時，就有一個事件被觸發，還有一個之前定義的函式會跑起來，這種機制能規避一些在執行緒編程中經常出現的問題，如資源死鎖及競態條件等，
二、樹莓派Node.js升級及構建基本的HTTP服務器測驗程式
1.樹莓派Node.js升級安裝
網上提供了較簡單的樹莓派Node.js升級兩步安裝法，以Raspberry PI 3B為例，在RPi Linux終端升級安裝node.js v10.22.0版本步驟如下：
~$ curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_10.x | sudo -E bash -
~$ sudo apt-get install -y nodejs
升級安裝是否成功，可以輸入以下命令進行測驗：
~$ node -v
v10.22.0
~$ nodejs
v10.22.0
~$ npm -v
6.14.6
從上面輸入命令及顯示，我們可以看出RPi已成功安裝node v10.22.0和npm 6.14.6，并且node和nodejs兩種命令方式都可以使用，
2.用Node構建一個基本的樹莓派HTTP服務器測驗程式
下面我們使用Raspberry Pi的nano編輯器創建一個基本的HTTP服務器測驗程式(見圖1)，程式清單如下:
//Filename: nodetest.js
//匯入http模塊
var http = require(‘http’);
//呼叫http.createServer()方法創建服務器
http.createServer(function (request, response) {
//通過response.writeHead()方法寫http檔案頭
response.writeHead(200, {‘Content-Type’: ‘text/plain’});
//通過response.end()方法發送回應狀態碼，并通知服務器完成訊息
response.end(‘Hello Node.js!\n’);
}).listen(3000);//監聽3000埠號
// TODO: console log - server info
console.log(‘Server running at http://192.168.199.106:3000/’);
在這里插入圖片描述
圖1 一個基本的HTTP服務器測驗程式
程式最后一句使用console.log()方法顯示’Server running at http://192.168.199.106:3000/'字串，其中，192.168.199.106是所用樹莓派的IP地址，
保存程式，輸入node命令并運行：
$ node testserver.js
在瀏覽器輸入http://192.168.199.106:3000，我們可以看到“Hello Node.js!”輸出結果，故node.js運行成功，
三、運用Node.js編制Web服務器程式控制樹莓派GPIO介面-以樹莓派LED發光控制為例
1.樹莓派GPIO引腳與LED連接
這里以WiFi方式，即同一WiFi路由器下的局域網，通過單擊Web頁面的按鈕，控制連接到樹莓派GPIO.4引腳的LED，樹莓派GPIO引腳排列可通過gpio readall命令獲得（見圖2），
在這里插入圖片描述
圖2 樹莓派GPIO引腳排列及編號對照
下面對圖2的GPIO引腳及編號進行說明，樹莓派GPIO引腳是數字引腳，可以將它的輸出設為高電平或低電平，或者通過它讀取輸入的高低電平，如果想讀取模擬輸入設備的值，需要外接ADC芯片，樹莓派GPIO引腳編碼有三種方式：(1) BOARD編碼：是根據板子上引腳的位置進行編號，自上而下，從左到右，依次進行編號，也稱為物理引腳(Physical pins)，(2) BCM編碼：是Broadcom提供的一種編碼規則，它和Broadcom ARM SoC片上系統中的信道編號相對應，這些編碼看起來沒有什么規律，是Python等GPIO編程常用的引腳編碼方式；(3) wiringPi編碼：是GNU gcc/g++等GPIO編程常用的引腳編碼方式，簡稱wPi，
在這里插入圖片描述
圖3 樹莓派GPIO引腳與LED連接原理圖及實物圖
樹莓派GPIO引腳與LED連接原理圖及實物圖見圖3所示，圖3左側為原理圖，右側為樹莓派GPIO與LED連接實物圖，這里樹莓派GPIO使用Pin16物理引腳，其對應wiringPi編碼為4、BCM編碼為23，發光二極管選用直徑為5mm的紅色LED，其正向導通電壓一般在1.7V~2.2V之間，LED發光亮度可根據GPIO引腳驅動電流公式I≈(VH-1.8V)/R近似選取，式中 VH ≈3.3V為GPIO引腳高電平電壓，1.8V為LED正向導通時的額定電壓，注意樹莓派GPIO引腳最大驅動電流不要超過16mA；R為限流電阻，其值越小LED亮度越暗，這里限流電阻選用了1kΩ電阻，如果想增大LED亮度還可選用680Ω、220Ω等標稱電阻，樹莓派Pin16物理引腳(BCM GPIO 23)、Pin6物理引腳(GND)與1kΩ限流電阻及LED通過三根杜邦線連接，此處使用了兩端為母插頭的杜邦線，這樣可以省掉面包板，
2.安裝 onoff 模塊和socket.io庫
這里使用Node.js、socket.io編制Web服務器程式控制樹莓派的GPIO 介面，通過在Web頁面創建兩個開關按鈕來遠程控制連接到樹莓派GPIO介面上的LED 點的點亮或熄滅，
Socket.io是一個WebSocket庫，它包括客戶端的JavaScript和服務器端的Nodejs，其目標是構建能在不同瀏覽器、嵌入式設備及移動設備上使用的實時應用，它會自動根據瀏覽器從WebSocket、Ajax長輪詢、Iframe流標簽等方式中選擇最佳方式實作網路實時應用，
前面已安裝了樹莓派Node.js，接下來安裝 onoff 模塊、socket.io庫：
(1)安裝 onoff 模塊
~$ npm install onoff
(2)安裝socket.io庫
~$ npm install socket.io –save
安裝好Node.js、onoff模塊、socket.io庫后，我們就能從瀏覽器網頁控制Raspberry Pi的GPIO 介面了，
3.創建Web服務器檔案和HTML檔案
我們已經安裝了所有必需的包，現在可以創建Web服務器程式和HTML檔案了，建議將這些檔案放在同一目錄中，
首先創建一個HTML檔案，通過鍵入~$ nano index.html 命令來創建一個名為index.html檔案，輸入代碼如下：

<!--Filename: index.html-->
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta http-equiv="content-type" content="text/html" charset="UTF-8">
  <title>樹莓派GPIO介面的Web遠程控制</title>
</head>
<body>
    <h3>控制BCM編碼23引腳</h3>
    <button type="button" id="state" onclick="LEDOn()" style="background-color:green;"> LED燈點亮 </button>
    <button type="button" id="state" onclick="LEDOff()" style="background-color:red;"> LED燈熄滅 </button>
    <script src="https://cdn.bootcss.com/socket.io/2.0.3/socket.io.js"></script>
    <script>
        var socket = io.connect(); //load socket.io-client and connect to the host
        function LEDOn(){
            socket.emit("state", 1); //發送button打開LED狀態
        }
        function LEDOff(){
            socket.emit("state", 0); //發送button關閉LED狀態
        }
    </script>
</html>
</body>
</html>

接著，我們再創建一個Web服務器檔案，Node.js檔案將打開請求并回傳檔案的內容，如果出現錯誤，它將回傳404，通過鍵入~$ nano ledonoff_webserver.js命令創建一個名為名為ledonoff_webserver.js 的服務器檔案，輸入代碼如下：

//Filename: ledonoff_webserver.js
var Gpio = require('onoff').Gpio; //Require onoff to control GPIO
var LEDPin = new Gpio(23, 'out'); //Declare BCM Coding GPIO 23 an output
var fs = require('fs'); //Require filesystem to read html files
var http = require('http').createServer(function handler(req, res) {//Create server
  fs.readFile(__dirname + '/index.html', function (err, data) {//Read html file
    if (err) {
      res.writeHead(500);
      return res.end('Error loading socket.io.html');
    }
    res.writeHead(200);
    res.end(data);
  });
});
var io = require('socket.io')(http) //Require socket.io module and pass the http object
http.listen(3000); //Listen to port 3000
io.sockets.on('connection', function (socket) {// WebSocket Connection
  var buttonState = 0; //Variable to store button state
  socket.on('state', function (data) { //Get button state from client
    buttonState = data;
    if (buttonState != LEDPin.readSync()) { //Change LED state if button state is changed
      LEDPin.writeSync(buttonState); //Turn LED on or off
    }
  });
});

注意，對于圖3中的LED連接到GPIO.4(Pin16)引腳，要使用對應于圖2中的BCM編碼23引腳號，這樣我們就成功創建了Web服務器和HTML檔案，接下來，我們就可以運行Web服務器并通過Web頁面控制Raspberry Pi的GPIO 介面了，
在命令終端輸入以下命令啟動web服務器：
~$ node ledonoff_webserver.js
然后，我們可用連接WiFi的手機打開瀏覽器，使用“樹莓派的IP地址:3000”打開網頁，我使用的樹莓派IP地址是192.168.199.106，在手機瀏覽器中鍵入：http://192.168.199.106:3000，應該會在瀏覽器上看到 “LED燈點亮”和“LED燈熄滅”兩個按鈕(見圖4)，當按下手機瀏覽器中的“LED燈點亮”按鈕時，連接到樹莓派GPIO引腳的LED就會點亮(見圖5)；當按下 “LED燈熄滅”按鈕時，連接到樹莓派GPIO引腳的LED就會熄滅，
在這里插入圖片描述

圖4 手機瀏覽器遠程控制LED燈亮滅的操作界面
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圖5 按下圖4的 “LED燈點亮”按鈕，連接樹莓派的LED燈被點亮
在此基礎上，我們還可結合當代人工智能及機器學習演算法構建出豐富多彩的智能物聯網或智能萬維網應用平臺及應用產品原型系統，如利用樹莓派PWM（脈寬調制）信號和當代智能控制演算法開發電動機、機械臂的遠程智能控制創新應用等，
(作者Email聯系：yuanzywhu@163.com)
發布日期：2020年9月10日

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