用樹莓派打造環境監測器[03]：程式讀取感測器讀數、通知功能

Terrarium Sensor - This article is part of a series.

Part 1: 用樹莓派打造環境監測器[01]：樹莓派的硬體們

Part 2: 用樹莓派打造環境監測器[02]：無頭樹莓派，啟動

Part 3: This Article

Part 4: 用樹莓派打造環境監測器[04]：遺珠之憾系列

啟用 I2C 介面 #

樹莓派預設不啟用，但感光器和螢幕都會用到，需要先手動啟用。

$ sudo raspi-config 打開樹莓派系統設定 GUI，並參照下圖打開 I2C。

啟用後透過 $ ls /dev/i2c*，可發現 /dev 下多了兩個設備。

$ sudo i2cdetect -y 0 或 $ sudo i2cdetect -y 1：檢查在 I2C bus 上設備的位址，Rev 1 的 I2C bus 是使用 i2c-0；Rev 2 則是 i2c-1。

Python 開發環境設定 #

考慮到一台電腦內可能需要執行許多專案，專案所需的套件、套件版本、python 本身的版本都不盡相同。
若想要有便於管理的環境，最需要的工具有：

程式碼版本控制：使用 git，在安裝樹莓派作業系統時已經有內建
套件安裝的虛擬環境管理：Poetry
套件相依性管理：Poetry
Python 本身的版本管理：pyenv

安裝 Poetry、pyenv #

先跟著部落格文章第三、四章節安裝 Poetry + pyenv

延伸閱讀。選用 Poetry 的原因、使用相關的文章可以參考：

建立專案 #

跟著上述文章步驟安裝完後，執行 $ pyenv --version、$ poetry --version 確認是否安裝成功。

安裝成功後，照順序執行以下指令建立專案：

$ mkdir <project-name>：建立專案資料夾
$ cd ./<project-name>：移動到資料夾內
$ git init：初始化 git
$ pyenv install 3.10.10：安裝特定版本 python 到此電腦內，若已經透過 pyenv 安裝過則可省略此指令
$ pyenv local 3.10.10：指定 pyenv 以後在此資料夾內自動使用 3.10.10 的 python
$ poetry init：初始化 poetry，建立 pyproject.toml
修改 pyproject.toml：將 [tool.poetry.dependencies] 的 python 版本指定為 ^3.10.10
$ poetry env use 3.10.10：使 poetry 建立 3.10.10 的虛擬環境，相關內容在 .venv 資料夾內

執行完以上指令後，就能以 3.10.10 版本的 python 進行開發。
若是在自己電腦上開發，可以把程式碼 push 到 github 之後在樹莓派 pull 下來執行。
或是透過 SFTP 將整個專案資料夾直接傳到樹莓派內。
也可以透過 VS Code 的 Remote SSH 套件編輯樹莓派上的檔案。

git clone 已存在的專案 #

若是 $ git clone 已存在的專案，則只需要建立虛擬環境並安裝套件：

$ git clone <project-url>：使用 git 複製專案到本地
$ cd <project-name>：進入專案資料夾
$ pyenv install 3.10.10：安裝特定版本 python 到此電腦內，若已經透過 pyenv 安裝過則可省略此指令
$ pyenv local 3.10.10：指定 pyenv 以後在此資料夾內自動使用 3.10.10 的 python
$ poetry env use 3.10.10：使 poetry 建立 3.10.10 的虛擬環境，相關內容在 .venv 資料夾內
$ poetry shell：進入虛擬環境
$ poetry install：使 poetry 安裝套件

其他指令 #

$ poetry shell：進入虛擬環境，進入後才能使用 poetry 新增、移除套件，要離開則是輸入 $ exit
$ poetry add <module-name>：新增套件
$ poetry remove <module-name>：移除套件
$ poetry show --tree：列出安裝的套件
$ pyenv versions：列出已安裝的 python 版本
$ pyenv local：顯示目前專案使用的 python 版本
$ pyenv global：顯示目前全域使用的 python 版本

從 AM2302 取得溫濕度紀錄 #

使用 adafruit-circuitpython-dht 套件。

$ sudo apt-get install libgpiod2：安裝 adafruit-circuitpython-dht 套件的依賴
在專案資料夾內 $ poetry shell：進入虛擬環境
$ poetry add adafruit-circuitpython-dht：安裝需要的套件
新增 dht22_demo.py，取得溫濕度：
完整程式碼可參考 Github Repo

使用的是 BCM 腳位，而不是實體腳位。
例如我使用的 GPIO 6 對應的實體腳位是 31。

dhtDevice = adafruit_dht.DHT22(board.D6) # 使用 BCM 腳位
try:
    temperatureC = dhtDevice.temperature
    temperatureF = temperatureC * (9 / 5) + 32
    humidity = dhtDevice.humidity
    print(
        "Temp: {:.1f} F / {:.1f} C    Humidity: {}% ".format(
            temperatureF, temperatureC, humidity
        )
    )
except RuntimeError as error:
    # DHT22 很容易噴各種錯誤，發生錯誤時過一段時間再重試即可
    print(error.args[0])
finally:
    dhtDevice.exit()

在虛擬環境下，執行 $ python dht22_demo.py 就會在終端顯示溫濕度

從 GY30 取得光度紀錄 #

在專案資料夾內 $ poetry shell：進入虛擬環境
$ poetry add smbus2 RPi.GPIO：安裝需要的套件
新增 bh1750_demo.py，取得溫濕度：
完整程式碼可參考 Github Repo

class BH1750:
    def __init__(self) -> None:
        # 參考下面註腳圖一
        # 預設 I2C 位址
        # ADDR 腳位在低電位時是 0x23
        # 高電位時是 0x5C
        self.DEVICE      = 0x23

        # 參考下面註腳圖二
        # 想要讀取的 bh1750 register 地址
        # 不同地址有不同解析度
        # 在讀取後會設定成 Power Down mode
        self.ONE_TIME_HIGH_RES_MODE_1 = 0x20

    # 參考下面註腳圖三
    # 感測器採取 Big-Endian，最高有效位數放在記憶體最低位 data[0]
    # 將高位數字乘以 256，可以當作位元運算，將高位數左移八位
    # 除以 1.2 是感測器設定的 Measurement Accuracy
    # 若使用解析度為 0.5 lx 的模式
    # 最低有效位數代表的是 2^-1，算法就會不一樣
    def convertToNumber(self,data):
        result=(data[1] + (256 * data[0])) / 1.2
        return(result)

    # 從 I2C bus 讀取 16 bit 的數據
    def readLight(self,addr=None):
        if addr is None:
            addr = self.DEVICE
        # read_i2c_block_data(i2c_addr, register, length)
        data = self.bus.read_i2c_block_data(addr, self.ONE_TIME_HIGH_RES_MODE_1, 16)
        return self.convertToNumber(data)

    def destroy():
        GPIO.cleanup()

bh1750 = BH1750()
lightLevel = bh1750.readLight()
print("BH1750 Light Level :" + format(lightLevel, '.2f') + "lx")
bh1750.destroy()

在虛擬環境下，執行 $ python bh1750_demo.py 就會在終端顯示光度

圖一、BH1750 在 I2C bus 上的位址 ¹
圖二、BH1750 register 位址 ²
圖三、BH1750 高解析度模式 ³

控制 LCD display #

在專案資料夾內 $ poetry shell：進入虛擬環境
$ poetry add RPLCD：安裝需要的套件
新增 lcd_demo.py，控制螢幕顯示：
完整程式碼可參考 Github Repo

lcd = i2c.CharLCD('PCF8574', 0x27, port=1, charmap='A00', cols=20, rows=4)

lcd.write_string('Hello world')
lcd.crlf()
lcd.write_string('IoT with Torai')
lcd.crlf()
lcd.write_string('Raspberry Pi')
sleep(5)
lcd.backlight_enabled = False 
lcd.close(clear=True)

在虛擬環境下，執行 $ python lcd_demo.py 就會在螢幕顯示訊息

時間對溫濕度的紀錄圖 #

將資料上傳到 ThingSpeak，可以在網頁上瀏覽他們的圖表。
apiKey 是比較私密的資料，透過 dotfile 來存取。
也要設定 .gitignore 避免被 git 記住。

import os
from datetime import datetime
import requests

apiKey = os.getenv('THING_SPEAK_API_KEY')
temp = "26 C"
humidity = "15 %"
lightLevel = "1500 lux"
requests.get(f"https://api.thingspeak.com/update?api_key={apiKey}&field1={temp}&field2={humidity}&field3={lightLevel}")