TECHNOLOGY IN ACTION™ Sensor Projects with Raspberry Pi Internet of Things and Digital Image Processing — Guillermo Guillen Sensor Projects with Raspberry Pi Internet of Things and Digital Image Processing Guillermo Guillen Sensor Projects with Raspberry Pi: Internet of Things and Digital Image Processing Guillermo Guillen Ciudad de Mexico, Mexico ISBN-13 (pbk): 978-1-4842-5298-7 ISBN-13 (electronic): 978-1-4842-5299-4 https://doi.org/10.1007/978-1-4842-5299-4 Copyright © 2019 by Guillermo Guillen This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. Trademarked names, logos, and images may appear in this book. Rather than use a trademark symbol with every occurrence of a trademarked name, logo, or image we use the names, logos, and images only in an editorial fashion and to the benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the trademark. The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they are not identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights. While the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication, neither the authors nor the editors nor the publisher can accept any legal responsibility for any errors or omissions that may be made. The publisher makes no warranty, express or implied, with respect to the material contained herein. Managing Director, Apress Media LLC: Welmoed Spahr Acquisitions Editor: Aaron Black Development Editor: James Markham Coordinating Editor: Jessica Vakili Distributed to the book trade worldwide by Springer Science+Business Media New York, 233 Spring Street, 6th Floor, New York, NY 10013. Phone 1-800-SPRINGER, fax (201) 348-4505, e-mail [email protected], or visit www.springeronline.com. Apress Media, LLC is a California LLC and the sole member (owner) is Springer Science + Business Media Finance Inc (SSBM Finance Inc). SSBM Finance Inc is a Delaware corporation. For information on translations, please e-mail [email protected], or visit www.apress. com/rights-permissions. Apress titles may be purchased in bulk for academic, corporate, or promotional use. eBook versions and licenses are also available for most titles. For more information, reference our Print and eBook Bulk Sales web page at www.apress.com/bulk-sales. Any source code or other supplementary material referenced by the author in this book is available to readers on GitHub via the book’s product page, located at www.apress.com/ 978-1-4842-5298-7. For more detailed information, please visit www.apress.com/ source-code. Printed on acid-free paper This book is dedicated to all those people in my family who are no longer with us, and who died… my grandmother Sofia, my uncle Miguel, and my brother Polo. Table of Contents About the Author ���������������������������������������������������������������������������������xi About the Technical Reviewer �����������������������������������������������������������xiii Acknowledgments ������������������������������������������������������������������������������xv Introduction ��������������������������������������������������������������������������������������xvii Chapter 1: Theoretical Fundamentals ���������������������������������������������������1 Programming with the Raspberry Pi ���������������������������������������������������������������������2 Elements of the Language �������������������������������������������������������������������������������4 Flow Control Structures �����������������������������������������������������������������������������������9 Important Differences Between Python 2�7�x and Python 3�x �����������������������16 Internet of Things ������������������������������������������������������������������������������������������������20 History �����������������������������������������������������������������������������������������������������������21 Smart Home Applications ������������������������������������������������������������������������������22 Elder Care Applications����������������������������������������������������������������������������������23 Medical and Healthcare Applications ������������������������������������������������������������23 Transportation Applications ���������������������������������������������������������������������������25 Building and Home Automation Applications �������������������������������������������������26 Manufacturing Applications ���������������������������������������������������������������������������27 Agriculture Applications ��������������������������������������������������������������������������������29 Metropolitan-Scale Deployments ������������������������������������������������������������������29 Energy Management Applications �����������������������������������������������������������������31 Environmental Monitoring Applications ���������������������������������������������������������32 Living Lab Application������������������������������������������������������������������������������������33 v TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss IoT Security ����������������������������������������������������������������������������������������������������34 What’s the Difference Between OT and IoT? �������������������������������������������������34 Digital Image Processing ������������������������������������������������������������������������������������34 History �����������������������������������������������������������������������������������������������������������36 Tasks �������������������������������������������������������������������������������������������������������������37 Techniques ����������������������������������������������������������������������������������������������������39 Applications ���������������������������������������������������������������������������������������������������43 Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������44 Chapter 2: Alarm System ��������������������������������������������������������������������47 Hardware ������������������������������������������������������������������������������������������������������������47 Software ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������51 Procedure ������������������������������������������������������������������������������������������������������������54 Creating a Project in ThingSpeak ������������������������������������������������������������������54 Using Your Twitter Account in ThingSpeak ����������������������������������������������������57 Sending an Alert to Your Twitter Account �������������������������������������������������������59 Challenges ����������������������������������������������������������������������������������������������������������61 Conclusion ����������������������������������������������������������������������������������������������������������61 Chapter 3: Gas Leak Alarm �����������������������������������������������������������������63 Hardware ������������������������������������������������������������������������������������������������������������63 Software ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������68 Procedure ������������������������������������������������������������������������������������������������������������70 Installing the ADS1115 Sensor Library ����������������������������������������������������������70 Enabling the 12C Interface ����������������������������������������������������������������������������71 Creating a Project in ThingSpeak ������������������������������������������������������������������71 Using Your Twitter Account in ThingSpeak ����������������������������������������������������75 Sending an Alert to Your Twitter Account �������������������������������������������������������75 vi TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss Challenges ����������������������������������������������������������������������������������������������������������78 Conclusion ����������������������������������������������������������������������������������������������������������78 Chapter 4: Weather Station �����������������������������������������������������������������79 Hardware ������������������������������������������������������������������������������������������������������������80 Software ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������84 Procedure ������������������������������������������������������������������������������������������������������������89 Installing the DHT11 Sensor Library �������������������������������������������������������������������89 Installing the BMP085 Sensor Library �����������������������������������������������������������������90 Enabling the 12C Interface ����������������������������������������������������������������������������������90 Creating a Project in ThingSpeak ������������������������������������������������������������������������90 Using Your Twitter Account in ThingSpeak ����������������������������������������������������������94 Sending an Alert to Your Twitter Account ������������������������������������������������������������94 Challenges ����������������������������������������������������������������������������������������������������������96 Conclusion ����������������������������������������������������������������������������������������������������������96 Chapter 5: Digital Image Processing with Python and OpenCV ���������97 Installing the Software ����������������������������������������������������������������������������������������98 Step 1: Installing Python 2�7 and 3 ���������������������������������������������������������������������99 Step 2: Installing Dependencies ��������������������������������������������������������������������������99 Step 3: Getting the Latest OpenCV Source Code �����������������������������������������������102 Step 4: Installing pip and virtualenv ������������������������������������������������������������������103 Step 5: Creating a Virtual Environment �������������������������������������������������������������105 Step 6: Installing Numpy and Scipy ������������������������������������������������������������������106 Step 7: Installing OpenCV ����������������������������������������������������������������������������������106 Step 8: Testing the OpenCV Installation ������������������������������������������������������������111 Classifiers ���������������������������������������������������������������������������������������������������������113 vii TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss Step 1: Collecting Images for a Database ���������������������������������������������������������113 Step 2: Arranging the Negative Images �������������������������������������������������������������114 Step 3: Cropping and Marking Positive Images ������������������������������������������������116 Step 4: Creating a Vector of Positive Images ����������������������������������������������������121 Step 5: Haar Training �����������������������������������������������������������������������������������������123 Step 6: Creating the XML File ����������������������������������������������������������������������������125 Testing with Images ������������������������������������������������������������������������������������������127 Testing with Videos �������������������������������������������������������������������������������������������128 Moving a Robot Arm ������������������������������������������������������������������������������������������132 Software ������������������������������������������������������������������������������������������������������������139 Challenges ��������������������������������������������������������������������������������������������������������139 Conclusion ��������������������������������������������������������������������������������������������������������139 Appendix: Hardware Specifications ��������������������������������������������������141 Raspberry Pi 3B ������������������������������������������������������������������������������������������������142 Technical Specifications �����������������������������������������������������������������������������143 Raspberry Pi Zero W ������������������������������������������������������������������������������������������145 PIR Motion Sensor ���������������������������������������������������������������������������������������������146 Advantages ��������������������������������������������������������������������������������������������������146 Specifications ����������������������������������������������������������������������������������������������146 MQ2 Gas Sensor ������������������������������������������������������������������������������������������������147 Characteristics ��������������������������������������������������������������������������������������������148 Applications �������������������������������������������������������������������������������������������������148 ADS1115 ����������������������������������������������������������������������������������������������������������� 149 Features������������������������������������������������������������������������������������������������������� 149 Applications ������������������������������������������������������������������������������������������������� 150 viii TTaabbllee ooff CCoonnTTeennTTss BMP085 Pressure Sensor ���������������������������������������������������������������������������������150 Description ��������������������������������������������������������������������������������������������������151 Technical Details �����������������������������������������������������������������������������������������151 DHT11 Humidity Sensor ������������������������������������������������������������������������������������152 Features and Applications ���������������������������������������������������������������������������152 Description ��������������������������������������������������������������������������������������������������153 Technical Specifications ������������������������������������������������������������������������������153 Index �������������������������������������������������������������������������������������������������155 ix About the Author Guillermo Guillen is an Electronics and Communications Engineer, and a Military Engineer. He has worked in companies as a citizen and on government projects. He is the winner of “Make with Ada 2018-19” and several prizes in three other contests. He has written this book and over 40 articles about the research, design, development, and testing of electronic equipment used in various systems with the support of AWS or other. He currently works as a micro- entrepreneur, and you can find more information at www.guillengap.com. xi