基于树莓派的智能AI网关接入豆包流程：HTTP/HTTPS、MQTT、Flask、Web可视化（代码示例）

一、项目概述

随着物联网和智能家居技术的迅速发展，越来越多的家庭开始关注环境监测和智能控制。本文介绍一个基于树莓派的智能AI网关项目，旨在通过接入豆包（Doubao）API，实现对家庭环境的实时监测和智能控制。

项目目标和用途

该项目的主要目标是构建一个智能家居环境监测和控制系统。用户可以通过该系统获取实时天气和环境数据，并根据数据分析结果自动调整家居设备，提升居住舒适度和节能效果。

二、系统架构

本项目的系统架构分为多个层次，以实现数据获取、处理和控制的完整流程。

1. 系统架构设计

• 数据获取层：通过豆包API获取实时天气和环境数据，支持定时拉取和事件驱动更新。

• 数据处理层：对获取的数据进行清洗、格式化和分析，提取关键的环境信息。

• 控制层：根据处理结果自动调整家居设备，并提供手动控制接口。

• 用户界面层：为用户提供可视化界面，展示实时数据和历史记录。

2. 技术选择

• 硬件：树莓派 4B

• 传感器：温度传感器（如DHT11）、空气质量传感器（如MQ-135）

• 通信协议：HTTP/HTTPS用于API调用，MQTT用于设备控制

• 技术栈：Python用于数据处理和控制逻辑，Flask用于搭建Web界面

3. 系统架构图

数据获取层 API调用 定时任务 豆包API 数据处理层 数据清洗 数据分析 控制层 设备控制 手动控制接口 用户界面层 可视化展示 历史数据

三、环境搭建

1. 硬件环境

• 树莓派 4B

• 电源适配器

• DHT11温度传感器

• MQ-135空气质量传感器

• 路由器（支持Wi-Fi连接）

2. 软件环境

• 操作系统：Raspberry Pi OS

• 开发工具：Python 3、Flask框架

• 库：requests（用于API调用）、pandas（用于数据处理）

3. 环境安装步骤

1. 系统安装：

• 下载并安装Raspberry Pi OS镜像到SD卡。

• 将SD卡插入树莓派，连接电源启动。

3. 环境配置：

• 更新系统：

  sudo apt updatesudo apt upgrade

• 安装Python和Flask：

  sudo apt install python3 python3-pip
  pip3 install Flask requests pandas

5. 传感器连接：

• 按照传感器的接线图连接DHT11和MQ-135到树莓派的GPIO引脚。

4. 配置示例

• 配置Wi-Fi连接：

  sudo raspi-config

5. 注意事项

• 确保传感器与树莓派的连接正确，以免损坏设备。

• 在调试过程中，定期检查API的响应，以确保数据准确。

四、代码实现

以下是系统各功能模块的关键代码示例：

1. 数据获取模块

数据获取模块负责从豆包API定期获取天气数据，并将其存储以供后续处理。

import requests
import time

API_KEY = 'YOUR_DOUBAO_API_KEY'  # 替换为你的豆包API密钥
API_URL = 'https://api.doubao.com/weather'  # 豆包天气API的URL

def fetch_weather_data():
    """从豆包API获取天气数据"""
    try:
        response = requests.get(API_URL, params={'apikey': API_KEY})
        response.raise_for_status()  # 检查请求是否成功
        data = response.json()  # 将响应转换为JSON格式
        return data
    except requests.exceptions.RequestException as e:
        print(f"API请求失败: {e}")
        return None

if __name__ == "__main__":
    while True:
        weather_data = fetch_weather_data()
        if weather_data:
            print(weather_data)  # 打印获取的天气数据
        time.sleep(3600)  # 每小时更新一次数据

2. 数据处理模块

数据处理模块负责对获取的天气数据进行清洗和分析，以提取有用的信息。

import pandas as pd

def clean_and_format_data(raw_data):
    """清洗和格式化原始天气数据"""
    try:
        # 提取所需的信息，例如温度、湿度、风速等
        processed_data = {
            'temperature': raw_data['main']['temp'],
            'humidity': raw_data['main']['humidity'],
            'wind_speed': raw_data['wind']['speed'],
            'air_quality': raw_data['air_quality']  # 假设豆包API提供了空气质量数据
        }
        return processed_data
    except KeyError as e:
        print(f"数据格式错误: {e}")
        return None

def analyze_data(processed_data):
    """分析天气数据并提供建议"""
    recommendations = []
    if processed_data['temperature'] > 30:  # 如果温度大于30度
        recommendations.append("建议开启空调")
    if processed_data['humidity'] < 40:  # 如果湿度低于40%
        recommendations.append("建议使用加湿器")
    
    return recommendations

# 示例使用
if __name__ == "__main__":
    raw_weather_data = fetch_weather_data()  # 假设已存在fetch_weather_data函数
    if raw_weather_data:
        formatted_data = clean_and_format_data(raw_weather_data)
        if formatted_data:
            suggestions = analyze_data(formatted_data)
            print("系统建议:", suggestions)

3. 控制模块

控制模块负责根据处理后的数据自动调节家居设备，并提供手动控制接口。

import paho.mqtt.client as mqtt

MQTT_BROKER = 'mqtt.example.com'  # 替换为你的MQTT代理地址
MQTT_PORT = 1883
MQTT_TOPIC = 'home/devices/control'

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    """连接MQTT代理时的回调函数"""
    print(f"连接成功，结果代码: {rc}")

def control_device(command):
    """发送控制命令到设备"""
    client = mqtt.Client()
    client.on_connect = on_connect
    client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT, 60)
    client.loop_start()
    
    client.publish(MQTT_TOPIC, command)  # 发布控制命令
    client.loop_stop()
    client.disconnect()

# 示例使用
if __name__ == "__main__":
    control_device("turn_on_air_conditioner")  # 示例命令

4. 用户界面模块

用户界面模块使用Flask框架构建一个简单的Web界面，以展示实时数据和历史记录。

1. 更新天气数据线程

from flask import Flask, render_template, jsonify
import threading

app = Flask(__name__)

# 假设有一个全局变量来存储最新的天气数据
latest_weather_data = {}

@app.route('/')
def index():
    """主页，展示实时天气信息和建议"""
    return render_template('index.html', weather=latest_weather_data)

@app.route('/api/weather')
def get_weather_data():
    """API接口，返回最新的天气数据"""
    return jsonify(latest_weather_data)
    def update_weather_data():
    """定时更新天气数据的线程"""
    global latest_weather_data
    while True:
        raw_weather_data = fetch_weather_data()  # 调用数据获取模块
        if raw_weather_data:
            formatted_data = clean_and_format_data(raw_weather_data)
            if formatted_data:
                latest_weather_data = formatted_data  # 更新全局天气数据
        time.sleep(3600)  # 每小时更新一次数据

# 启动线程以更新天气数据
if __name__ == "__main__":
    threading.Thread(target=update_weather_data, daemon=True).start()  # 启动后台线程
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)  # 启动Flask应用

2. HTML模板示例

在项目目录中创建一个名为 templates 的文件夹，并在其中创建一个 index.html 文件，内容如下：

<!DOCTYPE html>
<html lang="zh">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>智能家庭环境监测</title>
    <link rel="stylesheet" href="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/bootstrap/4.5.2/css/bootstrap.min.css">
</head>
<body>
    <div class="container">
        <h1 class="mt-5">实时天气和环境监测</h1>
        <div class="mt-4">
            <h3>当前天气状态</h3>
            <p>温度: {{ weather.temperature }} °C</p>
            <p>湿度: {{ weather.humidity }} %</p>
            <p>风速: {{ weather.wind_speed }} m/s</p>
        </div>
        <div class="mt-4">
            <h3>系统建议</h3>
            <ul>
                {% for suggestion in suggestions %}
                <li>{{ suggestion }}</li>
                {% endfor %}
            </ul>
        </div>
    </div>
</body>
</html>

5. 项目总结

1. 项目主要功能：

• 通过豆包API获取实时天气和环境数据。

• 清洗和格式化数据，提取有效信息。

• 根据环境数据智能控制家居设备，并提供手动控制接口。

• 提供一个用户友好的Web界面，展示实时数据和历史数据。

3. 实现过程：

• 使用树莓派作为硬件平台，搭建了一个基于Python的智能AI网关。

• 通过Flask框架构建了Web界面，实现了数据的动态展示。

• 利用MQTT协议实现了设备的远程控制。

• 采用多线程机制定期更新天气数据，确保用户获取最新信息。

6. 运行项目

在完成上述所有代码及文件的创建后，确保以下步骤已完成：

1. 安装所需库：

   确保在树莓派上安装了所需的Python库：

   pip3 install Flask requests pandas paho-mqtt
   

2. 运行应用：

   在终端中，导航到项目目录并运行主程序：

   python3 app.py
   

3. 访问Web界面：

   打开浏览器，访问 http://<树莓派的IP地址>:5000，即可查看实时天气数据和控制界面。