在树莓派上搭建VPN、网络服务器和HC SR04超声波距离传感器

描述

没有静态IP？没问题。一步一步，我们将在树莓派上搭建VPN、网络服务器和HC-SR04超声波距离传感器。

最终效果演示

所需的硬件和软件

• 树莓派与 Raspbian
• HC-SR04超声波距离传感器
• 3x 1kΩ 电阻器（或 1x1kΩ 1x2kΩ）
• 电缆
• Husarnet VPN
• 阿帕奇
• RPi.GPIO Python 库
• jQuery（获取 jQuery CDN 的链接）

我正在安装大部分软件。

如果觉得本教程中的代码片段难以阅读，请查看本文的 Github 版本（它们的片段格式更好，支持更多语言）。存储库链接在此文本的底部。

组装电路

 

如您所见，我们需要使用一些电阻来降低电压，因为高于 3.3V 的电压可能会损坏 RPi，传感器将无法正常工作。

Husarnet VPN

我们的目标是能够从任何地方读取数据，因此我们现在需要设置 VPN。该解决方案更安全，因为我们不会将设备暴露在开放的互联网流量中。

我假设您已经在https://husarnet.com/ 创建了一个帐户。

如果是这样，让我们​​创建一个网络并添加我们的设备。

1.在 RPi 以及其他设备（例如您的计算机）上安装 Husarnet 客户端，以便您稍后可以显示该网站。要安装客户端，请使用以下命令：

curl https://install.husarnet.com/install.sh | sudo bash

安装过程完成后，建议重启Husarnet：

sudo systemctl restart husarnet

2.登录https://app.husarnet.com/，点击创建网络，成功完成该过程后，在网络面板中点击添加元素。

3.点击后会弹出一个菜单。如您所见，有很多选项可用于将设备添加到网络。其中最普遍的是使用*加入代码*。复制它并继续到 RPi 上的命令行。

sudo husarnet join  

设置易于记忆的设备名称是个好主意，因为您以后可以使用它们而不是长而难看的 IPv6 地址。

4. 对要添加到网络的所有其他设备执行相同操作。

成功配置的网络应该与此类似：

 

您现在可以通过 ping 设备来测试您的网络是否正常工作。

例如，在我的笔记本电脑设备上，我会运行：

ping6 -c 5 rasp

向rasp发送 5 个 ping 。

传感器软件

所有代码都可以在本页底部列出的我的存储库中找到。

在开始编写代码之前，我们需要安装 RPi.GPIO。这非常简单：

pip3 install RPi.GPIO

互联网上有很多可用于 HC-SR04 的代码示例。

在本例中，我们将使用以下 python3 程序：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
TRIG = 23
ECHO =24

GPIO.setup(TRIG, GPIO.OUT)
GPIO.setup(ECHO, GPIO.IN)
file = '/var/www/html/data.txt'

try:
while True:
    GPIO.output(TRIG,False)
    time.sleep(0.1)
    GPIO.output(TRIG, True)
    time.sleep(0.0001)
    GPIO.output(TRIG, False)

    while GPIO.input(ECHO) == 0:
        pulse_start = time.time()

    while GPIO.input(ECHO) == 1:
        pulse_end = time.time()

    pulse_duration = pulse_end - pulse_start
    dist = pulse_duration * 17150
    dist = round(dist, 2)

    print("distance:", dist, end='\r', flush=True)
    with open(file,'w') as f:
        f.write(str(dist))

except KeyboardInterrupt:
    print("cleanup")
    GPIO.cleanup()

我强烈建议你玩一下 first 的持续时间，time.sleep这样你的刷新率就不错了，而且你不会遇到很多错误。对我来说，~10Hz 的刷新率非常好。

如您所见，我们只是将计算出的距离保存在 Apache 目录中的 .txt 文件中。这是迄今为止我能想到的访问传感器数据的最简单方法，而无需编写精美的后端服务。

要在 Raspberry Pi 上安装和启用 Apache，请执行以下操作：

sudo apt update
sudo apt install apache2 -y

安装后，您可以重新启动 Apache 以确保服务正常运行：

sudo service apache2 restart

执行类似的命令

curl localhost

应该会得到默认的 Apache index.html 页面。

网站

现在我们有了一个可以从中获取数据的工作界面，我们可以继续将其呈现给用户。为此，我们需要 jQuery 和一些基本的 CSS/JS。

检索传感器数据

让我们从从文本文件中动态提取数据开始。假设我们将每秒刷新一次数据。

<script>
    var hostname = document.location.origin;
    var interval = 100; // it's reasonable to set this to the same value as the refresh rate of the sensor
    function get_data() {
        $.ajax({
            url: hostname+"/data.txt",
            type: "GET",
            dataType : "text",
            success: function(data){
                d = document.getElementById('sensor-data');
                d.innerHTML = data;
                bar.set_value(data);
            setTimeout(function(){
            get_data();
            }, interval);
            }
        });
    }
get_data();
script>

我们正在使用 AJAX，它是 jQuery 库的一个组件，用于动态请求和刷新数据，而无需重新加载页面。现在，不要担心从 geElementById 开始的三行，我们稍后会谈到。

我们的函数 get_data 只是向```/data.txt``` 发出请求，这是我们传感器数据的目录。```setTimeout``` 构造设置了一个早先定义的间隔（100ms），之后整个函数逻辑被重复。

显示数据

现在让我们绘制一个进度条。我们将从定义 3 个 div 开始。

<div class="progress-bar">
    <div class="result" id ="sensor-data">div>
    <div class = "progress-bar-fill">div>
div>

我们将快速对其进行样式设置，以便将数据很好地呈现给用户（最后将 css 移动到外部文件中）。

<style>
.progress-bar{
    width: 100%;
    height: 200px;
    border: 1px solid black;
    position: relative;
}
.progress-bar-fill{
    height: 100%;
    background: lightblue;
    transition: width 0.5s;
}
.result{
    position: absolute;
    width: 100%;
    height: 100%;
    display: flex;
    align-items: center;
    justify-content: center;
    font-weight: bold;
    font-size: 40px;
    font-family: sans-serif;
}
style>

我们现在需要编写一些 Javascript 代码来改变进度条填充 div 的长度。长话短说，我们要更改宽度样式参数（值从 0-100%）。

为此，我们将编写一个名为 ProgressBar 的类（当然是在脚本标签内）。

class ProgressBar{
    constructor(element, intial_value){
        this.value_elem = element.querySelector('.result');
        this.fill_elem = element.querySelector('.progress-bar-fill');
        this.set_value(intial_value);
    }
    set_value(new_value){
        this.value_scaled = new_value * 0.25; //100% of the bar is now 400cm, scaled for better visibility
        //0.25=100% * 1/400
        this.value = new_value;
        if (this.value_scaled < 0) {
            this.value_scaled = 0;
        }
        if (this.value_scaled > 100) {
            this.value_scaled = 100;
        }
        this.update();
    }
    update(){
        const percentage = this.value_scaled + '%';
        this.fill_elem.style.width = percentage;
        this.value_elem.textContent = this.value + 'cm';
    }
}
bar = new ProgressBar(document.querySelector('.progress-bar'), 200);

此类的构造函数将样式元素 (*progress-bar-fill* div) 和初始进度条值作为参数。初始值并不重要，因为它会立即被我们的代码更改。

如果您仔细观察，您会注意到我已经初始化了 ProgressBar 类 ( bar ) 的一个实例。这与之前的片段之一（在get_data函数内）中出现的变量相同。

我们的类有两个方法。第一个是 set_value ，它将以厘米为单位的距离缩放为 % (0-100)。我选择将值缩放到 400cm，即 100%，但理论上你可以一直到 4000cm，因为这是 HC-SR04 的最大范围。第二种方法是更新。这设置了我们 div 的实际宽度。

距离限制

现在让我们通过添加一些动态功能来增强我们的网站 - 浏览器选项卡中的通知和可调整的阈值，它将确定我们是否距离传感器足够远。

首先，我们应该在文档中添加几个 div（就在 *progress-bar* 下方）：

<div style="margin-top: 200px; width: 100%; text-align: center">
    

id="info"> Threshold slider

我还设置了 div 的样式，以便它们在网站上看起来更好。

为避免代码混乱，我们应该拆分文件。创建一个名为style的目录，并在该目录中创建一个文件 slider.css。这是slider.css的代码：

.slidecontainer {
    width: 100%;
}
.slider {
    -webkit-appearance: none;
    appearance: none;
    width: 100%;
    height: 25px;
    background: #d3d3d3;
    outline: none;
    opacity: 0.7;
    -webkit-transition: .2s;
    transition: opacity .2s;
}
.slider:hover {
    opacity: 1;
}
.slider::-webkit-slider-thumb {
    -webkit-appearance: none;
    appearance: none;
    width: 25px;
    height: 25px;
    background: #4CAF50;
    cursor: pointer;
}
.slider::-moz-range-thumb {
    width: 25px;
    height: 25px;
    background: #4CAF50;
    cursor: pointer;
}

为了使滑块工作，我们需要添加一些用于动态更新的 Javascript。

var slider = document.getElementById("myRange");
var output = document.getElementById("slider-value");
// Display the default slider value
output.innerHTML = "Current threshold value: " + slider.value*4 + "cm";
// Update the current value
slider.oninput = function() {
    output.innerHTML = "Current threshold value: " + this.value*4 + "cm";
}

我在bar（提醒：存储库的源文件中提供完整代码）的初始化下添加了此代码。

好的，还有一件事要做 - 浏览器标签通知。在浏览器的顶部，在我们的网站选项卡中，我们希望有类似的内容：favicon:(distance) Page title 。

要实现动态favicon的效果，我们需要编写一个Javascript函数：

function set_favicon(happy) {
    icon = 'img/happy.ico';
    if (!happy){
    icon = 'img/angry.ico';
}

var link = document.createElement('link');
var old_link = document.getElementById('favicon');

link.id = 'favicon';
link.rel = 'icon';
link.href = icon;

if (old_link){
    document.head.removeChild(old_link);
}

document.head.appendChild(link);
}

我们将有两个可能的网站图标 - 愤怒和快乐（由快乐参数确定）。

您可以从我的存储库下载图标。如您所见，我在/var/www/htmlimg 中创建了一个新目录，用于存储图标。代码非常简单——我们确定要使用哪个图标，我们创建一个链接元素，检查一个是否已经存在并用一个新的替换它。

我们现在需要回到我们的好老朋友那里get_data做一些调整：

function get_data() {
    $.ajax({
        url: hostname+"/data.txt",
        type: "GET",
        dataType : "text",
        success: function(data){
        d = document.getElementById('sensor-data');
        d.innerHTML = data;
        bar.set_value(data);
//changes start here
        if (slider.value*4 > data){
            document.getElementById('info').innerHTML = "Move away";
            document.getElementById('bar-fill').style.backgroundColor = "red";
            set_favicon(false);
        } else{
            document.getElementById('info').innerHTML = "OK";
            document.getElementById('bar-fill').style.backgroundColor = "#4CAF50";
        set_favicon(true);
        }
        setTimeout(function(){
            get_data();
        }, interval);
    }
    });
}

if 语句确定是否超过了阈值，并取决于我们是否被通知（通过一个愤怒的表情符号和一个微妙的后退提示）我们离得太近或被告知我们的距离是合适的。

滑块值乘以 4，因为滑块被设计为具有 0-100 的值（有点像进度条），如前所述，我已确定 400 厘米为最大范围。

最后一点：这是可选的，但看起来很酷——让我们让进度条在超过阈值时改变颜色。这只是两行代码（上面的片段）。

就是这样！

我们现在可以测试我们的网站了。再一次，所有放在一个文件中的 HTML/JS 片段都可以在存储库中使用（get.html文件，记得将其复制到/var/www/html目录）。

在您的 RPi 上，运行读取传感器数据的 python 脚本。在脚本所在的目录中运行：

sudo python3 script.py

现在您可以在您的计算机上打开该网站 -

我们去吧！