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

• Встроенный 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.