基于樹莓派的負載控制系統(tǒng)設(shè)計*

劉長俊，朱培根

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

基于樹莓派的負載控制系統(tǒng)設(shè)計*

劉長俊，朱培根

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

樹莓派具有眾多潛在價值，已成為當前研究的熱點?；跇漭稍O(shè)計了一種能為Android設(shè)備提供訪問接口的負載控制系統(tǒng)。利用安裝了Raspberry Control應(yīng)用的設(shè)備監(jiān)測負載的工作狀態(tài)，同時可通過相應(yīng)的操作改變樹莓派引腳的狀態(tài)，達到驅(qū)動繼電器實現(xiàn)對連接負載的控制。該系統(tǒng)通過編程可以精確統(tǒng)計連接負載能耗，并且用戶可以通過云端服務(wù)器隨時隨地地獲取負載能耗數(shù)據(jù)。

樹莓派；控制系統(tǒng)；負載；智能家居

0 引言

智能家居系統(tǒng)這個概念的提出，吸引了大批研究人員投身于其控制系統(tǒng)的研發(fā)，因為這涉及人們生活方式和消費方式的改變。在前人的研究成果中不難發(fā)現(xiàn)，誘導人們走向智能化和自動化的生活的原因是全球老年人口的增長[1]。近些年來，伴隨著新技術(shù)的發(fā)展，特別是目前主流的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，智能家居控制系統(tǒng)得到了極大的普及，并且以親民的價格進入銷售市場。智能家居控制系統(tǒng)可以為人們提供更便利的生活、更高的節(jié)能效率以及更好的安全保障[2]。智能家居對于那些需要照顧的老人和殘疾人來說是福音，同時還可以協(xié)助護理人員更好地工作。智能家居早期只是科學幻想，但隨著半導體行業(yè)日益發(fā)展，這樣的情景已從虛擬變?yōu)楝F(xiàn)實。當前基于藍牙、GSM、Java和SMS的智能家居已經(jīng)進入市場，例如Google、三星、飛利浦和小米都有銷售智能家居方面的產(chǎn)品，但這些家居的控制系統(tǒng)集成了大量的部件，造成較高的制造成本和較差的性能體驗，而設(shè)計智能家居控制系統(tǒng)的基本原則是提高靈動性、增加擴展性和擴大設(shè)備控制范圍。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，Android設(shè)備的應(yīng)用變得非常廣泛和流行，已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的重要工具。本文提出一種負載控制系統(tǒng)，用戶可在任何地點將Android設(shè)備作為遙控設(shè)備，經(jīng)Web服務(wù)器對負載的工作狀態(tài)進行控制，而不再需要在設(shè)備的中央控制面板前進行操作。用戶還可以使用自己的服務(wù)器將能耗數(shù)據(jù)上傳到云端，通過Android設(shè)備隨時隨地查看云端數(shù)據(jù)，即時檢查負載的工作狀態(tài)，同時云端可以確保負載控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易理解和實現(xiàn)。其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 負載控制系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)的主要目的是改進該領(lǐng)域已有方法存在的不足。該負載控制系統(tǒng)主要優(yōu)點是：采用模塊化的安裝，增加系統(tǒng)的易用性，且?guī)в凶詣由赡芎膱蟾娴墓δ?，?jié)省人力和物質(zhì)資源；系統(tǒng)非常靈活，通過連續(xù)監(jiān)控負載狀態(tài)可以有效地提高負載的壽命。因此該系統(tǒng)具有安全和節(jié)能的特點；系統(tǒng)采用易于控制和管理負載的協(xié)議，并且在通信方面具有安全性、高效性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1樹莓派

樹莓派由Raspberry Pi基金會開發(fā)，它的初衷是以廉價的硬件價格，提供給學校和有興趣學習編程的人使用[3]。樹莓派的外形只有信用卡大小，它可以外接USB、網(wǎng)線、HDMI、音頻設(shè)備等，具備一臺普通PC的所有基本功能，只是CPU和內(nèi)存稍微小一點而已。如圖2所示是Raspberry Pi電腦板，中文名為樹莓派。

圖2 樹莓派

樹莓派基于ARM架構(gòu)，到目前為止樹莓派社區(qū)中發(fā)布的操作系統(tǒng)版本已經(jīng)達到十幾種，包括Fedora、Ubuntu、Windows和官方推薦的Raspbian等。樹莓派最大的優(yōu)勢是軟件，其軟件包的數(shù)量已經(jīng)超過35萬，并形成了一個生態(tài)系統(tǒng)。樹莓派還支持Python、Java和C語言，這都為后續(xù)的物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)提供了便利[4]。目前最新的樹莓派型號是3代B型，其主要配置見表1。

樹莓派提供大量的GPIO針腳和SPI總線用于連接各式傳感器和電機等并對其進行編程，目前已有很多商家推出了擴展板為其提供更加豐富的功能，所以完全能夠勝任物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺這一任務(wù)。

2.2安裝組件

在樹莓派上進行任何工作之前都要安裝必要的組件。將樹莓派連接到互聯(lián)網(wǎng)后，通過執(zhí)行相應(yīng)的軟件安裝命令，樹莓派就可以像Linux一樣直接從互聯(lián)網(wǎng)下載并安裝相應(yīng)的軟件；通過更新和升級命令，樹莓派可以檢查并更新系統(tǒng)中所有過期的軟件。樹莓派的默認編程語言是Python，

表1 樹莓派3代B型配置

因此必須安裝如python、python-dev和python-pip等一些重要Python軟件包，因為這些組件可以為Python編輯器的正常工作提供一個完全的編程環(huán)境。

樹莓派的操作引腳GPIO(General Purpose Input Output)的功能是便于用戶在樹莓派發(fā)送和接收信號，可以通過安裝RPi.GPIO軟件包來使用[5]。除此之外，還要在樹莓派中安裝如matplotlib、numpy、scipy、pandas和qt4等具有繪制圖形功能的軟件包。

Apache是一個應(yīng)用廣泛的Web服務(wù)器，用于運行Web應(yīng)用程序[6]。Apache連同它需要的腳本語言(PHP)可以通過以下命令來安裝：

sudo aptitude install apache2 php5

SSHFS(SSH文件系統(tǒng))是基于客戶端的文件系統(tǒng)。SSH能夠替代傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，可以在不需要遠程端安裝任何特殊軟件的情況下為SFTP擴展提供基礎(chǔ)支持，安裝命令如下：

sudo apt-get install sshfs

2.3云端服務(wù)器

Yeelink能夠同時完成海量的傳感器數(shù)據(jù)接入和存儲任務(wù)，確保數(shù)據(jù)能夠安全地保存在互聯(lián)網(wǎng)上，先進的鑒權(quán)系統(tǒng)和安全機制能夠確保數(shù)據(jù)只在允許的范圍內(nèi)共享。用戶可以通過使用Yeelink客戶端或直接訪問Yeelink主頁兩種方式訪問存儲在云端的數(shù)據(jù)。Yeelink的一般使用步驟是：(1)在Yeelink主頁注冊，按照Yeelink主頁提供的流程點擊添加設(shè)備，輸入設(shè)備信息，并在地圖中選擇設(shè)備所在地；(2)進入到設(shè)備管理界面，設(shè)置設(shè)備圖片后，可以添加數(shù)值型傳感器和開關(guān)型傳感器，并設(shè)置傳感器信息；(3)傳感器添加完成之后會在設(shè)備下面顯示不同傳感器的ID，ID會在編程中使用；(4)進入賬戶找到API密碼，該密碼在進行傳輸數(shù)據(jù)時使用。Yeelink設(shè)置基本完成后，其余部分通過編寫程序完成。

2.4繼電器

繼電器具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)之間的互動關(guān)系，是實現(xiàn)小電流控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器電路可以很容易地通過樹莓派的引腳進行驅(qū)動，從而實現(xiàn)對控制系統(tǒng)中負載電源的控制[7]。例如，一個四路繼電器可以根據(jù)樹莓派的引腳控制信號同時控制4個負載。

2.5控制應(yīng)用

Raspberry Control應(yīng)用可以讓用戶管理樹莓派并運行命令，主要功能包括按需運行命令并在窗口內(nèi)獲取輸出內(nèi)容；保存和編輯命令指令來在任何時間運行命令。樹莓派上安裝Raspberry Control常用方法是通過樹莓派上的控制臺實用程序Terminal來實現(xiàn)，主要步驟是：(1)執(zhí)行命令下載軟件包；(2)解壓下載的tar.gz文件；(3)運行安裝腳本，并重新啟動樹莓派。通過WiFi將樹莓派連接到服務(wù)器后，服務(wù)器將為樹莓派分配一個固定的IP地址，可以在Terminal中輸入命令進行查看。

Android設(shè)備安裝Raspberry Control應(yīng)用后，為順利將樹莓派和設(shè)備進行連接，必須將樹莓派和Android設(shè)備連接在同一個服務(wù)器中。啟動設(shè)備上的Raspberry Control應(yīng)用，并輸入樹莓派提供的IP地址后可以建立連接，隨后Raspberry Control會顯示其所有的功能。此時，用戶可以通過Raspberry Control進行觸摸操作改變樹莓派的操作引腳狀態(tài)，進而驅(qū)動繼電器實現(xiàn)對負載的控制。

2.6效果

負載控制系統(tǒng)還可以為用戶實現(xiàn)對連接負載能耗的統(tǒng)計。使用Python代碼連續(xù)記錄操作系統(tǒng)時間和對應(yīng)的負載能耗，這些數(shù)據(jù)以字符串的形式按照一定的時間間隔存儲在樹莓派上，通過繪圖軟件可將這些字符串值繪制成圖表，并以圖片文件的形式存儲在指定的文件夾。Yeelink可將指定路徑的數(shù)據(jù)上傳到云端，用戶可通過客戶端和網(wǎng)站主頁隨時隨地查看負載的實時能耗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本文建立的負載控制系統(tǒng)是一個基于云的實時監(jiān)測控制系統(tǒng)，它具有很大潛在靈活性、擴展性和安全性。負載控制系統(tǒng)不是一個新的概念，因為前人已經(jīng)通過藍牙、GSM、Java和SMS等協(xié)議做出了大量的工作，但是沒有實現(xiàn)Android設(shè)備和微控制器的聯(lián)合使用。樹莓派集成了WiFi模塊后具有很強的易用性和靈活性，它可以通過互聯(lián)網(wǎng)按用戶需求實現(xiàn)對負載的監(jiān)控。本文建立的系統(tǒng)化工作模塊實現(xiàn)了Android設(shè)備與樹莓派的潛在優(yōu)勢的融合，對于未來智能設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導意義。

[1] 侯冉冉, 張亮. 關(guān)于智能家居系統(tǒng)的探討[J]. 智能建筑電氣技術(shù), 2010, 4(2):3-7.

[2] 孫國新. 基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)研究[D]. 天津：天津科技大學, 2011.

[3] 李楊, 郭培源, 劉波,等. 基于嵌入式技術(shù)的居室健康環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2014, 40(8):24-26.

[4] 劉繼元. 基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[J]. 電子世界, 2016(8):24-25.

[5] 張懷柱, 姚林林, 沈揚,等. 基于樹莓派的農(nóng)作物低空觀測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 吉林大學學報(信息科學版), 2015, 33(6):625-631.

[6] 劉長虹.能力測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].天津：南開大學,2012.

[7] 陳劉明.基于虛擬儀器的繼電器測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學,2012.

Design of load control system based on Raspberry Pi

Liu Changjun, Zhu Peigen

(National Defense Engineering Institute, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Raspberry Pi has become a popular paradigm because of the numerous advantages and is suitable for academic research. This paper proposes a method for an implementation of Raspberry Pi based load control system which can provide access interface for Android device. The operating pins of Raspberry Pi can be controlled by the corresponding touch screen operation in the Raspberry control application. And the relay can control the power connection of the load through the state of the pins. The power consumption profile across the connected load is measured accurately through programming, and users can access the graph of total power consumption anytime and anywhere using their cloud drive.

Raspberry Pi; control system; load; smart home

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.022

劉長俊，朱培根.基于樹莓派的負載控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(19)：78-80.

國家863計劃資助項目(2015AA050401)

2017-04-15)

劉長俊(1993-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：地下工程通風空調(diào)節(jié)能技術(shù)。E-mail：tyutlcj@163.com。朱培根(1964-)，男，博士后，教授，主要研究方向：地下工程除濕與節(jié)能技術(shù)。