土砲自製 ---- 我的溫度記錄站

這次實做的作品是「我的溫度記錄站」，使用的硬體是樹莓派、Arduio與DHT22溫度感測器。記錄站的功能是偵測溫度、顯示溫度與記錄溫度，同時樹莓派內也運行一個小網站，可以用來查詢溫度的記錄。在本文寫成時間，可以從這裡(163.30.47.6)連到樹莓派，查詢溫度記錄(不保証長久運行)。

在今年暑假中，複習兼學習一些動態網頁的技術。偶爾也在思考，動態網頁與實體互動能做出什麼？另外，之前買的樹莓派都還沒好好利用，一直覺得有點可惜。這些因素加起來，就產生了製作一個溫度記錄站的想法。

一開始有點小看這個點子，想說一兩個星期就可以做出，沒想到做了將近一個半月的時間才完成。

下圖是完成後的樣子(呃…很土砲吧)

使用到的硬體如下圖說明， 除了樹莓派2、Arduino、DHT溫度感測器以外，還有使用一個84x48的單色液晶(PCD8544)，與兩個按鈕。

因為使用到樹莓派，所以也會提到使用的軟體。這次的實作有將近8成的時間都在程式的編寫上。樹莓派可以使用到廣大linux與open source的資源。所以這次的作品有的程式部分佔很大，有讀取arduino的程式、控制液晶的程式、使用按鈕開關的程式、有Web伺服器、動態網頁、還有記錄溫度資料庫的記錄與查詢，而且要把這些都整合起來實現記錄站的功能，算是一個不小的挑戰。雖然過程很辛苦，一直在寫code，一直換不同的context，主程式一直修修改改，真的很辛苦，不過換來的是滿滿的充實感。

整個作品的軟硬體架構概念圖如下：

在中間製做時，因為時間不多，常常要把作品白天帶到學校，晚上帶回家，所以就想找個架子方便實作。之前看到我家小孩的槌子玩具，覺得很適合，而且還有洞洞，到時方便穿線與理線，實在是Maker理想中的框體啊(…不要理我)

下圖是使用的木架與積木：

放上麵包板與Arduino

 簡單的用泡棉膠固定

做出溫度記錄站的初步樣子

首先是關鍵的測量溫度感測器，之前有買個DHT11的溫溼度感測器，不過因為比較便宜且溫度的精確度只能到整數位，覺得不理想，所以就找了DHT22，溫度方面可以測到小數一位。(作品以溫度為主，故不做溼度記錄)，下圖是DHT22

再來是DHT22感測器的連接，有找到DHT22以樹莓派直接讀取溫度的作法，不過因為想要結合原有Arduino的資源，也想練一練Serial通訊的程式，所以就決定將DHT22接在Arduino上。

這邊也有個小插曲，原本使用的是Arduino Nano(買來一直沒用過)，但是在過程中，會偶會找不到USB serial，必需重插USB。尤其是每次樹莓派開機後都會遇到，由於主程式是要開機自動執行，為了這個卡了一陣子，後來發現換成Arduino UNO後，USB serial的連線就很穩定了。

Arduino會每2秒就送出包含感應值的字串，準備送出資料給樹莓派。網路上查資料時，有說DHT22是很慢的感應器，每2秒讀取已是極限，在後來的實作測試也發現，DHT22的溫度升或降都很慢(用吹風機吹過的結論)，不過空氣溫度的感測多是長期的，所以還OK，需要靈敏溫度變化的，就要另找適合的感測器了。
下圖是Arduino經由serial連接埠送出的資料

接著是使用一個小螢幕的單色液晶顯示溫度。其實記錄站可以不做這個部份，但是如果都只是用網路，而當場看不到溫度資料，實在很沒有Maker的Feeling，所以還是決定要來實作這個部份。

選用的單色液晶是PCD8544，早期Nokia的手機曾經使用過，大小是84x48點。

下圖是買來時找到的例子，在液晶上顯示系統資訊。不過必需以C語言來寫，且因為我偷懶，買的是免焊直接使用的模組，後來發液晶現腳位被固定，只能使用軟體SPI，無法使用樹莓派的硬體SPI，一開始還好，但是主程式寫到後來，常會有液晶畫面更新來不及或錯位的情形，而且這個液晶模組可以直接插在樹莓派上，但是也佔用了許多未用針腳位置(實際上不需那麼多)。所以有時得與失真的很難說，尤其是網路購買零件，有些情形要買了才知道。

                                      

一開始在研究這個液晶時，也有練習用bitmap的圖(單色黑白圖)，把圖案畫在液晶。

下面兩個照片是記錄站主程式開機時的Logo：

原有的PCD8544程式庫，因為是外國網友寫的，所以文字方面只能使用ASCII的字元，無法顯示中文。另一個問題是我的主程式預計要用Python來寫，而這個程式庫是C語言的。

別人沒有義務要幫你解決問題，有找到現成的程式很感謝，沒有的話，就要想辦法靠自己動手來解決。尤其是中文支援。

為了解決這兩個問題，花了時間研究如何把C語言經過包裝(Wrap)，變成可以讓Python使用的模組。而中文的顯示，則是想找到以前的點陣字型(…遙想當年的倚天中文系統)，後來找到比較適合的是Unifont的字體，有完整的unicode點陣字型，中間又產生了一個問題，就是字型無法太大，無法直接放在程式裡，所以又花了時間找了Kyotocabinet這個DBM來存取字型。

這部分也花了不少時間，終於成功在單色液晶，成功的顯示出中文(也可以日文韓文)，由於中文字型比起英文來大得多，在小小的液晶上，中文只能顯示出一行5個字，最多3行，但是成功的喜悅一直持續了好幾天。這下我的溫度記錄站液晶就可以有中文了。下圖是顯示Unifont字型的畫面。

作品做到一半時，覺得要有一個實體的記錄動作開始的方法，所以又加上按鈕開關( 這個不是一般的按鈕，可是我今年參加噗浪客時抽到的哦！)

因為主程式在樹莓派，所以考慮過後，還是把按鈕接在樹莓派的GPIO上，然後透過WiringPi的程式庫來讀取按鈕資訊。

本來開關只有一個，後來想說要有選擇(Select)與確定(Set)的功能，所以最後的版本就變成了兩個。

(左邊的功能是選擇鈕，右邊的功能是設定鈕)

在經過不斷寫code、測試、加新功能的迴圈。最後完成的液晶選單畫面

分為多種模式。模式可由選擇鈕做切換。

下圖是主要的溫度模式，在溫度模式上可以看到目前的溫度，而且按下設定鈕後，就可以進行溫度記錄的功能

這是記錄溫度的下一個動作，先選擇記錄的地點(地點資訊來自sqlite3資料庫，可由網頁上更改)

再來是網路模式，我的樹莓派有兩個網路介面，一個Wifi，一個是實體網路，
因為在實作的過程中，在學校與家裡的網路環境不同，再加上實際運作時，也
需要網路資訊，所以就做了這個顯示模式

再來是目前時間模式，記錄站做到後來，發現時間的因素很重要，而因為樹莓派沒有電池，所以無法記憶時間，而且我的GPIO針腳已沒有位置，也無法再裝RTC時鐘模組了
(這是自己偷懶的藉口)，

那時間要怎麼辦？為什麼之前使用時，時間都沒有問題。原來當樹莓派連接網際網路時，就會自動進行網路校時，所以之前都沒有感覺，直到有一次，把兩個網卡都設為內部網路時，才發現記錄的時間不對了。也因為這個原因，溫度記錄站的環境就必需要連接上網路，才能有正確的時間。

為了確認系統時間，所以才會做了這個時間模式。

再來是開機時間模式，這個模式是顯示樹莓派的開機時間，預計溫度的記錄都是長期的，所以有了這個，可以知道樹莓派已運行了多久。

最後是系統模式，可以將樹莓派重新啟動或關機，這樣就可以不需網路只靠按鈕，把記錄站做重啟或關機動作。

再來是溫度資料的記錄與查詢，樹莓派裡運行了一個Linux OS，所以可以在裡面加一個小網站，來做資料查詢。

我選用的Web伺服器是nginx，動態網頁的框架是用Django (Python based)。

下面是首頁的選單，有三個功能。

第一個功能是記錄清單，可以查到不同批次的記錄，每一批次都會記錄開始與結束時間、週期，與記錄筆數

每一批次的記錄，還可以再看詳細的溫度資料，動態網頁會將資料送出，經由Chart.js這個javascript的程式庫來畫出。

由於太多資料會變得很擠，所以也做了分頁的功能。

首頁的第二個功能是記錄站資料。
會有這個功能，是因為後來測試時，發現當記錄站不在視線範圍時，就看不到液晶上的即時溫度，而且也不知主程式是否還在運行，所以實做這個功能，可以從遠端看到記錄站的重要資訊。像是目前溫度、目前時間、開機時間、主程式狀態、目前是否正在記錄中。

另外，如果是正在記錄中，也可以看到最新的溫度圖表(這個最新頁面會每10秒自動刷新)

除了記錄溫度以外，後來也加上記錄地點，與記錄週期，這些文字資料都無法透過按鈕開關來輸入，所以就做了一個網站管理的功能，這個功能可以對資料庫的資料作修改或刪除的動作，這樣就可以新增不同的記錄地點與週期。

在實作上網站管理是使用Django本身的admin管理介面，這個功能由於權限太大，所以有帳號密碼做為保護。

下圖是改變記錄地點的畫面

經過了這麼多的努力，終於可以來實測看看，第一個實測的地點是學校的機房。

機房內有兩台冷氣在輪流吹，以保持溫度不過高。

找個空位放我的溫度記錄站。

另一個角度拍照。

機房的溫度記錄了兩天，都是約19~22度之間

經過測試，室內的溫度都比較穩定，難怪人要住在房子裡(…不要罵我)

那來做個室外的溫度記錄看看吧。

由於室外環境會較不方便，且通常要讓感測器放到本體以外的地方，所以先把DHT22做一些延長

有了延長的DHT22，這樣配置起來就比較有彈性了

選定的地點是學校第三棟的一樓走廊，因為走廊上方剛好有個機櫃，所以網路與電力就不成問題。

下圖是將記錄站放進機櫃的照片，照片上的人是辦公室裡，坐我對面的同事，感謝他的協助，常常給我作品的建議，也常常聽我的進度報告。(可千萬別害怕坐我對面啊)

機櫃的內部，加上記錄站就變得很擁擠

記錄站在機櫃裡，但是感測器可不行，不然就跟室內溫度情況相似了(歹命的DHT22，要在外面吹風)，把延長後的感測器，固定在機櫃外面。

下圖是機櫃關起來的樣子(記錄站在裡面要乖乖的啊)

這一張是從走廊上拍的(當旁邊有同事經過時，都要特別解釋這不是攝影機)

下圖是撰文時，所測得的室外溫度變化，從下午13:55到晚上21:05，溫度由23.8，一路降到20度的頁面。

結語：

這個作品在實作之前及實作過程中，都不斷的在反思與詢問別人，這個作品的意義是什麼，會有趣嗎？

溫度的值看起來沒什麼，變化趨勢大概也都可以預期，不過我們大多的氣象資訊都是來自媒體或網路，當我想要真正知道當下環境的溫度與變化時，這個作品就有了價值。

另外，雖然做的時間很長很累，但是無論如何還是要把過程做個記錄，因為這個作品也有自造、自我學習、自我實現的價值在裡面。即使成品看起來不酷，但是由於經歷了每一個過程，解決一個又一個的問題，讓我又再次感受到當一個Maker的美好過程！(回憶總會經過美化的)