Projekt Smart Home vytváříme v rámci předmětu s názvem Minipočítače a jejich praktické aplikace. Klíčovým prvkem je Raspberry Pi model B, které nám umožní jednotné propojení a komunikaci s jednotlivými místnostmi. Pomocí Raspberry Pi, několika LED diod a tlačítkových spínačů simulujeme tzv. „chytrou domácnost“. Domácnost se skládá z následujících místností: Koupelna, Chodba, Obývací pokoj, Ložnice a Kuchyně. Jednotlivé místnosti v domácnosti je možné ovládat jak přes tlačítkové spínače, tak za pomoci webového rozhraní. Pro webové rozhraní využíváme knihovny WebIOPi, která je vytvořena predevším pro komunikaci s Raspberry Pi GPIO. Pro detekci hran HW tlačítkových spínačů používáme Python modul RPi.GPIO, na které poté reagujeme pomocí callbacku.

Pro realizaci projektu Smart Home jsme použili následující technologie a knihovny:

• Python 2
• WebIOPi pro webové rozhraní
• Python modul RPi.GPIO pro detekci stisknutí tlačítek

apt-get install git python-dev python-rpi.gpio python-smbus i2c-tools python-serial minicom
tar xvzf WebIOPi-x.y.z.tar.gz
cd WebIOPi-x.y.z
./setup.sh

Knihovna WebIOPi zajišťuje webový server a poskytuje REST API, které se nadefinuje v Python skriptu, který potom zpracovává REST požadavky a ovládá periferie. V internetovém prohlížeči klienta jsou REST požadavky zasílány pomocí Javascriptu.

Pro nastavení serveru je potřeba upravit konfigurační soubor, do kterého se zapíše cesta k Python skriptu, který beží na serveru, a také kořenová cesta k adresáři webového serveru:

webiopi -d -c /etc/webiopi/config

Pomocí následujícího příkazu se aplikace spustí po spuštění Raspberry Pi:

update-rc.d webiopi defaults

Webové rozhraní poté beží na RaspberryPi (ve výchozím nastavení na portu 8000) a je možné k němu přistoupit přes lokální síť. Pro připojení je vyžadována autentizace pomocí HTTP s přihlašovacími údaji, které jsou uvedeny ve výše zmíněném konfiguračním souboru.

import webiopi
import RPi.GPIO

button = 15
led = 14

def setup():
    # set LED as output
    webiopi.GPIO.setFunction(L1, webiopi.GPIO.OUT)

    # setup buttons
    RPi.GPIO.setmode(RPi.GPIO.BCM)
    RPi.GPIO.setup(B1, RPi.GPIO.IN, pull_up_down=RPi.GPIO.PUD_UP)
    RPi.GPIO.add_event_detect(button, RPi.GPIO.FALLING, callback=button_clicked, bouncetime=500)

def loop():
    pass

def destroy():
    # turn off LEDS
    webiopi.GPIO.digitalWrite(led, webiopi.GPIO.LOW)

    RPi.GPIO.cleanup()

@webiopi.macro
def button_clicked(pin):
    value = webiopi.GPIO.LOW
    state = webiopi.GPIO.digitalRead(led)
    if not state:
       value = webiopi.GPIO.HIGH
    webiopi.GPIO.digitalWrite(led, value)

WebIOPi ze skriptu spouští následující funkce:

• setup() pro nastavení periferií při spuštění
• loop() jako aplikační smyčku, jejíž kód probíhá neustále dokola
• destroy() se spustí před ukončením aplikace

Ve funkci setup() se nastaví piny s LED diodami jako výstupní pomocí webiopi.GPIO. Tlačítka se nastaví pomocí RPi.GPIO, protože má podporu pro detekci hran a je možné na ně zareagovat pomocí callbacku. Tento callback se pomocí dekorátoru @webiopi.macro zároveň nastaví jako makro, které je možné spustit z webového rozhraní. Funkce button_clicked se tedy spustí jak při stisku fyzického tlačítka tak i při kliku z webového rozhraní přes REST.

webiopi().ready(function() {
    // Call when button is clicked.
    webiopi().callMacro("button_clicked", [], update);
}

Na klientovi zajišťuje komunikaci s WebIOPi Javascript. Po naimportování souboru webiopi.js je možné použít výše uvedený kód pro vygenerování a odeslání REST požadavku na zavolání makra. Zavoláním funkce callMacro() dojde k REST požadavku, který zpracuje WebIOPi na serveru a spustí příslušnou funkci, která je definována v serverovém Python skriptu.

Koupelna je osazena jednou LED diodou modré barvy (L1) a jedním spínačem (B1). Na sepnutí spínače se příslušná LED diaoda rozsvítí a nebo zhasne podle stavu ve kterém se nachází.

Ložnice je osazena pouze jednou LED diodou bílé barvy (L5) a jedním spínačem (B5). Spínač funguje jako klascký pokojový přepínač, prvním stiknutím se světlo rozsvítí, druhým pak zhasne.

Chodba je osazena jednou LED diodou červené barvy (L2) a dvěma spínači (B2 a B3). V chodbě máme většinou spínače umístěny na obou stranách. Pokud spínačem (B2) rozsvítíme v hale, tak s ním také můžeme zhasnout a nebo k zhasnutí můžeme využít spínače (B3). Pořadí spínačů můžeme samozřejmě prohazovat.

Kuchyň je osazena jednou LED diodou červené barvy (L6), jednou LED diodou zelené barvy (L7) a dvěma spínači (B6 a B7). LED dioda (L6) je brána jako osvětlení místnosti a LED dioda (L7) jako osvětlení pracovní plochy. Spínačem (B6) při příchodu do kuchyně rozsvítíme osvětlení v místnosti a spínačem (B7) rozsvítíme osvětlení pracovní plochy. Při odchodu z kuchyně spínačem (B6) vypneme veškeré osvětlení v kuchyni.

Obývací pokoj je osazen dvěma LED diodami zelené barvy (L3 a L4) a jedním spínačem (B4). Na sepnutí spínače se rozsvítí obě LED diody a při dalším sepnutí spínače obě zhasnou.

Výsledkem projektu Smart Home je funkční model "chytré domácnosti". Projekt je postaven na Raspberry Pi modelu B na kterém běží knihovna WebIOPi. Při spuštění Raspberry Pi si WebIOPi ze skriptu spustí funkci setup(), která nastaví periférie. Dále se WebIOPi dostává k funkci loop(), kde se neustále vykonává aplikační smyčka. Zjednodušeně se v této funkci zjištuje stav LED diod a tlačítkových spínačů. Poslední funkcí je destroy(), která se spouští před ukončením aplikace. WebIOPi také zajišťuje webový server a poskytuje REST API, které nám umožňuje komunikaci s Raspberry Pi přes REST požadavky zasílány pomocí Javascriptu. Poslední částí je Python modul RPi.GPIO, který umožňuje detekci hran HW tlačítek, a tím reakci v podobě callbacku. Callback se pomocí dekorátoru @webiopi.macro nastaví jako makro, které lze spustit z webového rozhraní. Raspberry Pi, knihovna WebIOPi a Python modul RPi.GPIO jsou tak skvělou kombinací pro komunikaci mezi SW a HW a umožnují jednoduchou implementaci ovládání, debugování a používání Rapsberry Pi GPIO přes webové rozhraní, portable aplikaci nebo mechanicky.