Raspberry Pi的一個(gè)流行應(yīng)用是構(gòu)建Web服務(wù)器。為此，我們可以使用不同的技術(shù)，如Python、Node.JS甚至PHP。由于Raspberry Pi的絕大多數(shù)腳本都是用Python編寫的，因此使用Python創(chuàng)建REST API接口也是合情合理的。然后，我們可以調(diào)用特定的函數(shù)，例如控制或讀取GPIO。這可以方便地控制LED或其他傳感器/模塊。其美妙之處在于，我們可以使迄今為止為Raspberry Pi用Python編寫的幾乎所有代碼都可以輕松通過REST API進(jìn)行調(diào)用。因此，在本教程中，我們將使用FastAPI創(chuàng)建這樣一個(gè)接口，并探討如何擴(kuò)展和保障其安全。

所需硬件部件

原則上，本教程不需要太多的配件。但是，由于我們想測試我們的設(shè)置是否有效，我建議使用以下部件：

Raspberry Pi

LED燈

330Ω電阻

面包板

雌性-雌性跳線

當(dāng)然，你可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行擴(kuò)展，并連接傳感器（如?溫度傳感?器等），我們可以通過API對其進(jìn)行查詢。

什么是REST API？

API（應(yīng)用程序編程接口）是一種可以通過URL等調(diào)用的接口。REST（表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移）概括了一些原則，描述了接口應(yīng)該如何表現(xiàn)，例如，GET請求應(yīng)該是只讀的，并且不應(yīng)該更改服務(wù)器上的任何內(nèi)容。另一方面，POST命令允許創(chuàng)建新實(shí)體（例如，書籍的新實(shí)例）。你可以在這里了解更多關(guān)于實(shí)現(xiàn)的信息。

Raspberry Pi上的設(shè)置

在本教程中，Raspberry Pi上的設(shè)置非常簡單，因?yàn)槲覀冎皇褂靡粋€(gè)LED和一個(gè)按鈕。當(dāng)然，你的場景可以（應(yīng)該！）與此不同，因?yàn)樗皇且粋€(gè)示例，因此也非常簡單。

LED通過330Ω串聯(lián)電阻連接到GPIO 17，按鈕連接到3.3V和GPIO 21。

此外，我們在以下內(nèi)容中使用GPIO的BCM編號，而不是板載編號：

Raspberry PiGPIO引腳分配

Python REST API 的軟件組件

現(xiàn)在，我們將逐步創(chuàng)建API。首先，我們準(zhǔn)備所需的工具。之后，我們創(chuàng)建并擴(kuò)展我們的REST API，以切換或讀取GPIO。最后但同樣重要的是，我們要保障API的安全，以免任何人都可以訪問它。

順便說一下：你也可以在Github上找到我們將逐步講解的整個(gè)代碼。

安裝庫

在開始之前，我們需要Python3和一些庫，我們通過包安裝器pip加載它們。

sudo apt-get install python3 python3-pip

之后，我們可以安裝所需的Python庫：

pip3 install fastapi uvicorn[standard] rpi.gpio

可以在各自的文檔頁面（fastapi、uvicorn、rpi.gpio）上找到更多信息。

入門：首先通過API讀取狀態(tài)

讓我們開始第一次測試。為此，我們創(chuàng)建一個(gè)簡單的Python腳本。

sudo nano main.py

腳本內(nèi)容如下：

from fastapi import FastAPIimport RPi.GPIO as GPIO GPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setwarnings(False) app = FastAPI() @app.get("/read/{gpio}")def read_root(gpio: int): GPIO.setup(gpio, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) return {"gpio": gpio, "on": GPIO.input(gpio)}

使用CTRL+O保存文件，并使用CTRL+X關(guān)閉nano編輯器。之后，我們就可以啟動程序了。

uvicorn main:app --reload

現(xiàn)在，你可以在Raspberry Pi的瀏覽器中打開以下URL：http://127.0.0.1:8000/read/17

如果按鈕連接到不同的引腳，你可以更改GPIO編號。如果你沒有按下按鈕，結(jié)果將如下所示：

{"gpio":17,"on":false}

這是我們在此端點(diǎn)下定義的響應(yīng)。如果你按下按鈕并再次調(diào)用URL，結(jié)果將發(fā)生變化。僅用幾行代碼，我們就編寫了第一個(gè)REST端點(diǎn)。但現(xiàn)在我們想對其進(jìn)行擴(kuò)展。

擴(kuò)展我們的Python API——設(shè)置GPIO狀態(tài)

純讀取有點(diǎn)無聊，所以我們當(dāng)然還想控制和設(shè)置GPIO。因此，我們創(chuàng)建了另一個(gè)端點(diǎn)（這次是PATCH，因?yàn)槲覀円膬?nèi)容）：

from fastapi import FastAPIfrom pydantic import BaseModelimport RPi.GPIO as GPIO GPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setwarnings(False) app = FastAPI() class SetGPIO(BaseModel): on: bool @app.get("/read/{gpio}")def read_root(gpio: int): GPIO.setup(gpio, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) return {"gpio": gpio, "on": GPIO.input(gpio)} @app.patch("/set/{gpio}")def read_item(gpio: int, value: SetGPIO): if value.on: GPIO.setup(gpio, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH) else: GPIO.setup(gpio, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW) return {"gpio": gpio, "on": value.on}

如您所見，第一個(gè)參數(shù)再次是GPIO編號，

你可以使用Postman、瀏覽器擴(kuò)展或cURL（sudo apt-get install curl）。我使用了后者：

curl -X PATCH http://127.0.0.1:8000/set/21 -H "Content-Type: application/json" -d '{"on": true}'

這樣，LED就亮了！

順便說一下，你可以在http://127.0.0.1:8000/docs找到API文檔，這是使用Swagger/OpenAPI自動生成的。為了使響應(yīng)更具可讀性，我們定義了模型（response_model）。這只是一個(gè)具有屬性的類，在端點(diǎn)的定義中，我們聲明將返回此模型。

from fastapi import FastAPIfrom pydantic import BaseModelimport RPi.GPIO as GPIO GPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setwarnings(False) app = FastAPI() class GpioStatusResponse(BaseModel): gpio: int on: bool class SetGPIO(BaseModel): on: bool @app.get("/read/{gpio}", response_model=GpioStatusResponse)def read_root(gpio: int): GPIO.setup(gpio, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) return GpioStatusResponse(gpio=gpio, on=GPIO.input(gpio)) @app.patch("/set/{gpio}", response_model=GpioStatusResponse)def read_item(gpio: int, value: SetGPIO): if value.on: GPIO.setup(gpio, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH) else: GPIO.setup(gpio, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW) return GpioStatusResponse(gpio=gpio, on=value.on)

最后一項(xiàng)練習(xí)：構(gòu)建一個(gè)端點(diǎn)（POST），用于在GPIO上激活PWM，以便我們能夠調(diào)節(jié)LED的亮度（點(diǎn)擊此處訪問PWM文檔）。

https://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/PWM/此外，您現(xiàn)在擁有足夠的資源來構(gòu)建一個(gè)與用戶界面交互的GPIO，例如：

https://github.com/tutRPi/Raspberry-Pi-Simple-Web-GPIO-GUI

安全性——基本認(rèn)證和其他方法

如果我們開放Raspberry Pi的8000端口，任何人都可以訪問該API。我們要防止這種情況發(fā)生，并加入認(rèn)證機(jī)制。為此，我們有幾種選擇：

1.每次調(diào)用API時(shí)，都會在請求頭中發(fā)送用戶名和密碼。為此，我們使用基本認(rèn)證，并在調(diào)用時(shí)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。

2.另外，我們還可以使用帶有JWT（JSON Web Tokens）的oauth2，它們也是通過請求頭發(fā)送的。為了簡化起見，本教程中不會進(jìn)行此操作。如果您仍然想實(shí)現(xiàn)它（作為練習(xí)），可以在此處了解更多相關(guān)信息。

現(xiàn)在，我們再次打開腳本并相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整：

from fastapi.security import HTTPBasic, HTTPBasicCredentialsfrom pydantic import BaseModelfrom fastapi import Depends, FastAPI, HTTPException, statusimport RPi.GPIO as GPIOimport secrets GPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setwarnings(False) app = FastAPI()security = HTTPBasic() class GpioStatusResponse(BaseModel): gpio: int on: bool class SetGPIO(BaseModel): on: bool def get_current_username(credentials: HTTPBasicCredentials = Depends(security)): correct_username = secrets.compare_digest(credentials.username, "admin") correct_password = secrets.compare_digest(credentials.password, "passw0rd") if not (correct_username and correct_password): raise HTTPException( status_code=status.HTTP_401_UNAUTHORIZED, detail="Incorrect email or password", headers={"WWW-Authenticate": "Basic"}, ) return credentials.username @app.get("/read/{gpio}", response_model=GpioStatusResponse)def read_root(gpio: int, username: str = Depends(get_current_username)): GPIO.setup(gpio, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) return GpioStatusResponse(gpio=gpio, on=GPIO.input(gpio)) @app.patch("/set/{gpio}", response_model=GpioStatusResponse)def read_item(gpio: int, value: SetGPIO, username: str = Depends(get_current_username)): if value.on: GPIO.setup(gpio, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH) else: GPIO.setup(gpio, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW) return GpioStatusResponse(gpio=gpio, on=value.on)

為了使查詢能夠成功進(jìn)行，我們需要包含用戶名和密碼（第24/25行）。使用curl或Postman可以很容易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

curl -X PATCH http://127.0.0.1:8000/set/21 -H "Content-Type: application/json" -d '{"on": false}' -u "admin:passw0rd"

最后但同樣重要的是：如果您希望通過互聯(lián)網(wǎng)訪問API（即向外部世界開放您的端口），建議使用SSL證書（如Let’s Encrypt），以確保連接加密。您可以在此頁面上了解更多相關(guān)信息。

結(jié)論

使用FastAPI，我們可以非常輕松、快速地創(chuàng)建一個(gè)REST接口，并調(diào)用特定于Raspberry Pi的函數(shù)。通過它，我們可以控制GPIO、讀取傳感器數(shù)據(jù)等等。如果外部系統(tǒng)需要調(diào)用Raspberry Pi，這是一個(gè)簡單且清晰的解決方案。然而，您應(yīng)該注意適當(dāng)?shù)纳矸蒡?yàn)證，以確保不是每個(gè)人都可以遠(yuǎn)程控制Raspberry Pi。

作為Python REST API的替代方案，有諸如MQTT之類的解決方案：如果只需要傳輸/接收數(shù)據(jù)，并且沒有公共API，MQTT是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。如果我們?nèi)匀恍枰狝PI，也可以使用Node.JS來切換GPIO。總的來說，我覺得通過Python的解決方案更加舒適，而且它擁有最多的兼容擴(kuò)展。