一、项目介绍
本实验通过 DHT11 模块测量大气中温湿度，利用树莓派多功能的用途，将温湿度测量结果显示到网页，并包含历史数据、实时折线图表示。
二、 实验介绍
1. 实验原材料
树莓派 Raspberry 4 Model B，DHT11 v1.3，电阻，杜邦线，面包板。
2. 流程图
三、硬件部分
DHT11 传感器实验相关知识
1.1 DHT11引脚说明
下图为GPIO引脚对照表
本次实验使用的DHT11有3个引脚：VCC、DATA、GND。
VCC接 5V PIN 02；DATA接 PIN 08；GND接地 PIN 06。
硬件连接图如下：右上角40引脚的2、6、8所连的三条线为DHT11所连的线。下面的13、14引脚所连的线为温度阈值报警小灯所用（此为附加功能所用）。
1.2 外设读取步骤
主机和从机之间的通信可通过如下几个步骤完成(（外设（如微处理器）读取DHT11的数据的步骤）。
步骤一:
DHT11上电后（DHT11上电后要等待1S以越过不稳定状态在此期间不能发送任何指令），测试环境温湿度数据，并记录数据，同时DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平;此时DHT11的DATA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。
步骤二:
微处理器的I/O设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms(最大不得超过30ms），然后微处理器的I/O设置为输入状态，由于上拉电阻，微处理器的I/O即DHT11的DATA数据线也随之变高，等待DHT11作出回答信号。发送信号如下图所示: 
步骤三:
DHT11的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后DHT11的 DATA引脚处于输出状态，输出83微秒的低电平作为应答信号，紧接着输出87微秒的高电平通知 外设准备接收数据，微处理器的I/O此时处于输入状态，检测到I/O有低电平（DHT11回应信号） 后，等待87微秒的高电平后的数据接收，发送信号下图所示：
步骤四:
由DHT11的DATA引脚输出40位数据，微处理器根据I/O电平的变化接收40位数据，位数据 “0”的格式为：54微秒的低电平和23-27微秒的高电平，位数据“1”的格式为：54微秒的低 电平加68-74微秒的高电平。位数据“0”、“1”格式信号如下图所示：
结束信号：
DHT11的DATA引脚输出40位数据后，继续输出低电平54微秒后转为输入状态，由于上拉电 阻随之变为高电平。但DHT11内部重测环境温湿度数据，并记录数据，等待外部信号的到来。
1.3. DHT11单总线传送数据位定义
DATA 用于微处理器与 DHT11 之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次传送 40 位数据，高位先出。
数据格式：
8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验位，其中湿度小数部分为 0
示例一：接收到的40位数据为：
0011 0101 / 0000 0000 / 0001 1000 / 0000 0100 / 0101 0001
湿度高8位 / 湿度低8位 / 温度高8位 / 温度低8位 / 校验位
计算：
00110101+00000000+00011000+00000100=01010001
接收数据正确：
湿度：00110101(整数)=35H=53%RH00000000(小数)=00H=0.0%RH=>53%RH+0.0%RH=53.0%RH
温度：00011000(整数)=18H=24℃00000100(小数)=04H=0.4℃=>24℃+0.4℃=24.4℃
实验中dht11.py所读取的温度显示为整数，欲将其变为带有一位小数的输出，只需将return值处理一下，将温度的小数部分the_bytes[3]加上就可以了
return DHT11Result(DHT11Result.ERR_NO_ERROR, the_bytes[2]+float(the_bytes[3])/10, the_bytes[0])
四、软件部分
1. 设计流程
相关参数调用关系
本实验中参数调用主要围绕app.py文件进行，app.py运行后，首先读取dht11读取到的当前温湿度参数，把参数存到数据库中，创建数组调用数据生成折线图。生成的图片通过存到对应路径上。html文件调用路径上存的文件显示到网页上，同时调用style.css文件进行网页美化。
文件夹路径关系：
主文件app.py位于WebServer文件夹
第三级目录中：
templates用于放html文件；
statics用于存放,css文件和其他的图片（可自选，例如背景图、温度湿度曲线图等便于调用）；
history用于放dht11.py文件（因为我的树莓派B4无法使用Adafruit库，所以是使用硬件直接读取温湿度数据的。）
2. 树莓派学习笔记
树莓派相关下载过程此处不再赘述，这里只总结一些我在实验中遇到的问题以及解决的方法。
- SSH 远程连接树莓派 使用SSH远程连接后，可以在另外一台PC机上操控树莓派
这个问题的出现的很普遍，因为大家对这个操作平台都还不是很熟悉，这个问题出现的原因是树莓派 SSH 服务没有打开，在树莓派桌面左上角树莓派图标上单击-> Preferences-> Raspberry Pi Configuration-> Interfaces -> SSH Enabled 选中 -> OK，重启PUTTY就可以解决了。 - 树莓派远程桌面 在实现远程连接时，要保证两个设备处在同一个网络中。 而且要确认好目前设备开的端口是哪一个，树莓派的IP地址是哪一个，确定好了才可以连接。
3. 代码程序报错记录
在运行这几个py文件时，遇到的几个主要的报错以及出现原因、处理方法如下：
- 报错：SyntaxError: invalid syntax
这句话的意思是Python代码语法有问题。Python对语法的要求非常严格，有时候代码是网上直接找来复制粘贴的，就有可能导致明明看上去没错，但就一直报语法错误，可以尝试清空格式后重新输入一遍。
另外需要注意的是Python2和Python3的语法有区别，比如Python2的print后面不用加括号，而Python3中就会报错。 - 报错：ModuleNotFoundError: No module named 'Adafruit_DHT’
“import Adafruit_DHT ”语句错误，提示找不到Adafruit_DHT模块，但是在terminal里输入“import Adafruit_DHT”不报错，并且已经下载了相关库。可能是python版本的问题，先明确你运行程序时使用的是哪个Python版本。
使用的是Python2使用的语句是：sudo pip install Adafruit_Python_DHT； sudo python setup.py install，
但使用的是Python3使用的语句是：sudo pip3 install Adafruit_Python_DHT； sudo python3 setup.py install
注意一定要用pip3！ - 报错：ImportError: cannot import name ‘Beaglebone_Black_Driver’ from 'Adafruit_DHT’
通过报错信息，发现是库中的common.py里引用get_platform有问题，再去platform_detect.py里查看发现树莓派的版本定义里没有4B，由于我们使用的是4B树莓派，所以导致返回了None
解决：出现这个原因是AdaFruit不再更新这个旧的Adafruit_DHT库，所以里面没有更新树莓派4B对应的cpu。有两种解决方法，使用这个传感器的新库“Adafruit_CircuitPython_DHT”，或者在你原来的Adadruit_DHT库中自己手动更新，具体操作如下：
（1）找到Adafruit_DHT文件夹， “/usr/local/lib/python3.7/dist-packages/Adafruit_DHT/”，
（2）打开文件夹里的platform_detect.py文件，可以看到把下面这两行代码添加到最后。
其中BCM2711是树莓派4B的CPU，它是四核Cortex-A72 64位。其它的BCMxxxx是其它树莓派版本的CPU。 - Adafruit库无法使用
在根据讲义下载DHT库Adafruit库时，下载到的库中缺少Raspberry_Pi_2driver.py文件，导致执行DHT11_test测试文件时就没能读出数据，经过原因排查和多次下载，我们推断猜测可能是因为树莓派的问题，因为我们使用的是树莓派B4，可能是版本更新了的问题。
对此我们的解决方案是：不使用Adafruit读取温湿度数据，而是用我们之前用过的DHT11.py文件进行读取，这个文件是通过GPIO端口直接读取数据的，并具有CRC纠检错功能，足够实验的功能实现。
实际操作：WebServer文件夹下添加新文件夹：library，将dht11.py文件放在其中作调用功能，并在app.py文件加调用语言from library import dht11，将接下来的变量名重置。
4. 代码
基础功能的代码：使用dht11.py读取温度后，将温湿度显示到网页上。
（1）数据读取部分dht11.py
用于通过传感器读取数据的文件
import time
import RPi
class DHT11Result:
'DHT11 sensor result returned by DHT11.read() method'
ERR_NO_ERROR = 0
ERR_MISSING_DATA = 1
ERR_CRC = 2
error_code = ERR_NO_ERROR
temperature = -1
humidity = -1
def __init__(self, error_code, temperature, humidity):
self.error_code = error_code
self.temperature = temperature
self.humidity = humidity
def is_valid(self):
return self.error_code == DHT11Result.ERR_NO_ERROR
class DHT11:
'DHT11 sensor reader class for Raspberry'
__pin = 0
def __init__(self, pin):
self.__pin = pin
def read(self):
RPi.GPIO.setup(self.__pin, RPi.GPIO.OUT)
# send initial high
self.__send_and_sleep(RPi.GPIO.HIGH, 0.05)
# pull down to low
self.__send_and_sleep(RPi.GPIO.LOW, 0.02)
# change to input using pull up
RPi.GPIO.setup(self.__pin, RPi.GPIO.IN, RPi.GPIO.PUD_UP)
# collect data into an array
data = self.__collect_input()
# parse lengths of all data pull up periods
pull_up_lengths = self.__parse_data_pull_up_lengths(data)
# if bit count mismatch, return error (4 byte data + 1 byte checksum)
if len(pull_up_lengths) != 40:
return DHT11Result(DHT11Result.ERR_MISSING_DATA, 0, 0)
# calculate bits from lengths of the pull up periods
bits = self.__calculate_bits(pull_up_lengths)
# we have the bits, calculate bytes
the_bytes = self.__bits_to_bytes(bits)
# calculate checksum and check
checksum = self.__calculate_checksum(the_bytes)
if the_bytes[4] != checksum:
return DHT11Result(DHT11Result.ERR_CRC, 0, 0)
# ok, we have valid data, return it
return DHT11Result(DHT11Result.ERR_NO_ERROR, the_bytes[2]+float(the_bytes[3])/10, the_bytes[0]+float(the_bytes[1])/10)
def __send_and_sleep(self, output, sleep):
RPi.GPIO.output(self.__pin, output)
time.sleep(sleep)
def __collect_input(self):
# collect the data while unchanged found
unchanged_count = 0
# this is used to determine where is the end of the data
max_unchanged_count = 100
last = -1
data = []
while True:
current = RPi.GPIO.input(self.__pin)
data.append(current)
if last != current:
unchanged_count = 0
last = current
else:
unchanged_count += 1
if unchanged_count > max_unchanged_count:
break
return data
def __parse_data_pull_up_lengths(self, data):
STATE_INIT_PULL_DOWN = 1
STATE_INIT_PULL_UP = 2
STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN = 3
STATE_DATA_PULL_UP = 4
STATE_DATA_PULL_DOWN = 5
state = STATE_INIT_PULL_DOWN
lengths = [] # will contain the lengths of data pull up periods
current_length = 0 # will contain the length of the previous period
for i in range(len(data)):
current = data[i]
current_length += 1
if state == STATE_INIT_PULL_DOWN:
if current == RPi.GPIO.LOW:
# ok, we got the initial pull down
state = STATE_INIT_PULL_UP
continue
else:
continue
if state == STATE_INIT_PULL_UP:
if current == RPi.GPIO.HIGH:
# ok, we got the initial pull up
state = STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN
continue
else:
continue
if state == STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN:
if current == RPi.GPIO.LOW:
# we have the initial pull down, the next will be the data pull up
state = STATE_DATA_PULL_UP
continue
else:
continue
if state == STATE_DATA_PULL_UP:
if current == RPi.GPIO.HIGH:
# data pulled up, the length of this pull up will determine whether it is 0 or 1
current_length = 0
state = STATE_DATA_PULL_DOWN
continue
else:
continue
if state == STATE_DATA_PULL_DOWN:
if current == RPi.GPIO.LOW:
# pulled down, we store the length of the previous pull up period
lengths.append(current_length)
state = STATE_DATA_PULL_UP
continue
else:
continue
return lengths
def __calculate_bits(self, pull_up_lengths):
# find shortest and longest period
shortest_pull_up = 1000
longest_pull_up = 0
for i in range(0, len(pull_up_lengths)):
length = pull_up_lengths[i]
if length < shortest_pull_up:
shortest_pull_up = length
if length > longest_pull_up:
longest_pull_up = length
# use the halfway to determine whether the period it is long or short
halfway = shortest_pull_up + (longest_pull_up - shortest_pull_up) / 2
bits = []
for i in range(0, len(pull_up_lengths)):
bit = False
if pull_up_lengths[i] > halfway:
bit = True
bits.append(bit)
return bits
def __bits_to_bytes(self, bits):
the_bytes = []
byte = 0
for i in range(0, len(bits)):
byte = byte << 1
if (bits[i]):
byte = byte | 1
else:
byte = byte | 0
if ((i + 1) % 8 == 0):
the_bytes.append(byte)
byte = 0
return the_bytes
def __calculate_checksum(self, the_bytes):
return the_bytes[0] + the_bytes[1] + the_bytes[2] + the_bytes[3] & 255
（2）主文件app.py
- 这里要注意地址需要修改成自己主机的地址，查看树莓派地址的方式：在终端输入ifconfig然后回车。
- from-import是用来引用文件中的文件内容的。 title中的内容"Sensor Data"和html中的代码</>Sensor Data</>是对应的，如果想要修改，需要两边同时修改。
- time.sleep(1)的用处是让程序间隔一秒读取数据。这里的timesleep是python自带的一个函数，在编写程序时候，我们有时需要将程序短暂的停顿一下，这个时候就需要用到time包下面的sleep。
- 有的时候运行报错可能是因为端口的问题，尝试把port=50改成80/5080/8080之类的就好了。
from flask import Flask ,render_template
from library import dht11
import RPi.GPIO as GPIO
app = Flask(__name__)
# initialize GPIO
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()
#read data using pin 14
instance = dht11.DHT11(pin=14)
@app.route("/")
def hello():
result = instance.read()
time.sleep(1)
temperature = result.temperature
humidity = result.humidity
templateData={
'title': "Sensor Data",
'temp': temperature,
'hum': humidity,
}
return render_template("index.html", **templateData)
if __name__ == "__main__":
app.run(host="192.168.1.xxx", port=50, debug=True)
（3）index.html
<!DOCTYPE html>
<head>
<html>
<head>
<title>{{title}}</title>
<link rel="stylesheet" href='../static/style.css'/>
</head>
<body>
<h1>Sensor Data</h1>
<h2>TEMPERATURE ==> {{ temp }} oC</h2>
<h3>HUMIDITY (Rel.) ==> {{ hum }} %</h3>
</body>
</html>
（4）style.css：用于美化html背景和字体颜色
body{
background: blue;
color: yellow;
padding:1%
}
.button {
font: bold 15px Arial;
text-decoration: none;
background-color: #EEEEEE;
color: #333333;
padding: 2px 6px 2px 6px;
border-top: 1px solid #CCCCCC;
border-right: 1px solid #333333;
border-bottom: 1px solid #333333;
border-left: 1px solid #CCCCCC;
}