基于樹(shù)莓派的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化、個(gè)性化的智能家居產(chǎn)品需求越來(lái)越大，但當(dāng)前智能家居產(chǎn)品之間設(shè)備接口、通訊協(xié)議等多種多樣，尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這些因素制約著智能家居產(chǎn)品的推廣與普及。文章提出一種以開(kāi)源硬件樹(shù)莓派系統(tǒng)為中心，兼容多協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，旨在解決當(dāng)前異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同協(xié)議與不同接口的兼容問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：智能家居系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；樹(shù)莓派；ZigBee；WIFI 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文章編號(hào)：1009-2374（2016）17-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.005

1 概述

智能家居網(wǎng)關(guān)作為智能家居系統(tǒng)的中心控制設(shè)備，承擔(dān)著智能家居中所有傳感器信息的匯聚、分析與控制，應(yīng)滿足安全高效、智能化與個(gè)性化的需求。本文針對(duì)智能家居系統(tǒng)的用戶(hù)需求，在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上提出一種以樹(shù)莓派系統(tǒng)為中心網(wǎng)關(guān)，綜合采用WIFI技術(shù)、Zigbee技術(shù)，并支持多協(xié)議、多網(wǎng)絡(luò)混合的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化、智能化設(shè)計(jì)，具有穩(wěn)定性、擴(kuò)展性與操控性等特點(diǎn)，并可以通過(guò)APP終端實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由三大部分組成：（1）感應(yīng)控制層主要由智能家居的各種傳感器設(shè)備組成，收集家居中如溫度、濕度與可燃?xì)怏w等各種信息以及接收由網(wǎng)關(guān)傳達(dá)的各種命令；（2）網(wǎng)絡(luò)通信層主要是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信，包括智能網(wǎng)關(guān)、信息服務(wù)器、路由器與GPRS、WIFI網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、Internet、紅外網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)關(guān)作為智能家居系統(tǒng)的中心控制設(shè)備，承擔(dān)著各層設(shè)備之間的信號(hào)傳輸與控制命令轉(zhuǎn)發(fā)解析等任務(wù)，用戶(hù)使用手機(jī)發(fā)送信號(hào)到信息服務(wù)器，信息服務(wù)器處理信息后再傳送到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)控制各種傳感器與家庭設(shè)備；（3）應(yīng)用層包括電腦PC機(jī)、手機(jī)終端設(shè)備，如Android與IOS設(shè)備、遙控器等紅外手持設(shè)備等，手機(jī)端可通過(guò)因特網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)通信，以無(wú)線方式管理智能家居各節(jié)點(diǎn)的設(shè)備終端，支持多用戶(hù)登錄系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備遙控等功能，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制家居環(huán)境。通過(guò)手機(jī)端的APP，連接局域網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制智能家居的各種設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 感應(yīng)控制層

感應(yīng)控制層由傳感器終端與控制終端組成，傳感器終端主要負(fù)責(zé)收集家庭環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，包括室內(nèi)溫度、濕度、煙霧濃度等，控制終端的主要作用是對(duì)家庭設(shè)備如照明、電視機(jī)、空調(diào)、窗簾與其他電器的控制。傳感器終端與控制終端并不是嚴(yán)格分離，如照明調(diào)節(jié)，需要由傳感器終端收集房間的光線亮度參數(shù)，然后由控制終端進(jìn)行控制電燈的亮度。

傳感器終端都采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，在微處理器單元的基礎(chǔ)上，添加傳感器與WIFI模塊或ZigBee模塊，傳感器終端通過(guò)WIFI或ZigBee網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)連接。WIFI模塊由于具有穩(wěn)定性高、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各類(lèi)傳輸通信設(shè)備中。而ZigBee具有功耗極低、組網(wǎng)靈活、傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此可以應(yīng)用在廚房等連接電源不方便的可燃?xì)怏w檢測(cè)設(shè)備里，在一個(gè)紐扣電池供電的情況下，可以工作6～24個(gè)月。

傳感器終端的微處理芯片主要由單片機(jī)與外圍電路組成，是該終端的核心組件，負(fù)責(zé)執(zhí)行處理由WIFI、ZigBee等通信模塊傳送過(guò)來(lái)的指令。電源模塊與LED等模塊主要由電源燈與呼吸燈組成，當(dāng)終端處于工作狀態(tài)，會(huì)顯示出不同的燈光組合，增加美感與識(shí)別功能。WIFI通信模塊與ZigBee模塊是一個(gè)通信模塊，焊接在基礎(chǔ)模塊上，通過(guò)此通信模塊，終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)了可以無(wú)線連接家用路由器的，與智能網(wǎng)關(guān)通信的能力。通過(guò)此通信模塊，終端設(shè)備接收來(lái)自智能網(wǎng)關(guān)的命令，執(zhí)行并反饋結(jié)果。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

由圖1可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)通信層包括智能網(wǎng)關(guān)、路由器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、WIFI網(wǎng)絡(luò)和Internet等，其中，網(wǎng)關(guān)作為智能家居的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)整個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)的管理與協(xié)調(diào)，處理不同的通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還要處理家庭多媒體娛樂(lè)的音視頻解碼等，除需保證其滿足安全性、穩(wěn)定性和可靠性外，還要考慮到其性能。綜合考慮上述因素，選擇開(kāi)源硬件樹(shù)莓派作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該硬件具有新一代Broadcom BCM2836 800MHz ARM Cortex-A7四核處理器，采用1GB的RAM存儲(chǔ)器，帶VideoCore IV雙核GPU，最高支持HD 1080p視頻輸出，復(fù)合視頻（PAL/NTSC）輸出，立體聲音頻輸出，提供10/100 BaseT RJ45以太網(wǎng)插座，HDMI 1.3和1.4視頻/音頻插座，3.5mm 4極音頻/復(fù)合視頻輸出插孔插座，4個(gè)USB 2.0插座，15路MPI CSI-2連接器，用于Raspberry Pi高清攝像機(jī)（775～7731），15路顯示串行接口連接器，MicroSD卡插座，從MicroSD卡啟動(dòng)，運(yùn)行Linux新操作系統(tǒng)版本，GPIO和串行總線的40引腳管座，通過(guò)MicroUSB插座，整塊硬件具有集成度非常高、運(yùn)行速度快、性能高、外設(shè)豐富、二次開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。

智能網(wǎng)關(guān)的作用主要有以下三個(gè)方面：

2.2.1 協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換?？紤]到各種傳感器的功耗等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了多網(wǎng)絡(luò)融合的模式進(jìn)行組網(wǎng)，系統(tǒng)內(nèi)包含WIFI與ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)中的TCP/IP協(xié)議并不兼容，要把基于Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接入到TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。通過(guò)樹(shù)莓派系統(tǒng)的擴(kuò)展板或通用接口（GPIO）外接ZigBee模塊，在傳感器終端多微芯片電路板上也焊接ZigBee模塊，然后在樹(shù)莓派系統(tǒng)內(nèi)分配網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上電后，初始化內(nèi)部資源，然后發(fā)送掃描信號(hào)請(qǐng)求連接，從而完成連接。借助z-stack協(xié)議棧，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)來(lái)的ZigBee協(xié)議幀的解析就由Linux系統(tǒng)完成，Linux系統(tǒng)解析完成后，將有效的數(shù)據(jù)存入指定內(nèi)存空間中，供WIFI網(wǎng)絡(luò)使用，這樣就實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)融合。

2.2.2 數(shù)據(jù)收集與存儲(chǔ)。樹(shù)莓派提供豐富的外設(shè)接口，其中包括USB接口HDMI高清視頻接口。在樹(shù)莓派系統(tǒng)上安裝多媒體服務(wù)中心，將網(wǎng)關(guān)打造成一臺(tái)可以播放高清影視的多媒體服務(wù)器，通過(guò)USB接口，可以讀取到存儲(chǔ)在移動(dòng)硬盤(pán)上的視頻文件。通過(guò)HDMI接口連接電視機(jī)，實(shí)現(xiàn)在電視上播放網(wǎng)絡(luò)視頻。此外，智能家居系統(tǒng)發(fā)送的各種信息，都可以通過(guò)樹(shù)莓派上的數(shù)據(jù)庫(kù)保存下來(lái)。

2.2.3 信息服務(wù)器承擔(dān)起內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)聯(lián)通的橋梁作用。其主要功能是負(fù)責(zé)溝通用戶(hù)手機(jī)APP應(yīng)用端與智能網(wǎng)關(guān)的通信。由于網(wǎng)關(guān)處于內(nèi)網(wǎng)，用戶(hù)在Internet上無(wú)法直接連接網(wǎng)關(guān)，因此，搭建一個(gè)MQ信息隊(duì)列服務(wù)器連接內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)就成了很關(guān)鍵的一個(gè)步驟。從用戶(hù)手機(jī)APP端發(fā)出的命令，通過(guò)MQ服務(wù)器，傳到內(nèi)網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)，再由智能網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給各傳感器終端，從而實(shí)現(xiàn)控制家居設(shè)備。

2.3 應(yīng)用層

智能家居通過(guò)用戶(hù)的手機(jī)APP進(jìn)行控制家用設(shè)備，手機(jī)端APP應(yīng)用包括Android版本與IOS版本，界面設(shè)計(jì)與功能基本一致。如圖2所示為手機(jī)的應(yīng)用界面圖，用戶(hù)輸入賬號(hào)與密碼信息后，進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)可以瀏覽到智能家居的信息。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了智能家居的結(jié)構(gòu)、功能與組成，采用以網(wǎng)關(guān)為中心，結(jié)合多網(wǎng)融合的方式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以樹(shù)莓派系統(tǒng)為中心網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)，通過(guò)手機(jī)終端對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程控制與集中控制。實(shí)際使用效果證明，該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性、可靠性與擴(kuò)展性，兼具成本低廉、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有一定的市場(chǎng)推廣與參考

價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：何海燕（1974-），女，廣東雷州人，廣東石油化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)部講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）