树莓派控制宿舍门开锁（智能开锁装置）

想法由来已久，还在升华的宿舍的时候就想弄了，无奈锁不好拆又不好弄其他装置，只有等着搬来本部的破宿舍才弄。早早就买好了步进电机、薄膜键盘什么的。现在正是找工作，手上两个项目，还有学校的渣渣实习，我居然还做这个，是说明我热爱呢，还是神经病呢，还是分不清主次呢，还是闲的呢？。。。

不说废话了。一个简单的思路是：步进电机用线连接锁，让电机可以拉开，还有个薄膜键盘用来输入密码，输入正确则打开门。

另外，想着用微信控制开门，无奈个人号不能用菜单，所以打算改用手机客户端。网络控制思路是：远端服务器（我的VPS）上运行一个服务用于接收客户端开门请求，树莓派上服务连接远程服务器，远程服务器给树莓派下发开门请求，然后树莓派控制开门。这样做的原因主要是树莓派在内网没有固定IP，花生壳又要钱认证，只好让客户端和树莓派都连接远程服务器。下面是简单原理图

网络控制原理

下面简单说明一下过程，所有程序我放在了github上，可以参考

第一部分控制电机

树莓派中使用Python的GPIO库来控制树莓派输出。首先这个步进电机有四个输出，我分别接在了10,12,16,18针上。由于我是树莓派一代，GPIO不太够，所以这个项目中几乎用到了所有针脚。下面是树莓派针脚图，我在程序中都是使用的主板引脚编号，通过GPIO.setmode(GPIO.BOARD)来设置

树莓派编程引脚

控制步进电机就是四个输入轮流高电平就行了，程序见下

def rotateMotor(steps, clockwise=True):
    if clockwise:
        arr = [0,1,2,3]
    else:
        arr = [3,2,1,0]

    ports = [10,12,16,18]
    for p in ports:
        GPIO.setup(p, GPIO.OUT)
    for x in range(steps):
        for j in arr:
            time.sleep(0.003)
            for i in range(4):
                if i == j:
                    GPIO.output(ports[i], True)
                else:
                    GPIO.output(ports[i], False)
    for p in ports:
        GPIO.output(ports[i], False)

def rotateMotor(steps, clockwise=True):

if clockwise:

arr = [0,1,2,3]

else:

arr = [3,2,1,0]

ports = [10,12,16,18]

for p in ports:

GPIO.setup(p, GPIO.OUT)

for x in range(steps):

for j in arr:

time.sleep(0.003)

for i in range(4):

if i == j:

GPIO.output(ports[i], True)

else:

GPIO.output(ports[i], False)

for p in ports:

GPIO.output(ports[i], False)

这里steps是控制电机转的角度，clockwise是控制转的方向。有了这个再通过一定的装置控制开门关门，掌握好旋转角度使之正好打开门。

本来是有个大点的齿轮带动线的，那个机构太复杂不稳定就给抛弃了。电机固定在旺仔铁皮中，粘在门上。左边是控制步进电机的芯片，我跟步进电机一起买的。

第二部分键盘输入

键盘原理我是从这里学习，扫描原理就是首先将4根列线设为输出低电平，将4跟行线设为输入并且上拉，当有键被按下时，对应行线电平被拉低，但是此时只是确定了按下的键位于哪一行，此时再反过来，将列线设置为输入上拉，将已经确定的行线对应行输出低电平，扫描4跟列线就可以确定按键属于哪一列了。

键盘获取按下某个按键代码如下，我是从网上找的修改了下。其中包括按下按键点亮led灯的操作，这个函数的具体实现看gitbug中完整代码。

class Keypad():
    
    KEYPAD = [
    [1,2,3,"A"],
    [4,5,6,"B"],
    [7,8,9,"C"],
    ["*",0,"#","D"]
    ]
     
    ROW    = [7,8,11,13]
    COLUMN = [15,22,24,26]
     
    def __init__(self):
        self.rowNum = len(self.ROW)
        self.columnNum = len(self.COLUMN)

    def getKey(self):

        # Set all columns as output low
        for j in range(self.columnNum):
            GPIO.setup(self.COLUMN[j], GPIO.OUT)
            GPIO.output(self.COLUMN[j], GPIO.LOW)

        # Set all rows as input
        for i in range(self.rowNum):
            GPIO.setup(self.ROW[i], GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

        # Scan rows for pushed key/button
        # A valid key press should set "rowVal"  between 0 and 3.
        rowVal = -1
        for i in range(self.rowNum):
            tmpRead = GPIO.input(self.ROW[i])
            if tmpRead == 0:
                rowVal = i

        # if rowVal is not 0 thru 3 then no button was pressed and we can exit
        if rowVal < 0 or rowVal > self.rowNum-1:
            self.exit()
            return
        # lit led
        hardware.led(True)

        # Convert columns to input
        for j in range(self.columnNum):
                GPIO.setup(self.COLUMN[j], GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

        # Switch the i-th row found from scan to output
        GPIO.setup(self.ROW[rowVal], GPIO.OUT)
        GPIO.output(self.ROW[rowVal], GPIO.HIGH)
 
        # Scan columns for still-pushed key/button
        # A valid key press should set "colVal"  between 0 and 2.
        colVal = -1
        for j in range(self.columnNum):
            tmpRead = GPIO.input(self.COLUMN[j])
            if tmpRead == 1:
                colVal=j

        # if colVal is not 0 thru 2 then no button was pressed and we can exit
        if colVal < 0 or colVal > self.columnNum-1:
            self.exit()
            return

        # Return the value of the key pressed
        self.exit()
        return self.KEYPAD[rowVal][colVal]

    def exit(self):
        # Reinitialize all rows and columns as input at exit
        for i in range(self.rowNum):
                GPIO.setup(self.ROW[i], GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP) 
        for j in range(self.columnNum):
                GPIO.setup(self.COLUMN[j], GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
        # close led
        hardware.led(False)

class Keypad():

KEYPAD = [

[1,2,3,"A"],

[4,5,6,"B"],

[7,8,9,"C"],

["*",0,"#","D"]

]

ROW = [7,8,11,13]

COLUMN = [15,22,24,26]

def __init__(self):

self.rowNum = len(self.ROW)

self.columnNum = len(self.COLUMN)

def getKey(self):

# Set all columns as output low

for j in range(self.columnNum):

GPIO.setup(self.COLUMN[j], GPIO.OUT)

GPIO.output(self.COLUMN[j], GPIO.LOW)

# Set all rows as input

for i in range(self.rowNum):

GPIO.setup(self.ROW[i], GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

# Scan rows for pushed key/button

# A valid key press should set "rowVal" between 0 and 3.

rowVal = -1

for i in range(self.rowNum):

tmpRead = GPIO.input(self.ROW[i])

if tmpRead == 0:

rowVal = i

# if rowVal is not 0 thru 3 then no button was pressed and we can exit

if rowVal < 0 or rowVal > self.rowNum-1:

self.exit()

return

# lit led

hardware.led(True)

# Convert columns to input

for j in range(self.columnNum):

GPIO.setup(self.COLUMN[j], GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

# Switch the i-th row found from scan to output

GPIO.setup(self.ROW[rowVal], GPIO.OUT)

GPIO.output(self.ROW[rowVal], GPIO.HIGH)

# Scan columns for still-pushed key/button

# A valid key press should set "colVal" between 0 and 2.

colVal = -1

for j in range(self.columnNum):

tmpRead = GPIO.input(self.COLUMN[j])

if tmpRead == 1:

colVal=j

# if colVal is not 0 thru 2 then no button was pressed and we can exit

if colVal < 0 or colVal > self.columnNum-1:

self.exit()

return

# Return the value of the key pressed

self.exit()

return self.KEYPAD[rowVal][colVal]

def exit(self):

# Reinitialize all rows and columns as input at exit

for i in range(self.rowNum):

GPIO.setup(self.ROW[i], GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

for j in range(self.columnNum):

GPIO.setup(self.COLUMN[j], GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

# close led

hardware.led(False)

键盘获取字符和判断密码、开门等操作在keyserver.py中。*键用于清除输入，#键完成输入。

def main():
    kp = hardware.Keypad()
    password = ''

    while True:
        digit = None
        while digit == None:
            digit = kp.getKey()
        # 判断输入
        if digit == '*':
            password = ''
        elif digit == '#' and password == '123456':
            print 'open the door'
            hardware.openThenClose()
            password = ''
        else:
            password += str(digit)
        time.sleep(0.3)

def main():

kp = hardware.Keypad()

password = ''

while True:

digit = None

while digit == None:

digit = kp.getKey()

# 判断输入

if digit == '*':

password = ''

elif digit == '#' and password == '123456':

print 'open the door'

hardware.openThenClose()

password = ''

else:

password += str(digit)

time.sleep(0.3)

由此起码是可以利用键盘开锁了~

第三部分网络控制

服务器端这边由于是第一次写，可能我的做法并不好（实际上也不好），但目前就知道这种简单可行的办法了。使用SocketServer中的ThreadingTCPServer直接建立多线程服务器。使用名字来标识是树莓派端还是用户端。

树莓派连接上服务器后，服务器端标记树莓派在线状态，只有在线状态下用户端才可以连接。用户端建立连接后发送指令，然后唤醒wait中的树莓派连接线程，就给树莓派发送开门指令。这样会有一个问题，树莓派跟服务器连接不畅的时候貌似会收不到信号。而且我偷懒，树莓派也并不会发送成功返回，客户端也就没有获得是否开门的提示。代码就不贴了，直接看github上面的吧：server.py

在树莓派一端运行了一个连接着服务器的客户端，当接收到开门信号的时候就控制步进电机转动从而实现开门操作。代码是：piserver.py

运行在用户终端上的客户端我也先用Python写了一个简易的程序，过程就是连接服务器发送一个开门信息。至于手机嘛，就先用手机版Python解释器运行这个脚本吧……代码是：client.py

(PS: 现在手机端已经有了安卓客户端，代码及运行图）

手机上python运行界面就这样，用的是QPython这个应用

下面是树莓派接线图，可以看到很多很乱，我也没有整理。中间白线是地线，由于只有一个针脚是接地所以只好引出来。杜邦线的延长是从废弃键盘上剪下来的USB线，长度也就刚刚够。步进电机、薄膜键盘、LED灯一共是16根线，用了5根USB线……

树莓派接线

键盘贴在了门上，下面是指示灯。

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