Когда у меня появилась теплица, первым желанием было автоматизировать всё, что можно: контроль температуры, управление вентиляцией, полив, освещение. Готовые решения либо стоят дорого, либо замкнуты в экосистеме одного производителя, либо не дают нужной гибкости. Поэтому я решил создать собственную систему по автоматизации управления процессами в теплице. Также у меня было много бесхозных контроллеров ESP8266/ESP32, которые нужно было куда-то "пристроить".
В этой статье расскажу о концепции проекта, его архитектуре и обзорно покажу веб-интерфейс. В следующих частях разберу каждый компонент подробнее.
Концепция
Идея простая: Raspberry Pi — это центр управления. К нему подключается всё: датчики, реле, ESP8266/ESP32-устройства, разбросанные по теплице. Пользователь видит единый веб-интерфейс, где можно:
Видеть температуру с каждого датчика в реальном времени
Управлять реле и ШИМ прямо из браузера
Строить автоматизации по принципу «если температура > 29°C — выключить реле нагрева»
Получать алерты при потере связи с устройством
Мониторить историю показаний в виде графиков
Ничего не требует интернета. Всё работает в локальной сети. Плюсом такого подхода является модульность и легкость расширения функционала путем добавления разных по функционалу компонентов.
Архитектура системы
Система состоит из трёх уровней.
1. Raspberry Pi — центральный сервер
FastAPI-бэкенд (порт 8001) — REST API + WebSocket
React-фронтенд через Nginx (порт 8088)
PostgreSQL — история, конфигурация, автоматизации
Весь стек запускается одной командой через Docker Compose
2. ESP8266-устройства — периферия
Прошивка на ESP8266/ESP32 RTOS SDK (без Arduino)
Датчики DS18B20 (1-Wire, до 4 штук) и DHT22 (температура + влажность)
4-канальное реле + 4 PWM-канала
Встроенн��й HTTP REST API: /status, /control, /config
Raspberry Pi опрашивает каждое устройство по HTTP каждые N секунд
3. GPIO Raspberry Pi 4— прямое управление
Управление пинами через lgpio
Три режима: OUTPUT (цифровой выход), INPUT (цифровой вход), PWM (аппаратный ШИМ)
Аппаратный PWM доступен на GPIO 12, 13, 18, 19
Взаимодействие в реальном времени — через WebSocket. Все изменения состояния (GPIO, датчики) моментально появляются в браузере без перезагрузки страницы.
Технологии бэкенда
FastAPI — фреймворк для REST API. Выбран за нативный async/await, автогенерацию OpenAPI-документации и валидацию через Pydantic. Каждый раздел системы — отдельный роутер: gpio.py, devices.py, sensors.py, automations.py, alerts.py, auth.py.
PostgreSQL + SQLAlchemy + Alembic — реляционная БД, ORM и управление миграциями. Исторические данные с датчиков, конфигурации устройств и правила автоматизации хранятся в PostgreSQL.
WebSocket — FastAPI WebSocket + собственный WebSocket Manager. Клиент подписывается на топики (gpio, sensors, devices), и при любом изменении состояния сервер делает broadcast нужным подписчикам.
JWT-аутентификация — python-jose + passlib/bcrypt. Все защищённые эндпоинты проверяют Bearer-токен. Роли: admin может менять конфигурацию, обычный пользователь — только читать.
gpiozero + lgpio — библиотека для работы с GPIO. Используется lgpio как pin factory: не требует демона pigpiod, работает напрямую через /dev/gpiochip0, является дефолтным бэкендом на Pi OS Bookworm.
psutil — сбор системной информации: температура CPU, загрузка, RAM, диск, uptime.
Технологии фронтенда
React (Create React App) — компонентный SPA. Состояние передаётся через Context API (AuthContext для аутентификации).
i18next — интернационализация. Интерфейс полностью переведён на русский и английский. Переключатель RU / EN виден в правом верхнем углу навбара.
useWebSocket — кастомный хук, который подключается к бэкенду и раздаёт обновления нужным компонентам. Иконка «● Live» в навбаре показывает состояние соединения.
Nginx — раздаёт собранный React-бандл, проксирует /api/* и /ws/* на бэкенд (порт 8001).
Docker multi-stage build — сначала собирается React (node:18-alpine), затем статика копируется в nginx:alpine. Итоговый образ не содержит Node.js.
Прошивка ESP8266
Прошивка написана на C, без Arduino. Используется ESP8266 RTOS SDK v3.4 — IDF-стайл API, аналогичный ESP-IDF для ESP32, но с отличиями в сетевом стеке (tcpip_adapter вместо esp_netif) и PWM-драйвере (driver/pwm.h с общей несущей частотой FRC1 вместо LEDC).
Многозадачность — FreeRTOS
sensor_task опрашивает датчики каждые N мс, HTTP-сервер работает в задаче SDK. Общее состояние (показания датчиков, состояние реле) защищено мьютексом.
Датчики
DS18B20 (1-Wire, bit-bang) — до 4 датчиков на одной шине, каждый идентифицируется по уникальному 64-битному ROM-коду.
DHT22 (AM2302, bit-bang) — температура и влажность.
Управление
4-канальное реле — GPIO, настраиваемая полярность (active LOW / active HIGH).
4 PWM-канала — все каналы делят одну несущую частоту (FRC1). Диапазон 0–1000 (per mille). Режимы: Standard (LED-диммер, вентилятор) и Servo (1000–2000 мкс, управление угловым положением).
HTTP REST API
GET /status — показания датчиков + состояние реле и PWM. Используется поллером Raspberry Pi.
POST /control — управление реле и PWM: {"relay1": 1, "pwm1": 750}.
GET/POST /config — конфигурация устройства, хранится в NVS flash.
WiFi и NVS
При первом запуске поднимается точка доступа SG-Setup-XXXXXX (192.168.4.1). После ввода WiFi-credentials устройство подключается к роутеру в STA-режиме. Конфигурация (SSID, пароль, GPIO-пины, метки датчиков, API-ключ) хранится в NVS flash и переживает перезагрузку.
Сборка и прошивка
Собирается через idf.pybuild в Linux/WSL2, прошивается через esptool (Windows и Linux).
Обзор веб-интерфейса
Веб-интерфейс доступен по адресу RaspberryPi на порту 8088. Навигация — горизонтальный навбар с разделами: Панель, Устройства, Мониторинг, GPIO, GPIO настройки, Автоматизация, Алерты, RaspberryPi.
Панель (Dashboard)
Главный экран показывает сводку: сколько устройств онлайн/офлайн, количество непрочитанных алертов, карточки ESP-устройств с текущими показаниями всех датчиков.
ESP-устройства
Список всех зарегистрированных ESP8266-модулей. Каждое устройство имеет тип (Климат, Полив, Свет, CO₂, Питание, Камера), IP-адрес, интервал опроса и время последнего успешного опроса.
Страница устройства
Детальный вид: текущие показания каждого сенсора с мин/ср/макс, управление реле (кнопки ON/OFF) и PWM-слайдеры (0–1000). Видна мета-информация: MAC-адрес, версия прошивки, интервал опроса.
Мониторинг сенсоров
Исторические графики по любому сенсору за выбранный период (1 час, 24 часа, 3 дня, 7 дней). Отображаются мин/ср/макс и количество измерений за период. Ниже графика — live-таблица текущих показаний всех устройств через WebSocket.
GPIO — настройки и управление
Два раздела для работы с пинами Raspberry Pi. В настройках назначается функция:
· OUTPUT — управляется командами on/off через REST API
· INPUT — состояние отслеживается через WebSocket в реальном времени
· PWM — аппаратный ШИМ (доступен только на GPIO 12, 13, 18, 19 через lgpio)
В панели управления — слайдеры для PWM-пинов и кнопки для OUTPUT. Все изменения мгновенно отражаются у всех подключённых клиентов.
Система правил «ЕСЛИ → ТО». Условие: устройство + сенсор + оператор (>, <, =, ≠) + пороговое значение. Действие: управление ESP-устройством (реле или PWM) либо GPIO Raspberry Pi. Поддерживаются cooldown (минимальный интервал между срабатываниями) и включение/выключение правила без удаления.
Пример: правило «Прогрев ВКЛ» — если temperature_3 < 24 → включить relay1 на устройстве Relay Control 1.
Алерты
Журнал событий. Если ESP-устройство не отвечает на опрос — создаётся алерт с временной меткой и типом error. Можно фильтровать только непрочитанные и отмечать все прочитанными разом.
Информация о Raspberry Pi
Информационная страница платы: модель, процессор, ОЗУ, производитель (из /proc/cpuinfo), температура CPU, загрузка, использование диска и RAM, uptime, IP-адреса, версия ОС и ядра. Внизу перечислены аппаратные PWM-пины с физическими номерами разъёма.
Деплой через Docker Compose
Система запускается одной командой: docker compose up --build.
Три сервиса:
db: postgres:13-alpine — база данных с healthcheck
api: FastAPI + Alembic + Uvicorn — автоматически накатывает миграции при старте
client: React + Nginx — собирается в multi-stage Dockerfile
Для работы с GPIO пробрасываются устройства /dev/gpiomem и /dev/gpiochip0. Pin factory — lgpio (не требует демона pigpiod, дефолтный бэкенд на Pi OS Bookworm).
Что дальше
В следующих статьях планирую разобрать:
Обзор прошивки ESP8266 подробнее
Схему подключения железа к Raspberry Pi и ESP8266
Обзор реализации подключаемых устройств на базе ESP32
Заключение
Получилась полноценная IoT-платформа для теплицы — и не только. Никаких внешних облаков, никаких подписок, всё работает локально. Код переиспользуемый: добавить новый тип ESP-устройства или новый тип автоматизации можно за несколько десятков строк.
Если вам интересен проект или есть вопросы — пишите в комментариях.
