25、树莓派无线配置与监控系统搭建指南

树莓派无线配置与监控系统搭建指南

1. GUI方式配置WiFi

在图形用户界面（GUI）配置WiFi时，首先登录到GUI，你会看到一个名为“WiFi Config”的新图标，双击该图标打开应用程序，会弹出“wpagui”窗口。
在“wpagui”窗口中，点击“Scan”按钮，稍等片刻会弹出扫描结果窗口，在这个窗口中找到你要连接的无线网络并双击它，打开配置窗口。

在配置窗口中，需要设置以下内容：
- SSID：这是你的无线网络的“名称”，需要输入该名称。
- Authentication：指定你使用的认证类型，如WEP、WPA、WPA2等。
- Encryption：选择你要使用的加密模式。
- PSK：预共享密钥，即你的WiFi密码。

切换到“Wireless Security”选项卡，设置好认证方法、加密方法和密码后，点击“Add”。系统会保存你的无线设置并尝试连接到适配器，片刻后应该能看到连接成功的界面。

如果连接失败，可以查看鼠标悬停消息，检查设置是否正确，选择的安全方法是否正确。如有疑问，可打开路由器配置进行双重检查。最后，还可以回到控制台，再次输入“ifconfig”命令检查无线适配器的设置。

graph LR
    A[登录GUI] --> B[找到WiFi Config图标并双击]
    B --> C[弹出wpagui窗口]
    C --> D[点击Scan按钮]
    D --> E[弹出扫描结果窗口]
    E --> F[选择网络并双击]
    F --> G[打开配置窗口]
    G --> H[设置SSID、Authentication、Encryption、PSK]
    H --> I[切换到Wireless Security选项卡设置并点击Add]
    I --> J{连接成功?}
    J -- 是 --> K[完成配置]
    J -- 否 --> L[查看鼠标悬停消息检查设置]
    L --> M[检查路由器配置]
    M --> N[控制台输入ifconfig检查设置]

2. 命令行方式管理WiFi

对于不想使用GUI或遵循纯Linux命令行传统的用户，可以通过修改NetworkManager配置来管理WiFi。

2.1 修改NetworkManager配置

首先检查 /etc/NetworkManager/NetworkManager.conf 文件，确保 managed 标志设置为 false ，文件内容应如下：

[main]
plugins=ifupdown,keyfile

[ifupdown]
managed=false

修改完成后，重启树莓派，确保重启后所有现有的以太网连接正常工作。

2.2 配置 /etc/network/interfaces 文件

打开 /etc/network/interfaces 文件，该文件可能已经包含以下部分内容：

auto lo
iface lo inet loopback
iface eth0 inet dhcp

如果系统已经进行过一些无线配置，可能还会有以下内容：

allow-hotplug wlan0
iface wlan0 inet manual
wpa-roam /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
iface default inet dhcp

如果存在这些配置，需要在前面添加 # 注释掉或直接删除。然后在文件中添加以下新的配置：

auto wlan0
iface wlan0 inet dhcp
    wpa-ssid <Your WiFi SSID>
    wpa-psk <Your WiFi password>

这个配置表示 wlan0 设备将自动管理，并通过DHCP获取连接信息，同时需要传入SSID和PSK。此配置适用于WPA和WPA2网络安全实现。

2.3 测试新设备

配置完成后，运行以下命令启动接口：

$ sudo ifdown wlan0
$ sudo ifup wlan0

如果一切正常，你将看到类似以下的输出：

Internet Systems Consortium DHCP Client 4.2.2
Copyright 2004–2011 Internet Systems Consortium.
All rights reserved.
For info, please visit https://www.isc.org/software/dhcp/

Listening on LPF/wlan0/90:94:e4:51:81:7a
Sending on   LPF/wlan0/90:94:e4:51:81:7a
Sending on   Socket/fallback
DHCPDISCOVER on wlan0 to 255.255.255.255 port 67 interval 8
DHCPDISCOVER on wlan0 to 255.255.255.255 port 67 interval 15
DHCPDISCOVER on wlan0 to 255.255.255.255 port 67 interval 9
DHCPREQUEST on wlan0 to 255.255.255.255 port 67
DHCPOFFER from 10.0.0.1
DHCPACK from 10.0.0.1
bound to 10.0.0.59 -- renewal in 444671 seconds.

这表明设备已连接到无线网络并通过DHCP获得了IP地址。

2.4 设置静态IP地址

如果你不想使用DHCP，而是想为WiFi适配器分配静态IP地址，只需将 iface 行改为 static ，并添加IP地址、子网掩码和网关的详细信息，配置如下：

auto wlan0
iface wlan0 inet static
    address 10.0.0.57
    netmask 255.255.255.0
    gateway 10.0.0.1
    wpa-ssid <Your WiFi SSID>
    wpa-psk <Your WiFi password>

配置完成后，重启树莓派检查无线适配器是否自动启动。如果无法启动，需要确保设置了 auto wlan0 ，并在NetworkManager配置文件中启用了 managed=false 标志。如果仍然无法工作，检查SSID和WiFi密码的配置，还可以使用 ifup wlan0 命令确认是否能启动无线适配器。如果还是不行，尝试移除其他连接的USB设备，因为它们可能会消耗WiFi适配器的电力。

2.5 命令行实用工具

在命令行中， iw 系列命令也很有用：
- iwlist 配合 scan 选项可以扫描附近的无线热点信息。
- iwconfig 可以获取无线适配器的配置详细信息。

graph LR
    A[检查NetworkManager.conf文件] --> B[设置managed为false]
    B --> C[重启树莓派]
    C --> D[打开/etc/network/interfaces文件]
    D --> E[注释或删除现有wlan0配置]
    E --> F[添加新的wlan0配置]
    F --> G[运行sudo ifdown wlan0和sudo ifup wlan0测试]
    G --> H{连接成功?}
    H -- 是 --> I[完成配置]
    H -- 否 --> J[检查auto wlan0和managed=false设置]
    J --> K[检查SSID和密码配置]
    K --> L[使用ifup wlan0确认启动情况]
    L --> M[移除其他USB设备]

3. 迈向全无线树莓派

完成上述WiFi配置后，你已经成功移除了以太网电缆，可以无线访问树莓派，此时可能只剩下电源线这一根电缆了。

3.1 解决供电问题

为树莓派供电是一个必要的需求，最简单方便的解决方案是使用大容量USB电池。现在市面上有很多这样的电池，可用于为各种移动设备充电。将树莓派连接到这种电池上使用，因为它们专为为USB设备供电而设计，能保证为树莓派提供正确的功率输出。但需要注意的是，要确保电池能够提供完整的1安培功率，因为有些USB电池虽然可以充电，但功率不足以驱动树莓派。

3.2 使用供电型USB适配器

如果树莓派的USB接口负载过大，可能会导致系统崩溃，因为它自身的电源供应有限。解决方法是使用供电型USB集线器，这种集线器通常有一个输出接口和多个输入接口，并且有一个电源接口用于供电。其原理是人们很少使用USB的全部数据传输量，但经常会遇到电源不足的问题，因此使用市电为USB设备补充电源是一种增加设备使用灵活性的好方法。如果你发现连接设备后树莓派自动关机，很可能需要这样一个集线器来分散电源负载。

4. 搭建树莓派监控系统（Raspberry sPi）

4.1 所需材料

搭建树莓派监控系统需要以下材料：
- 1个树莓派
- 1根Micro USB电缆（用于供电）
- 1根以太网电缆
- 1个USB网络摄像头
- 1张SD卡

需要注意的是，并非所有网络摄像头都与树莓派兼容。本指南使用的是Logitech C525网络摄像头。你可以在 这里 查看树莓派社区维护的兼容硬件列表，以确认你的外设是否与树莓派兼容。

4.2 预设置

在开始之前，只需连接Micro USB电缆供电，连接以太网电缆进行网络访问，连接SD卡进行存储，暂时不要连接摄像头，后续会进行操作。此过程假设你熟悉以下内容：
- 安装Raspbian操作系统
- 在Raspbian Linux环境中工作的知识

如果你对这些内容不熟悉，不用担心，可以参考相关资料进行学习。

4.3 开始配置

首先加载Raspbian系统并将树莓派连接到网络，完成Raspbian的设置过程，并确保启用SSH，因为后续需要远程访问。设置完成后，通过SSH登录到树莓派。

登录后，输入 dmesg 命令并查看输出。 dmesg 命令是一个驱动消息工具，它会显示所有发送到内核的消息的日志输出，包括来自设备和驱动程序的消息。这个命令对于确定连接了哪些设备以及如何与它们交互非常有用，同时在诊断底层问题时，它列出的驱动和内核消息也非常有帮助。

以下是 dmesg 命令输出的一部分示例：

[    1.998581] Waiting for root device /dev/mmcblk0p2...
[    2.071268] mmc0: new high speed SD card at address 7d37
[    2.079917] mmcblk0: mmc0:7d37 SD02G 1.83 GiB
[    2.088723]  mmcblk0: p1 p2
[    2.132278] EXT4-fs (mmcblk0p2): mounted filesystem with ordered data mode. Opts: (null)
[    2.145275] VFS: Mounted root (ext4 filesystem) on device 179:2.
[    2.155272] Freeing init memory: 200K
[    2.187333] usb 1–1: new high speed USB device number 2 using dwc_otg
[    2.418045] usb 1–1: New USB device found, idVendor=0424, idProduct=9512
[    2.427750] usb 1–1: New USB device strings: Mfr=0, Product=0, SerialNumber=0
[    2.438708] hub 1–1:1.0: USB hub found
[    2.445041] hub 1–1:1.0: 3 ports detected
[    2.727674] usb 1–1.1: new high speed USB device number 3 using dwc_otg
[    2.837920] usb 1–1.1: New USB device found, idVendor=0424, idProduct=ec00
[    2.857413] usb 1–1.1: New USB device strings: Mfr=0, Product=0, SerialNumber=0
[    2.878968] smsc95xx v1.0.4
[    2.942985] smsc95xx 1–1.1:1.0: eth0: register 'smsc95xx' at usb-bcm2708_usb-1.1, smsc95xx  
USB 2.0 Ethernet, b8:27:eb:8a:46:ba
[   11.006171] EXT4-fs (mmcblk0p2): re-mounted. Opts: (null)
[   11.426960] ### snd_bcm2835_alsa_probe c05c88e0 ############### PROBING FOR bcm2835 ALSA  
device (0):(1) ###############
[   11.442869] Creating card...
[   11.448268] Creating device/chip ..
[   11.454771] Adding controls ..
[   11.460340] Registering card ....
[   11.475463] bcm2835 ALSA CARD CREATED!
[   11.487786] ### BCM2835 ALSA driver init OK ###
[   18.493739] smsc95xx 1–1.1:1.0: eth0: link up, 100Mbps, full-duplex, lpa 0x45E1
[   24.672322] Adding 102396k swap on /var/swap.  Priority:-1 extents:1 across:102396k SS

dmesg 命令的输出可能看起来有些难以理解，其中方括号内的数值是一个计时器值，表示自系统启动以来经过的时间，这有助于跟踪系统中的事件顺序。内容方面，单独看很多行可能没有诊断价值，但综合起来可以了解树莓派中发生的具体情况。例如，第一行 waiting on root device /dev/mmcblk0p2 表示系统正在等待某个设备， /dev 表明这是Linux操作系统列出所有设备的位置， mmcblk0p2 是一系列缩写：
- mmc 表示多媒体卡（闪存设备标准）
- blk 表示块存储设备
- 0 表示这种类型的第一个逻辑设备
- p2 表示设备的第二个分区

因此，系统实际上是在等待SD卡。后续几行显示了SD卡的注册过程，以及设备将文件系统挂载为可读的过程。继续往下看，可以看到树莓派的USB设备、以太网端口和音频端口的注册信息。

现在你应该明白为什么一开始不直接连接摄像头了，接下来连接摄像头并再次运行 dmesg 命令，查看新出现的行，这些行应该都与新连接的摄像头相关。以下是连接摄像头后的输出示例：

[ 8168.793423] usb 1–1.2: new high speed USB device number 4 using dwc_otg
[ 8169.147691] usb 1–1.2: New USB device found, idVendor=046d, idProduct=081d
[ 8169.147736] usb 1–1.2: New USB device strings: Mfr=0, Product=0, SerialNumber=1
[ 8169.147758] usb 1–1.2: SerialNumber: 8627F4C0
[ 8169.314171] Linux video capture interface: v2.00
[ 8169.336482] uvcvideo: Found UVC 1.00 device <unnamed> (046d:081d)
[ 8169.402071] input: UVC Camera (046d:081d) as /devices/platform/bcm2708_usb/usb1/1-1/1-1.2/ 
1-1.2:1.2/input/input0
[ 8169.402280] usbcore: registered new interface driver uvcvideo
[ 8169.402299] USB Video Class driver (1.1.1)
[ 8169.460903] usbcore: registered new interface driver snd-usb-audio

从这些行可以看出，第一行到第四行表示USB端口检测到新连接的设备，第五行表明这是一个视频捕获接口，第六行表示 uvcvideo 模块找到了一个USB视频类（UVC）设备并进行了识别和注册，最后一行显示摄像头的麦克风也作为 snd-usb-audio 设备进行了注册，这说明摄像头已成功连接并注册到操作系统中。

4.4 确定摄像头设备名称

设备注册后，需要找到一种方法来引用它，以便应用程序可以使用。 dmesg 输出并没有明确指出添加的是哪个设备，因此可以通过列出 /dev 目录的内容来查找。

$ ls /dev/

/dev 目录下有很多设备，我们可以快速排除一些：所有的 tty 设备（它们是电传打字设备）、所有的 ram 设备（树莓派的RAM）、所有的 loop 设备（回环连接器）、所有的 memblck 设备（与SD卡相关）和所有的 vcs 设备（虚拟控制台）。剩下的设备中， video0 看起来最有可能是我们要找的摄像头设备，因为我们连接的是摄像头，并且它注册为视频捕获设备。

为了确认 video0 是否为我们连接的摄像头，可以使用 udevadm 命令，它是Debian（包括Raspbian）中用于访问 udev 系统内部工作机制的工具， udev 是Linux内核的设备管理器，它管理设备的注册位置和方式，以便应用程序可以访问它们。执行以下命令：

$ udevadm info –q all –n /dev/video0

命令输出如下：

P: /devices/platform/bcm2708_usb/usb1/1-1/1-1.2/1-1.2:1.2/video4linux/video0
N: video0
S: v4l/by-id/usb-046d_081d_8627F4C0-video-index0
S: v4l/by-path/platform-bcm2708_usb-usb-0:1.2:1.2-video-index0
E: DEVLINKS=/dev/v4l/by-id/usb-046d_081d_8627F4C0-video-index0 /dev/v4l/by-path/platform-bcm2708_
usb-usb-0:1.2:1.2-video-index0
E: DEVNAME=/dev/video0
E: DEVPATH=/devices/platform/bcm2708_usb/usb1/1-1/1-1.2/1-1.2:1.2/video4linux/video0
E: ID_BUS=usb
E: ID_MODEL=081d
E: ID_MODEL_ENC=081d
E: ID_MODEL_ID=081d
E: ID_PATH=platform-bcm2708_usb-usb-0:1.2:1.2
E: ID_PATH_TAG=platform-bcm2708_usb-usb-0_1_2_1_2
E: ID_REVISION=0010
E: ID_SERIAL=046d_081d_8627F4C0
E: ID_SERIAL_SHORT=8627F4C0
E: ID_TYPE=video
E: ID_USB_DRIVER=uvcvideo
E: ID_USB_INTERFACES=:010100:010200:0e0100:0e0200:
E: ID_USB_INTERFACE_NUM=02
E: ID_V4L_CAPABILITIES=:capture:
E: ID_V4L_PRODUCT=UVC Camera (046d:081d)
E: ID_V4L_VERSION=2
E: ID_VENDOR=046d
E: ID_VENDOR_ENC=046d
E: ID_VENDOR_ID=046d
E: MAJOR=81
E: MINOR=0
E: SUBSYSTEM=video4linux
E: TAGS=:udev-acl:
E: UDEV_LOG=3
E: USEC_INITIALIZED=8168852755

输出看起来很复杂，但仔细观察第一行，它与 dmesg 中摄像头连接时显示的设备标识符相同。实际上，这里的大部分信息都在 dmesg 输出中有所提及。因此，可以确定我们连接的USB摄像头在文件系统中可通过 /dev/video0 访问。

graph LR
    A[加载Raspbian并连接网络] --> B[启用SSH并通过SSH登录树莓派]
    B --> C[运行dmesg命令查看初始输出]
    C --> D[连接摄像头]
    D --> E[再次运行dmesg命令查看新输出]
    E --> F[列出/dev目录内容]
    F --> G[筛选出可能的摄像头设备video0]
    G --> H[使用udevadm info命令确认]
    H --> I{确认video0为摄像头设备?}
    I -- 是 --> J[完成设备识别]
    I -- 否 --> K[重新检查步骤]

通过以上步骤，你可以完成树莓派的无线配置和监控系统的初步搭建，实现无线访问和设备监控的功能。在实际操作过程中，遇到问题可以根据上述步骤进行排查，确保各个配置和连接正常。

5. 树莓派监控系统的应用与拓展

5.1 实时监控应用

完成摄像头设备的识别后，我们可以使用相关软件来实现实时监控功能。例如，使用 motion 软件，它是一款开源的运动检测软件，可以在树莓派上运行并对摄像头捕获的视频进行监控。

安装 motion 软件

在树莓派的终端中执行以下命令来安装 motion ：

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install motion

配置 motion 软件

安装完成后，需要对 motion 进行配置。打开 motion 的配置文件 /etc/motion/motion.conf ：

$ sudo nano /etc/motion/motion.conf

在配置文件中，需要进行以下关键设置：
- videodevice ：设置为 /dev/video0 ，即我们之前确定的摄像头设备。
- width 和 height ：设置视频的宽度和高度，例如 width 640 和 height 480 。
- framerate ：设置帧率，例如 framerate 10 。
- output_pictures ：设置是否保存检测到运动时的图片，例如 output_pictures on 。

修改完成后，按 Ctrl + X ，然后按 Y 保存并退出。

启动 motion 服务

启动 motion 服务并设置开机自启：

$ sudo systemctl start motion
$ sudo systemctl enable motion

现在，你可以通过浏览器访问树莓派的IP地址和 motion 的默认端口（通常是 8081 ）来查看实时监控画面，例如 http://10.0.0.59:8081 。

5.2 远程访问与控制

为了实现远程访问树莓派监控系统，可以使用端口转发或VPN等方法。这里以端口转发为例，假设你的树莓派在家庭网络中，并且你的路由器支持端口转发功能。

配置路由器端口转发

1. 登录路由器的管理界面，通常通过浏览器访问路由器的IP地址（例如 192.168.1.1 ）。
2. 找到端口转发或虚拟服务器的设置选项。
3. 添加一条转发规则，将外部端口（例如 8081 ）转发到树莓派的内部IP地址和端口（例如 10.0.0.59:8081 ）。
4. 保存设置并重启路由器。

现在，你可以在外部网络中通过公网IP地址和转发的端口（例如 http://your_public_ip:8081 ）访问树莓派的监控画面。

5.3 拓展功能

树莓派监控系统还可以进行一些拓展，例如添加报警功能、与其他智能家居设备集成等。

添加报警功能

可以使用Python编写一个简单的脚本，当 motion 检测到运动时发送邮件或短信通知。以下是一个简单的Python脚本示例：

import smtplib
from email.mime.text import MIMEText

# 邮件配置
sender = 'your_email@example.com'
receiver = 'recipient_email@example.com'
password = 'your_email_password'
smtp_server = 'smtp.example.com'
smtp_port = 587

# 检测到运动时发送邮件
def send_alert():
    msg = MIMEText('Motion detected on your Raspberry Pi camera!')
    msg['Subject'] = 'Motion Alert'
    msg['From'] = sender
    msg['To'] = receiver

    try:
        server = smtplib.SMTP(smtp_server, smtp_port)
        server.starttls()
        server.login(sender, password)
        server.sendmail(sender, receiver, msg.as_string())
        server.quit()
        print('Alert email sent successfully!')
    except Exception as e:
        print(f'Error sending alert email: {e}')

# 模拟检测到运动
send_alert()

将上述脚本保存为 alert.py ，并在 motion 检测到运动时执行该脚本。可以通过修改 motion 的配置文件 /etc/motion/motion.conf 中的 on_motion_detected 选项来实现：

on_motion_detected /usr/bin/python3 /path/to/alert.py

与智能家居设备集成

树莓派可以通过各种接口（如GPIO、蓝牙、WiFi等）与其他智能家居设备集成。例如，当监控系统检测到运动时，可以通过GPIO接口控制灯光的开关，或者通过蓝牙与智能门锁进行交互。

以下是一个简单的Python脚本示例，用于通过GPIO接口控制LED灯：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 定义LED引脚
led_pin = 18

# 设置LED引脚为输出模式
GPIO.setup(led_pin, GPIO.OUT)

# 模拟检测到运动时点亮LED灯
def motion_detected():
    GPIO.output(led_pin, GPIO.HIGH)
    time.sleep(5)  # 点亮5秒
    GPIO.output(led_pin, GPIO.LOW)

# 模拟检测到运动
motion_detected()

# 清理GPIO设置
GPIO.cleanup()

6. 总结与展望

6.1 总结

通过前面的步骤，我们完成了树莓派的无线配置和监控系统的搭建。具体步骤如下表所示：
| 步骤 | 操作内容 |
| — | — |
| 1 | 通过GUI或命令行方式完成树莓派的WiFi配置，实现无线访问。 |
| 2 | 解决树莓派的供电问题，使用大容量USB电池或供电型USB适配器。 |
| 3 | 搭建树莓派监控系统，包括连接USB摄像头、确定设备名称、安装和配置 motion 软件。 |
| 4 | 实现实时监控和远程访问功能，通过端口转发或VPN等方法。 |
| 5 | 拓展监控系统功能，如添加报警功能、与智能家居设备集成。 |

6.2 展望

树莓派作为一个功能强大且成本低廉的开发平台，具有广阔的应用前景。在未来，我们可以进一步拓展树莓派监控系统的功能，例如：
- 引入人工智能技术，实现人脸识别、物体识别等高级功能。
- 与云服务集成，将监控数据存储到云端，方便远程查看和管理。
- 开发移动应用程序，实现通过手机随时随地控制和查看监控画面。

graph LR
    A[无线配置] --> B[监控系统搭建]
    B --> C[实时监控与远程访问]
    C --> D[功能拓展]
    D --> E[未来展望]

通过不断地探索和实践，我们可以充分发挥树莓派的潜力，实现更多有趣和实用的项目。在实际操作过程中，遇到问题可以参考前面的步骤进行排查和解决，同时也可以查阅相关的文档和资料，不断提升自己的技术水平。希望本文对你有所帮助，祝你在树莓派的世界中取得更多的成果！