基于樹莓派通過java實(shí)遠(yuǎn)程控制和接收數(shù)據(jù)的智能家居

王俊童+劉艷艷+蘭旭婷

摘 要："基于樹莓派通過java實(shí)遠(yuǎn)程控制和接收數(shù)據(jù)的智能家居"，采取以智能手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，在通過服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)到樹莓派使之做出相應(yīng)的處理，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)使智能家居突破傳統(tǒng)的地理位置和空間上的限制，無論用戶身處室內(nèi)或室外都可以對(duì)家居進(jìn)行控制，和實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)部設(shè)備的控制。如今我們僅僅需要一部智能手機(jī)，就可以對(duì)家里的家居完全的掌控，和對(duì)家里的情況完全的了解，如：當(dāng)我們下班回家的路上，我們完全可以僅僅通過控制手機(jī)，就可以把家里的臺(tái)燈、風(fēng)扇打開。

由西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院"雙E"項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：20161823 ）

1 緒論

近年來，隨著信息技術(shù)的更新?lián)Q代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了長足的發(fā)展和進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)這一新興的信息革命產(chǎn)物受到了密切的關(guān)注，在智能化領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，這一現(xiàn)象在貼近我們生活的智能家居行業(yè)更是尤為突出。針對(duì)當(dāng)前智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂的問題，采用價(jià)格低廉的樹莓派作為家庭網(wǎng)關(guān)、開源硬件Arduino Uno作為微控制器、yeelink作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，并通過編程語言來搭建控制開關(guān)，從而有效的簡(jiǎn)化了智能家居系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，降低了開發(fā)成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此方法的有效性。

2 整體設(shè)計(jì)方案

具體設(shè)計(jì)方案如圖2-1所示，1和7分別代表是遠(yuǎn)程控制的PC端和手機(jī)端，即為三級(jí)結(jié)構(gòu)中的控制層，2代表以太網(wǎng)，即系統(tǒng)中的yeelink網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，3表示路由器，即連接以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施，2、3共同組成控制信息的傳輸層，4代表以AVR為核心的Arduino Uno微控制器，5代表網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，6代表搭載在Arduino Uno上的LED小燈，處于系統(tǒng)的被控制層。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，用戶可以通過PC端或者手機(jī)終端訪問yeelink網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，在平臺(tái)上遠(yuǎn)程查看小燈的開關(guān)情況，并可以通過同樣路徑對(duì)于小燈進(jìn)行控制，當(dāng)點(diǎn)擊開關(guān)按鈕時(shí)，yeelink網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)會(huì)通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換程序?qū)㈤_關(guān)小燈的指令信息發(fā)送給Arduino Uno微控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于室內(nèi)小燈的控制。

3系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

該部分主要介紹系統(tǒng)所采用的技術(shù)及開發(fā)工具，涉及采用的架構(gòu)有：樹莓派、LINUX系統(tǒng)、Python和JAVA語言、Arduino Uno單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)等。

3.1 Arduino Uno硬件設(shè)計(jì)

Arduino是一款基于AVR的微控制器的開源硬件，近年來，因其良好的開源性和以及高度的可擴(kuò)展性，得到了迅速的發(fā)展，在帶有傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Arduino Uno的硬件設(shè)計(jì)所采用的協(xié)議是CC BY-SA3.0，UNO型號(hào)的Arduino具有1KB的EEPROM、32KB的Flash、14路數(shù)字輸入輸出口，其中6路為PWM輸出，6路為模擬輸入口，還有ICSP下載線接口，支持在線燒寫程序同時(shí)在UNO里，還預(yù)先設(shè)置了Bootloader程序，因此在給板子燒寫程序時(shí)，并不需要外部燒寫器，直接通過USB接口下載程序即可，同時(shí)該板子還帶有復(fù)位鍵、USB程序燒寫口和電源接口。

在本智能家居的控制開關(guān)的設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，作為搭載底層傳感器的Arduino Uno也需要具備聯(lián)網(wǎng)功能，，此時(shí)我們需要借助一款具備聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展板Arduino Ethernet，它可以讓Arduino控制器連接網(wǎng)絡(luò)。

3.2 樹莓派的基本配置和開發(fā)

作為系統(tǒng)的控制中心，樹莓派上需要萬層控制功能的開發(fā)和配置，因此除了核心部件開發(fā)板以外，還需要針對(duì)樹莓派配備其他的硬件外設(shè)：連接網(wǎng)線、配備鼠標(biāo)鍵盤，通過HDMI高清輸出線，將樹莓派與顯示器相連。然后就需要進(jìn)行具體的配置的步驟：首先為樹莓派安裝操作系統(tǒng)，將Raspbian系統(tǒng)的鏡像文件通過Win32DiskImager解壓導(dǎo)入SD卡中，將SD卡插入樹莓派的SD卡槽，接通電源，然后就進(jìn)入了樹莓派的內(nèi)部配置界面 raspi-config，此時(shí)需要針對(duì)開關(guān)的功能需要進(jìn)行配置，在本研究中，為了更充分的利用樹莓派的內(nèi)部空間，選擇expand_rootfs這一項(xiàng)，將它的大小擴(kuò)展到與SD卡大小相同；為了實(shí)現(xiàn)控制功能和其他應(yīng)用軟件的安裝，需要使樹莓派具備網(wǎng)絡(luò)功能，因此選取 NG8508-GS無線網(wǎng)卡，將無線網(wǎng)卡插入后，重新啟動(dòng)樹莓派，等開機(jī)以后，輸入sudo lsusb命令行。

3.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)的配置

作為針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用的云端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，要利用yeelink完成智能家居控制開關(guān)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)Arduino Uno與yeelink的數(shù)據(jù)傳遞和信息交互，就必須為所接入的設(shè)備申請(qǐng)yeelink所分配的ID號(hào)和API key，同時(shí)需要指明傳感器的類型和數(shù)據(jù)格式，然后通過HTTP POST請(qǐng)求為傳感器分配ID號(hào)。在yeelink平臺(tái)上，API key為設(shè)備操作的識(shí)別號(hào)，控制功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還需要根據(jù)硬件的實(shí)際連接情況，設(shè)置相應(yīng)的端口，比如設(shè)置通信的波特率為9600，輸出為5號(hào)口。設(shè)置完基本的硬件連接，確定網(wǎng)絡(luò)連通后，程序就進(jìn)入了主體的執(zhí)行部分，此部分主要進(jìn)行的功能是實(shí)現(xiàn)yeelink與Arduino Uno的網(wǎng)絡(luò)通信，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)Arduino Uno的遠(yuǎn)程控制，當(dāng)用戶進(jìn)入yeelink平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)界面，選擇關(guān)燈時(shí)，yeelink會(huì)向Arduino發(fā)送"turn off the LED"指令，給5號(hào)口所接的LED小燈輸出低電平實(shí)現(xiàn)關(guān)燈功能；當(dāng)用戶選擇開燈時(shí)，點(diǎn)擊開燈按鈕，yeelink會(huì)向Arduino發(fā)送"turn on the LED"指令，給5號(hào)口所接的LED小燈輸出高電平實(shí)現(xiàn)開燈功能。

4 結(jié)論

本論文所研究的基于樹莓派通過java實(shí)遠(yuǎn)程控制和接收數(shù)據(jù)的智能家居，不僅可以隨時(shí)隨地的查看控制照明設(shè)備的情況，還可以在此基礎(chǔ)上，增添其他類型的傳感器，完善平臺(tái)功能，實(shí)現(xiàn)人與物之間的信息交互，真正賦予物體以智慧和溝通能力，同時(shí)這種開發(fā)模式并不局限于智能家居，還可以應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)的環(huán)境中，達(dá)到高效生產(chǎn)、節(jié)能減排的作用。

參考文獻(xiàn)：

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