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[操作系统]Beaglebone Black 智能家居控制系统 LAS


上一篇,纯粹玩 ESP8266,写入了 init.lua 能收发 UDP。这次拿 BBB 开刀,用 BBB host 一个 web server ,用于与用户交互,数据来自 ESP8266 的 UDP 交互结果。本来,ESP8266 能直接用 TCP,但我希望广播 UDP 来做自动发现,那服务端和设备端统一全部用 UDP 交互吧,服务端再通过 HTTP 与客户端交互。

以下过程,与 Linux 上面搭 web 没有区别。我选择用 node.js,没有什么特殊原因,只是因为它本来就跟着 BBB debian distro 一起装好了的。为求快捷,也搭着 Express 一起用。我要用最高速度完成这个东西来,试试而已,Node + Express 很快能搞定。

安装

首先,BBB 上面要有 node,确认一下在不在:

node –v

当然在。然后当前看看端口

netstate –tlpn

image

这里看到,80,是 systemd 用掉,就是 bone101 那一页介绍页面,3000 也是,Cloud9 IDE 的。两者都可以关掉,关掉对应的服务即可(bonescript.socket 和 bonescript.service)。8080 端口,是 apache2 。那我用 4001 吧。也是没有原因的。好,继续。

在某某文件夹里面创建一个子文件夹 /root/lasapp,然后 npm init,按需输入一些参数,它会帮我生成 package 档,然后 npm install express –-save,其后等它安装就好了。具体方法请参看这里:http://www.expressjs.com.cn/starter/installing.html

热身, Hello World 一下,app.js:

var express = require('express');var app = express();app.get('/', function (req, res) { res.send('Hello World!');});var server = app.listen(4001, function () { var host = server.address().address;
var port = server.address().port;
});

然后 node app.js。用电脑打开浏览器输入对应地址 http://192.168.7.2:4001/ 就会看到 Hello World,十行代码不到,够快了吧。

我准备做的,整个过程,是由一个网页上的点击,触发服务器发送 UDP 广播,然后接上一篇的 ESP8266 UDP 接收。然后ESP8266,或者多个不同的 ESP8266,响应后把它们回传报上来的身份标识,服务负责处理回传保存到数据库,页面定时刷新从数据库取值。一个人项目,蓝图在心中。简单写一下的话,是分开前端,后台两个,后台分开静态页、UDP、和 web service 三个部分。随便从哪里开始,那就从前端那里,页面吧。

前端页面

IDE 我用 webstorm,在 windows 写好 cp 过去 BBB 上,随便拿个 Bootstrap 模板改就是:

image

模板来自一个什么二十分钟搭好 bootstrap 的博文,其实不需要二十分钟,Copy & Paste 然后改文字而已。任何模板都能做,甚至是直接手敲 HTML 也不会有问题。关键是中间的部分,将会用 JS 从 web service 获得 JSON (设备列表)把它填上。中间还有一个绿色按钮“重新搜索设备”,要有 web service 响应处理设备搜索(就是 UDP 广播)。

页面样式大概弄好了就拷过去 BBB 先。把档案打包成 lasapp.tar (在 windows 用 7z),然后 pscp (putty 自带的远程 copy、cp 工具)去 BBB 上。

pscp lasapp.tar root@192.168.7.2:/root/lasapp.tar

然后到 BBB 上 在 lasapp文件夹内,创建 public 文件夹:

mkdir public

在 public 文件夹内解压:

tar –xf ~/lasapp.tar

最后修改刚才hello world 那个例子的 app.js 加入静态文件把 public 文件夹放出来,和根目录 GET 时候传送 index.html:

var express = require('express');var app = express();app.use(express.static('public')); // 配置静态文件路径app.get('/', function (req, res) { res.sendFile('index.html'); // 之前是 send(‘Hello World!’)});var server = app.listen(4001, function () { var host = '192.168.7.2'; var port = server.address().port;
});

然后运行测试一下,没问题就下一步,web service。

后台服务

BBB 空间有限,UDP、网页服务器、Web Service 三者都能在 node 实现的话,那就不装其他,就用 node 。快速做一遍三个分别是怎样在 node 实现。

测试 Web Service 与发出 UDP

写个 api.js 先,创建一个 api 文件夹然后在里面 vim api.js :

exports.udpService = function(port,bc_addr){
        var dgram = require('dgram');
        var port = port;
        var bc_addr = bc_addr;
        var queryTxt = '{"cmd":"0"}';
        var queryMsg = new Buffer(queryTxt);
        var client = dgram.createSocket('udp4');
        client.bind(port, function(){
                this.setBroadcast(true);
                this.setMulticastTTL(128);
        });
        return {
                query : function(req,res){
                        client.send(queryMsg,0,queryMsg.length,port,bc_addr);
                        res.sendStatus(200);
                }
        };
};

node 可以发 datagram(UDP),API 请参看这里:
https://nodejs.org/docs/latest-v0.10.x/api/dgram.html

代码 api.js 的 query 方法是接受到请求时候,对广播地址(bc_addr)的特定端口(port)以 UDP 包方式发出一个字符 {“cmd”:”0”}。注意 setBroadcast 和 setMulticastTTL 两个方法都必须在 bind 绑定完成后才能操作,所以我放了它在 callback 内。

完成需要告诉客户端,搞定了没问题,STATUS 200 OK。

 

关于广播

IPv4 中,掩码 subnet mask,是指定子网的方式。一个 192.168.7.0  作为 network prefix 指定了掩码 255.255.255.252,等于 2^8 – 252 = 4个地址,这四个 192.168.7.0 至 192.168.7.3 之中,第一个 192.168.7.0是 network prefix,最后一个 192.168.7.3 是 broadcast address 广播地址,只有余下的 192.168.7.1 和 192.168.7.2 两个地址可以用作 host 主机。博文中 BBB 插着 USB 不插网线默认就是这个网段,BBB 用 USB 共享网络时本身 IP 用 192.168.7.2,电脑这时候应该设置为 192.168.7.1,因为不改 BBB 地址网段的情况下,你别无选择,余下只有一个主机地址可用。用这个子网,要发广播,这子网的广播地址是 192.168.7.3 了。而 255.255.255.255 就是公网以外,全物理网段广播,不区分割开了多少个子网。

Multicast TLL 这 Multicast 这个字是来自 IPv6,IPv6地址分三类,Unicast、Anycast、Multicast。Unicast 是给单独一个主机接收,Anycast 是给最近的一个主机接收,Multicast 是给网段所有主机接收,Multicast 意义上就是 IPv4 的 Broadcast。TTL 全写是 Time To Live,意义是封包的存活时间,实际上实现的时候,它是每到达一个节点就会减一,直到 0 时候它就会不再被传送。所以它并不是一个实际时间值(多少毫秒等等)。直接插 USB 连然后对一个只有两个主机地址的网段广播而且设置 TTL 128 其实是没有任何意义,这里面没有 128 个节点。看不惯就把上面代码那句删掉吧。能设置的范围是 1-255,默认值是 OS 指定,我没有查看 BBB 的 Debian 默认值是多少,据说是 1。

有兴趣研究可以参考:

https://en.wikipedia.org/wiki/IP_address

https://en.wikipedia.org/wiki/Subnetwork

http://tools.ietf.org/html/rfc4291#section-2

书的话只需要一本,TCP/IP Illustrated Vol 1 The Protocols,Richard Stevens,ISBN: 9780321336316

 

要调用它,就需要在 express 那边开接口。/query 接到 GET 请求就调用这个 api.js 里面的 query 方法。现在修改 app.js:

var express = require('express');
var app = express();
var api = require('./api/api'); // 引用才能使用 api.js
var svc = new api.udpService(4000,'192.168.7.3'); // 利用 api 创建 udpService 实例

app.use(express.static('public'));

app.get('/',function(req,res){
        res.sendFile('index.html');
});

app.get('/query', svc.query); // 调用 query 方法

var server = app.listen(4001, function(){
        var host = server.address().address;
        var port = server.address().port;
        console.log('app listening at http://%s:%s',host,port);
});

下一步,修改 index.html 把图中绿色按钮的点击,用 ajax 请求发到 /query,就完成了。简单点比如就 <a …… onclick="$.ajax({url:'/query'})"> … 。

image

最后一步,BBB 插上电源和网线,广播地址改为正确值。web 请求就是这样和 UDP 广播连在一起(/query 的 GET 请求收到后,触发 udpService 的 query 方法)。效果 ok 就来真的了。

整体后台代码

由于空间所限,数据量小,并发少,数据库用 Sqlite 我够了,喜欢其他的请自行修改。首先安装一下 Sqlite3,去到之前建的 lasapp 目录,然后:

npm install sqlite3 –-save

新版的 express 已经没有了内置 body parser,要自己装再自己加入中间件,这样安装:

npm install body-parser

然后可以写代码了,看看我的最终版代码:

/lasapp/app.js

var express = require('express');
var app = express();
var api = require('./api/api');
var bp = require('body-parser');

var svc = new api.udpService(4000,'255.255.255.255');

app.use(express.static('public'));
app.use(bp.json());
app.get('/',function(req,res){
        res.sendFile('index.html');
});

app.get('/query', svc.query);

app.get('/devices/getAll',api.deviceService().getAll);

app.put('/devices', api.deviceService().save);

var server = app.listen(4001, function(){
        var host = server.address().address;
        var port = server.address().port;
        console.log('app listening at http://%s:%s',host,port);
});

与之前代码区别有几个地方:

  • 它引用了 body-parser 并且在 app.use 启用了 json 中间件,目的是对 body 解析 JSON https://www.npmjs.com/package/body-parser
  • udp 广播地址用了 255.255.255.255 全物理网段广播
  • 多了两个接口
    • get /devices/getAll
    • put /devices
  • 两个接口对应调用了 deviceService 里面的两个方法

看看 api.js 里面是怎样的:

/lasapp/api/api.js

exports.dbHelper = function(){
        var sqlite = require('sqlite3').verbose();
        var db = new sqlite.Database('lasdb.db');
        db.serialize(function(){
                db.run("CREATE TABLE if not exists devices(guid TEXT, dType TEXT,displayName TEXT)");
        });
        return {
                saveOrUpdate: function(device,callback){
                        db.get("SELECT guid FROM devices WHERE guid=?",device.guid,function(err,row){
                                if(err===null && row === undefined) {
                                        db.run("INSERT INTO devices VALUES (?,?,?)",device.guid,device.dType,device.displayName);
                                } else if (err===null) {
                                        db.run("UPDATE devices SET displayName=? WHERE guid=?",device.displayName,device.guid);
                                } else {
                                        console.log(err);
                                }
                        });
                        var getType={};
                        if(callback && getType.toString.call(callback)==='[object Function]'){
                                callback(device);
                        }
                },
                getAll: function(callback){
                        var result;
                        db.all("SELECT guid,dType,displayName FROM devices", function(err,rows){
                                if(err!==null){
                                        console.log(err);
                                        return;
                                }
                                var getType={};
                                if(callback && getType.toString.call(callback)==='[object Function]'){
                                        callback(rows);
                                }
                        });
                },
                closeDB: function(){
                        db.close();
                }
        };
};

exports.deviceService = function(){
        return {
                getAll: function(req,res){ 
                        var dbHelper = new exports.dbHelper();
                        dbHelper.getAll(function(r){
                                res.set({'Content-Type':'application/json'});
                                res.send(r);
                                dbHelper.closeDB();
                        });
                },
                save: function(req,res){
                        var dbHelper = new exports.dbHelper();
                        dbHelper.saveOrUpdate(req.body,function(r){
                                res.set({'Content-Type':'application/json'});
                                res.send(r);
                                dbHelper.closeDB();
                        });
                }
        };
};

exports.udpService = function(port,bc_addr){
        var dgram = require('dgram');
        var port = port;
        var bc_addr = bc_addr;
        var queryTxt = '{"cmd":"0"}';
        var queryMsg = new Buffer(queryTxt);
        var client = dgram.createSocket('udp4');
        client.bind(port, function(){
                this.setBroadcast(true);
                this.setMulticastTTL(128);
        });
        client.on('message', function(msgRec,remote){
                var msg = msgRec.toString();
                if(msg==queryTxt){
                        return;
                }
                var cmdObj;
                try {
                        cmdObj = JSON.parse(msg);
                } catch(e) {
                        console.log('Improper JSON literial received.');
                        console.log(msg);
                        return;
                }
                if(!cmdObj.cmd){
                        console.log('JSON object format error.');
                        return;
                }
                console.log('From:'+remote.address+' Port:'+remote.port+' > '+msg);
                if(cmdObj.cmd==2 && cmdObj.dType){
                        var dbHelper = new exports.dbHelper();
                        dbHelper.saveOrUpdate(cmdObj,function(){
                                dbHelper.closeDB();
                        });
                } else {
                        console.log('cmd code not recognize or dType missing.');
                }
        });
        return {
                query : function(req,res){
                        client.send(queryMsg,0,queryMsg.length,port,bc_addr);
                        res.sendStatus(200);
                }
        };
};

三大块,一个 dbHelper 做数据层用来和 Sqlite 数据库交互,数据层方法除了closeDB 其他全部有 callback可配置,两个服务分别负责 UDP 处理和 Web Service 的处理。

udpService 除了一些参数验证之外,就是 on(“message”,….) 监听 UDP 包到达,到达后调用 dbHelper 保存或更新值,最后 udpService 实例只开放一个方法,query,用来发出广播 UDP 包。

deviceService 只有 save 和 getAll,两者对应 dbHelper 里面的方法,查询完成后 res.send。

不复杂,然后测试一下:

整体集成测试

用node app.js 启动。

首先用 POSTMAN 对 /query 发 get 请求,另外用工具监听,看看 UDP 是否正常广播。

image

然后用工具,发三个 UDP ,分别是 guid:0001, 0002 和 0003,模拟 ESP8266 对 cmd:0 命令的响应。

{"cmd":"2","guid":"0001","dType":"powerPlug"}
{"cmd":"2","guid":"0002","dType":"powerPlug"}
{"cmd":"2","guid":"0003","dType":"powerPlug"}

image

或者再发多一次 guid 0003 看看它有没有重复插入(当然不会)。

然后 POSTMAN 模拟 /devices/getAll 的 GET 请求,看看返回值是否正常。

image

再试试 PUT,对 /device 发出 PUT 请求,模拟网页对 displayName,智能设备的显示名进行更新,PUT 的 body 为:

{"guid":"0003","dType":"powerPlug","displayName":"主卧插座1"}

记得 Header 加上 Content-Type = application/json

image

最后再对 /device/getAll 发出 GET 请求看看是否更新正确:

image

API 初稿就这样完成。改一下页面,让它触发对应的 web service ,或许加个定时自动刷新页面,整个项目初稿就搞定了。代码有太多的改善空间,太混乱,半成品不放 GIT 出来了,做好先。

下一篇,智能插座接线,和加上从 UDP 包接收,触发 GPIO 高低电平控制电源开关。整个项目在下一篇就完成了。

重要参考

https://en.wikipedia.org/wiki/IP_address

https://en.wikipedia.org/wiki/Subnetwork

http://tools.ietf.org/html/rfc4291#section-2

Node.js http://nodejs.org/
SQLite http://sqlite.org/
node-sqlite3 API https://github.com/mapbox/node-sqlite3/wiki/API
node-sqlite3 流控制、同步异步关闭等 https://github.com/mapbox/node-sqlite3/wiki/Control-Flow
Expressjs http://expressjs.com/
Expressjs 中间件 http://www.expressjs.com.cn/guide/using-middleware.html
Expressjs 其他有用模块列表 https://github.com/expressjs
Expressjs Process Manager http://expressjs.com/en/advanced/pm.html
Project Style Template (仅供参考) https://github.com/jshttp/style-guide/tree/master/template
body-parser https://github.com/expressjs/body-parser
https://www.npmjs.com/package/body-parser
IP / Broadcasting / IPv6

https://en.wikipedia.org/wiki/IP_address
https://en.wikipedia.org/wiki/Subnetwork
http://tools.ietf.org/html/rfc4291#section-2

Postman https://www.getpostman.com/
网络调试助手 http://www.onlinedown.net/soft/47906.htm
Bootstrap 秒速入门(所谓的二十分钟打造站点) http://www.revillweb.com/tutorials/bootstrap-tutorial/
http://www.w3cplus.com/css/twitter-bootstrap-tutorial.html
我曾经买过 Theme 的网站,有个别设计质量相当高 http://themeforest.net/