基于樹莓派的多功能智能家居系統(tǒng)

何靜如

摘 要：為了打造更舒適安全的家居環(huán)境，解決普通智能家居用品功能集成度低的問題，并降低購買成本，文中設(shè)計了一種以樹莓派作為控制終端，通過多種傳感器采集信息，實現(xiàn)集室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)、人臉識別門鎖、紅外感應(yīng)夜燈、實時監(jiān)控多種功能于一體的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行調(diào)控，增大家居環(huán)境的安全系數(shù)，并滿足節(jié)能便利的生活需求。整個系統(tǒng)功能集成度高，成本低廉，具有一定的應(yīng)用價值與市場前景。

關(guān)鍵詞：樹莓派；智能家居；多功能集成；室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)；人臉識別門鎖；紅外感應(yīng)夜燈；實時監(jiān)控

中圖分類號：TP273；TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

家居環(huán)境的安全性與人們的生活息息相關(guān)。在濕熱的環(huán)境下，人體的散熱功能受到抑制，易導(dǎo)致煩躁、中暑、精神紊亂；而干冷的環(huán)境易使人體的皮膚干燥，同時也會誘發(fā)呼吸系統(tǒng)病癥。此外，空氣濕度過大或過小時，都有利于一些細(xì)菌和病毒的繁殖和傳播。因此，保持室內(nèi)合理的溫濕度尤為重要。

由于人的面部特征具有唯一性[1]，在傳統(tǒng)門鎖中加入人臉識別系統(tǒng)，并實時監(jiān)控，可大大增加家居環(huán)境的安全系數(shù)并方便出行。另外，根據(jù)光線情況與是否有人，燈具可自動變換開關(guān)狀態(tài)，滿足了節(jié)能與便利的需求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種智能家居設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，普通智能家居用品功能單一，集成度低。單獨購買智能家居用品往往花費(fèi)較高，樹莓派作為一款基于ARM的微型電腦主板，具有成本低，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點[2]，并擁有視頻模擬信號的輸出接口，若將其作為控制終端，可設(shè)計出集多種功能于一體的智能家居系統(tǒng)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)以樹莓派作為控制終端，通過多種傳感器采集信息，采用相應(yīng)的硬件連接與軟件支持，使用Python編程，可實現(xiàn)集室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)、人臉識別門鎖、紅外感應(yīng)夜燈、實時監(jiān)控等功能于一體的智能家居系統(tǒng)。各功能以及相關(guān)軟硬件示意如圖1所示。

（1）室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)：根據(jù)DHT11溫濕度傳感器測得室內(nèi)溫濕度，加濕器與風(fēng)扇自動開關(guān)；將插座與連接樹莓派的繼電器相連，可使用樹莓派控制插座上電器的開關(guān)狀態(tài)。

（2）人臉識別門鎖：當(dāng)觸摸傳感器感應(yīng)到有人觸碰時，500 W像素樹莓派攝像頭將拍攝照片，并啟動人臉識別功能，通過Face++云平臺實現(xiàn)人臉圖像的識別處理，根據(jù)人臉識別判斷的結(jié)果控制電磁鎖的開關(guān)。

（3）紅外感應(yīng)夜燈：通過光敏傳感器與HC-SR501人體紅外傳感器感應(yīng)信息，在天黑且有人的情況下，LED燈將自動打開。

（4）實時監(jiān)控：利用Motion軟件通過局域網(wǎng)將攝像頭的實時監(jiān)控情況呈現(xiàn)在Web網(wǎng)頁上。

系統(tǒng)主要由控制終端、感應(yīng)單元、受控單元及云服務(wù)四個部分組成：控制終端為樹莓派；感應(yīng)單元由各種傳感器組成；受控單元包括各種家具器件及繼電器；云服務(wù)主要指Face++云平臺。

感應(yīng)單元將傳感器采集的信息數(shù)據(jù)傳遞給控制終端樹莓派，其中，部分信息直接在本地處理，部分信息上傳至云端，云端對圖像信息進(jìn)行處理后，將結(jié)果返回給樹莓派。根據(jù)處理后的結(jié)果，樹莓派發(fā)出相應(yīng)控制指令到受控單元，控制相連的各器件。系統(tǒng)整體的信息數(shù)據(jù)流向方式如圖2所示。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 控制核心

系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸能力要求較高，在視頻數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)上需要保證流暢及穩(wěn)定性，普通的單片微控制器[3]（如Arduino）難以實現(xiàn)?？紤]到成本與功能需求，該系統(tǒng)采用樹莓派Raspberry Pi 3b作為控制終端。

樹莓派Raspberry Pi 3bBroadcom BCM2837為片上系統(tǒng)，其運(yùn)行頻率為1.2 GHz，擁有四核ARM處理器， 1 GB RAM存儲器，與40個GPIO引腳，CSI攝像頭接口，HDMI接口，4個USB 2.0端口，10/100以太網(wǎng)端口，RAC av端口，USB電源接口，DSI顯示連接器，搭載藍(lán)牙和WiFi模塊。

樹莓派的GPIO 引腳定義如圖3所示。GPIO引腳的編號方式有三種，分別為BCM編號方式（如圖3中BCM列所示）；BOARD編號方式（如圖3中Physical列所示）；wiringPi編號方式（如圖3中wPi列所示）。圖3中的Mode列為引腳的輸入/輸出狀態(tài)，可通過編程設(shè)定[4]。

2.2 室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)

根據(jù)DHT11溫濕度傳感器所測得的室內(nèi)溫度與濕度數(shù)據(jù)，在樹莓派中對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與處理。根據(jù)當(dāng)前溫濕度情況，通過二路繼電器控制風(fēng)扇或加濕器的打開與關(guān)閉。相關(guān)硬件連接如圖4所示。

加濕器采用額定電壓為DC 5 V、額定功率約2 W的小型加濕器；風(fēng)扇采用供電電壓為DC 5 V、輸出電流為1 A、功率約3 W的小型風(fēng)扇。小型加濕器與風(fēng)扇可使用樹莓派供電。若考慮功率更大的加濕器或風(fēng)扇，可將加濕器或風(fēng)扇插在與樹莓派相連的插座上，通過220 V交流電源供電。

由于樹莓派的GPIO引腳在Output狀態(tài)默認(rèn)為0，因此采用高電平觸發(fā)的5 V二路繼電器。樹莓派提供5 V電源引腳與繼電器的常開（No1、No2）觸點相連，在常態(tài)（不通電）下處于斷開狀態(tài)，風(fēng)扇與加濕器處于關(guān)閉狀態(tài)。

DHT11溫濕度傳感器含有電阻式感濕元件與NTC測溫元件，可輸出經(jīng)過校驗后的溫度與濕度數(shù)字信號[5]，適用于室內(nèi)溫濕度的測量。其濕度測量范圍為20%～95%；溫度測量范圍為0～50℃。

利用DHT11溫濕度傳感器的檢測數(shù)據(jù)控制加濕器與風(fēng)扇的開關(guān)狀態(tài)，每隔5 min判斷一次。由于人體適宜的濕度為45%～65%[6]，因此在濕度小于45%的情況下打開加濕器，濕度大于65%的情況下關(guān)閉加濕器；溫度大于27℃時風(fēng)扇打開，溫度小于23℃時，風(fēng)扇關(guān)閉。該功能實現(xiàn)的程序流程如圖5所示。endprint

2.3 人臉識別門鎖

實現(xiàn)人臉識別門鎖功能的硬件連接圖如圖6所示。通過220 V交流電壓轉(zhuǎn)12 V直流變壓器，將電壓轉(zhuǎn)換為12 V直流電磁鎖所需要的電壓。當(dāng)需要被檢測時，觸碰觸摸傳感器，此時啟動樹莓派攝像頭拍照，根據(jù)人臉識別結(jié)果，通過樹莓派控制5 V繼電器來控制電磁鎖電流的通斷，即開鎖或關(guān)鎖。

觸摸傳感器是一個基于觸摸檢測IC（TTP223B）的電容式點動型觸摸開關(guān)模塊[7]。常態(tài)下，模塊輸出低電平；當(dāng)有人觸摸相應(yīng)位置時，輸出高電平。該模塊可安裝在非金屬材料如塑料、玻璃表面，也可將薄紙片等非金屬材料覆蓋在模塊表面，隱藏在墻壁等位置。

由于樹莓派的GPIO引腳在Output狀態(tài)默認(rèn)為0，因此采用高電平觸發(fā)5 V繼電器，變壓器的V+與繼電器的常開（No）觸點相連，在常態(tài)（不通電）下處于斷開狀態(tài)，電磁鎖不通電，處于關(guān)鎖狀態(tài)。

人臉識別功能基于Face++云平臺，其API以Http請求的方式進(jìn)行調(diào)用[8]，所使用的接口及其功能描述見表1所列。

首先判斷是否有人需要被檢測，當(dāng)有人需要被檢測時，將在本地的人臉圖像及相關(guān)信息上傳至Face++云平臺，存入FaceSet中，建立人臉數(shù)據(jù)庫，再判斷拍攝的待識別圖像中是否有人臉。若有，則與FaceSet中的人臉圖像進(jìn)行對比，當(dāng)相似度大于80%時，則打開門鎖。程序流程如圖7所示，主要步驟（使用Python編程語言）如下：

（1）采用BOARD編號方式，GPIO2設(shè)置為Input狀態(tài)，GPIO29設(shè)置為Output狀態(tài)：

GPIO.setmode（GPIO.BOARD）

GPIO.setup（13，GPIO.In）

GPIO.setup（40，GPIO.Out）

（2）判斷是否有人需要被檢測，觸碰了觸摸傳感器。

while True：

if GPIO.Input（13）==True：

...

time.sleep（2）

（3）若有人需要被檢測，啟動攝像頭拍攝：

os.system（'raspistill -w 480 -h 360 -o customer.jpg -t 2000'）

（4）創(chuàng)建人臉集合FaceSet

api.faceset.create（outer_id='SetTest'）

（5）將本地圖片上傳：

Picture = {}

save1 = api.detect（image_file=facepp.File（/test/test1.jpg））

Picture ['name1'] = save1 ["faces"][0]["face_token"]

save2 = api.detect（image_file=facepp.File（/test/test2.jpg））

Picture ['name2'] = save2 ["faces"][0]["face_token"]

（6）將本地圖片的FaceTocken存入FaceSet中上傳：

api.faceset.addface（outer_id='SetTest'，

face_tokens= Picture.itervalues（））

（7）得到拍攝圖像的face_token：

customer_pic = api.detect（image_file=facepp.File（customer.jpg））

（8）判斷是否檢測到了人臉：

if（len（customer_pic ["faces"]）==0）：

//未檢測到人臉，刪除

api.faceset.delete（outer_id='SetTest'， check_empty=0）

else：

//在 FaceSet 中尋找與所拍攝人臉最相似的，返回相似度

result = api.search（face_token= customer_pic ["faces"][0]["face_token"]， outer_id='SetTest'）

（9）得到相似度：

similarity = result ["results"]

judge=int（similarity [0]['confidence']）

（10）若相似度大于80%，則開鎖：

if judge > 80 ：

GPIO.Output（40， True）

time.Sleep（3）

GPIO.Output（40， False）

2.4 紅外感應(yīng)夜燈

紅外感應(yīng)夜燈的硬件組成為光敏傳感器與HC-SR501人體紅外傳感器。

光敏傳感器利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)判斷光線強(qiáng)弱，隨著入射光線的增強(qiáng)，其電阻值減小，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號[9]。當(dāng)光線強(qiáng)度小于設(shè)定的閾值時，DO端輸出高電平；當(dāng)光線強(qiáng)度大于設(shè)定的閾值時，DO端輸出低電平。

通過HC-SR501人體紅外傳感器可判斷是否有人。若人進(jìn)入其感應(yīng)范圍，則輸出高電平；若人離開感應(yīng)范圍，則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。HC-SR501有以下兩種觸發(fā)方式[10]（可跳線選擇）：

（1）不可重復(fù)觸發(fā)方式（L）：在感應(yīng)到有人輸出高電平后，不再進(jìn)行感應(yīng)判斷，延時時間結(jié)束后，輸出低電平；

（2）可重復(fù)觸發(fā)方式（H）：在感應(yīng)到有人輸出高電平后，仍然進(jìn)行感應(yīng)判斷，以最后一次感應(yīng)到有人的時間為延時的起始時間。endprint

這里采用可重復(fù)觸發(fā)方式（H）。

為了防止HC-SR501的針腳處于懸浮狀態(tài)，出現(xiàn)輸出電平狀態(tài)不穩(wěn)定的情況，接入10 kΩ下拉電阻，使其處于明確的低電平狀態(tài)。硬件連接如圖8所示。

紅外感應(yīng)夜燈在天黑且有人的情況下自動打開。功能實現(xiàn)的關(guān)鍵代碼（使用Python編程語言）如下：

light = 12 //LED燈與樹莓派相連的GPIO引腳編號

infrared = 25 //人體紅外傳感器與樹莓派相連的GPIO引腳編號

photosen = 16 //光敏傳感器與樹莓派相連的GPIO引腳編號

GPIO.setmode（GPIO.BCM） //采用BCM的編號方式

GPIO.setup （light，GPIO.Out）

GPIO.setup （infrared，GPIO.In）

GPIO.setup （photosen，GPIO.In）

While True：

if（GPIO.Input（infrared） ==True and GPIO.input（photosen） ==True）：

GPIO.Output（light，GPIO.HIGH）

time.sleep（30） //天黑且有人的情況下，開啟燈30 s

else：

GPIO.Output（light，GPIO.LOW） //否則，關(guān)燈

time.sleep（5）

2.5 實時監(jiān)控

攝像頭與樹莓派的CSI攝像頭接口通過15芯的排線連接，利用Motion軟件，通過局域網(wǎng)實現(xiàn)實時監(jiān)控。

（1）在終端中使用如下命令安裝Motion軟件：

sudo apt-get install motion

（2）配置motion daemon守護(hù)進(jìn)程，使其在后臺運(yùn)行：

sudo nano/etc/default/motion

start_motion_deamon=yes

（3）修改motion的配置文件，將deamon off 改成 on，設(shè)置分辨率，關(guān)閉localhost的限制：

sudo vim /etc/motion/motion.conf

deamon on

width 800

height 600

webcam_localhost off

（4）運(yùn)行motion：

sudo motion

（5）查看樹莓派IP地址：

ifconfig

（6）在同一局域網(wǎng)下，訪問樹莓派IP的8081端口，即可獲取實時監(jiān)控的視頻數(shù)據(jù)：

http：//[Raspberry Pi IP]：8081

3 結(jié) 語

本文介紹了通過樹莓派實現(xiàn)多功能智能家居系統(tǒng)的可行性，設(shè)計了各功能的硬件連接圖與軟件實現(xiàn)方案。以樹莓派作為控制終端，可實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)、通過人臉識別開閉門鎖、紅外感應(yīng)夜燈、實時監(jiān)控。對各項功能進(jìn)行實驗與操作，已全部達(dá)到預(yù)期效果。系統(tǒng)功能集成度較高，設(shè)計易于搭建，相關(guān)硬件成本低廉，具有廣闊的應(yīng)用市場與發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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