基于Raspberry Pi和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)

王潔松 韓樹河

摘 要：針對國內(nèi)外已有家居控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出了一種新的靈活的便于擴(kuò)展的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將編程開發(fā)后的Raspberry Pi（樹莓派）作為嵌入式家庭服務(wù)器，采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信，并設(shè)計了配套的基于ZigBee技術(shù)的智能插頭。實驗測試表明，該系統(tǒng)架構(gòu)靈活可靠，便于進(jìn)一步擴(kuò)展，且可應(yīng)用于未來接入智能電網(wǎng)的智能家居中。

關(guān)鍵詞：智能家居;Raspberry Pi;ZigBee;XBee;智能插頭;智能電網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-04

0 引 言

智能家居自動化領(lǐng)域的特點是，通過使用有線和無線技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)備實現(xiàn)無縫集成的智能聯(lián)網(wǎng)，從而更輕松地創(chuàng)建個性化和安全的家居空間[1]。隨著通信、信息和電子技術(shù)等的發(fā)展與智能設(shè)備在智能家居控制系統(tǒng)中的不斷融合，智能家居控制系統(tǒng)在不斷降低成本，同時系統(tǒng)架構(gòu)也在不斷改進(jìn)。

過去幾年，國外出現(xiàn)了幾種基于不同技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的智能家居控制系統(tǒng)。例如在文獻(xiàn)[2-3]中移動電話被用來遠(yuǎn)程控制家居環(huán)境中的電器，文獻(xiàn)[4]提出了一種基于微控制器的智能家居控制系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)缺乏靈活性，例如通過單一設(shè)備（GSM移動電話）控制家居環(huán)境中的設(shè)備;在使用SMS消息作為遠(yuǎn)程控制家用電器的家居控制系統(tǒng)中，用戶必須記住消息主體中包含的所有命令代碼或名稱。因此，為提高系統(tǒng)使用的靈活性，通過動態(tài)靈活的UI用戶界面來控制和監(jiān)視家居設(shè)備是解決當(dāng)前問題的較好方案。

為克服家庭部署安裝問題，很多智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計方案提出采用無線技術(shù)。例如，文獻(xiàn)[5]提出一種基于藍(lán)牙無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng);文獻(xiàn)[6]提出一種基于WiFi無線控制的智能插頭，使用REST架構(gòu)提供服務(wù);文獻(xiàn)[7-9]設(shè)計了基于GPRS模塊和XBee模塊的遠(yuǎn)程無線采控系統(tǒng);文獻(xiàn)[10]為提高服務(wù)器并發(fā)量，使用Netty網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由WiFi和ZigBee構(gòu)建家庭內(nèi)網(wǎng)，WiFi網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間通過樹莓派完成信息交換。但若采用WiFi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)近距離通信，則存在功耗大、傳輸距離短等缺陷。

文獻(xiàn)[11]中開發(fā)設(shè)計了一個基于Cortex-A8處理器的可編程小電腦，將其作為嵌入式服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)，用于確保智能家居控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視服務(wù)。文獻(xiàn)[12-13]均將Cortex-M3作為主控芯片，基于XBee模塊組建智能家居內(nèi)網(wǎng)。

文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一套基于嵌入式Web的XBee網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)[14]中對集成TI公司以CC2530芯片為核心的ZigBee模塊和Digi公司的XBee模塊的兩種無線通信技術(shù)的室內(nèi)智能家居控制系統(tǒng)，從傳輸距離、功耗和抗干擾能力進(jìn)行實驗對比，測試結(jié)果顯示XBee模塊更適合室內(nèi)家居智能控制系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[15]使用XBee模塊組建家庭內(nèi)網(wǎng)，使用S3C6410芯片搭載Linux操作系統(tǒng)設(shè)計網(wǎng)關(guān)，將以太網(wǎng)作為通信外網(wǎng)，將智能手機(jī)作為監(jiān)控終端。

文獻(xiàn)[16-17]中基于Raspberry Pi進(jìn)行智能家居系統(tǒng)的設(shè)計降低了開發(fā)成本，且兼容性強(qiáng)，系統(tǒng)各設(shè)備可通過有線或無線方式互聯(lián)。

本文針對上述國內(nèi)外家居控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，設(shè)計了一個靈活的便于擴(kuò)展的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Raspberry Pi作為嵌入式服務(wù)器進(jìn)行編程設(shè)計，采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計了配套的基于ZigBee技術(shù)的智能插頭。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的智能家居控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。用戶可使用與局域網(wǎng)有線連接的臺式PC機(jī)，或通過WiFi連接的平板電腦和智能手機(jī)等智能設(shè)備控制本地家用電器，或通過Internet遠(yuǎn)程控制。控制系統(tǒng)的UI用戶界面采用HTML編寫，簡化了用戶的控制任務(wù)，使用戶能夠使用各種智能設(shè)備進(jìn)行訪問操作，從而增加了智能家居控制系統(tǒng)的靈活性。

1.1 中央單元中央單元架構(gòu)如圖2所示，由Raspberry Pi和XBee模塊組成。

僅有信用卡大小的Raspberry Pi具有成本低、靈活、兼容性強(qiáng)、用途廣泛等優(yōu)點，適用于需要圖形界面或Internet的項目，適合在物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）場景中使用[18]。本文實驗時使用Raspberry Pi B+版本，該款Raspberry Pi板于2014年7月推出，其主要硬件參數(shù)如下：

Raspberry Pi可支持各種Linux操作系統(tǒng)，如Ubuntu，Arch Linux等，默認(rèn)操作系統(tǒng)為Raspbian（為Raspberry Pi定制的Debian，推薦使用此版本）。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中對ZigBee模塊和XBee模塊的性能測試對比，本文選用使用ZigBee技術(shù)的XBee模塊。在中央單元中XBee模塊被配置為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)并為家庭網(wǎng)絡(luò)中的其他XBee設(shè)備分配地址。Raspberry Pi則作為嵌入式服務(wù)器，在其上編程實現(xiàn)家居控制系統(tǒng)，存儲數(shù)據(jù)。

用于控制設(shè)備或管理家庭網(wǎng)絡(luò)的命令都通過Raspberry Pi傳達(dá)。Raspberry Pi通過RJ 45接口接入Internet，使遠(yuǎn)程用戶可遠(yuǎn)程控制設(shè)備和電器。Raspberry Pi扮演網(wǎng)關(guān)角色，可執(zhí)行遠(yuǎn)程用戶通過Internet發(fā)起的命令或請求。通過Internet收到的命令將由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行解釋，然后由XBee協(xié)調(diào)器將具體的ZigBee命令發(fā)送到家庭網(wǎng)絡(luò)中特定的XBee模塊。

Raspberry Pi和XBee協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)交換通過串行接口完成。串行通信參數(shù)需要在Java程序中定義，且必須和X-CTU軟件在配置XBee協(xié)調(diào)器時輸入的參數(shù)相匹配。FTDI芯片將XBee引腳上接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行協(xié)議，從而與Raspberry Pi通信。為實現(xiàn)Raspberry Pi發(fā)送命令或處理從XBee協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)的功能，在編寫Java程序時使用Digi公司在其官網(wǎng)上提供的關(guān)于XBee的Java庫文件。

1.2 智能插頭

智能插頭使本文的控制系統(tǒng)更加智能，為用戶在家庭網(wǎng)絡(luò)中控制設(shè)備提供了方便。智能插頭由電源和命令電路、傳感器板組成。智能插頭允許控制設(shè)備打開或關(guān)閉設(shè)備，并與中央單元交換數(shù)據(jù)，交換的數(shù)據(jù)包括設(shè)備狀態(tài)、電耗值和溫濕度等環(huán)境值。

智能插頭的圖塊如圖3所示，本文設(shè)計的智能插頭由XBee收發(fā)模塊（XBee Transceiver）、傳感器板（Sensor Board）和命令電源電路（Command & Power Circuit）組成。ZigBee的技術(shù)特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，適用于智能家居網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的自動控制。智能插頭按ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與中央單元通過無線網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，該功能由智能插頭中的XBee收發(fā)模塊實現(xiàn)。使用Digi公司的X-CTU軟件配置XBee收發(fā)模塊，家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由中央單元中的XBee協(xié)調(diào)器為安裝在智能插頭中的XBee收發(fā)模塊分配地址。

1.2.1 命令和電源電路

在X-CTU下配置時，XBee收發(fā)模塊的一個引腳配置為模擬輸入，另一個配置為數(shù)字輸出。XBee第19引腳配置為數(shù)字輸出（DIO1），向電源電路發(fā)送命令。如圖4所示，通過一個晶體管連接XBee DIO1引腳以啟用或禁用高速光耦合器（6N135）。

電源電路由繼電器組成。該繼電器接收來自晶體管的指令，而該指令依賴于光耦合器（6N135）的輸出。XBee模塊天線上接收到的命令（打開或關(guān)閉設(shè)備）將通過智能插頭的電路激活繼電器線圈，該線圈為設(shè)備提供電能。

1.2.2 傳感器板

圖5所示為傳感器節(jié)點電路。XBee模塊配有4個ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器），允許在引腳17～20（DIO0～DIO3）上配置4個模擬輸入/輸出，引腳號17用于接收溫度傳感器LM335的信號。

2 軟件開發(fā)

在實驗設(shè)計中，智能家居控制系統(tǒng)提供設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)管理和溫度監(jiān)控服務(wù)。Raspberry Pi B+板作為家庭嵌入式服務(wù)器，可使用不同的編程語言進(jìn)行開發(fā)，例如C，C++，Python或Java。文本設(shè)計中使用Java進(jìn)行嵌入式服務(wù)器開發(fā)。JES（Java Embedded Suite）是一種針對嵌入式環(huán)境執(zhí)行的輕量級API，允許創(chuàng)建Java數(shù)據(jù)庫并基于REST架構(gòu)為遠(yuǎn)程控制提供Web服務(wù)。架構(gòu)平臺采用Glassfish服務(wù)器（一款由Sun公司開發(fā)的開源免費(fèi)的應(yīng)用服務(wù)器）。使用的表述性狀態(tài)傳遞（Representational State Transfer，REST）體系結(jié)構(gòu)基于C/S體系結(jié)構(gòu)為用戶提供Web服務(wù)。

圖6所示為使用JavaScript用HTML編碼設(shè)計的動態(tài)用戶操作界面，該界面方便用戶更簡單、靈活地監(jiān)視和控制家用設(shè)備。

用戶執(zhí)行的操作在請求中被轉(zhuǎn)換為兩部分，即URI（統(tǒng)一資源標(biāo)識符）和特定數(shù)據(jù)。

URI是給定資源的唯一標(biāo)識符，格式為http：// ： / path_to_resouce。URI指向嵌入式服務(wù)器上的資源，該資源被編程以滿足所需服務(wù)，例如讀取所選智能插頭所在的環(huán)境溫度。

通常嵌入式服務(wù)器上的資源需要正確執(zhí)行一些特定指令，例如用戶想要打開或關(guān)閉設(shè)備智能插頭的MAC地址。REST是面向表述的體系結(jié)構(gòu)，因此與服務(wù)器交換的數(shù)據(jù)需具有JSON和XML格式或其他格式類型。

所有請求可通過本地WiFi、局域網(wǎng)或Internet遠(yuǎn)程傳輸，在基于C/S架構(gòu)的嵌入式服務(wù)器中完成。嵌入式服務(wù)器收到的請求將通過串行RS 232協(xié)議傳輸?shù)絏Bee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將詢問或命令智能插頭執(zhí)行預(yù)期命令。

3 系統(tǒng)評估

本文提出的智能家居控制系統(tǒng)由嵌入式服務(wù)器、ZigBee家庭網(wǎng)絡(luò)和UI用戶界面構(gòu)成。

設(shè)計中選擇XBee設(shè)備組建ZigBee家庭網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由X-CTU軟件對各XBee模塊進(jìn)行配置。中央單元的XBee模塊配置為協(xié)調(diào)器，作為信任中心，命令均通過該節(jié)點。通過使用Digi官網(wǎng)上提供的與XBee相關(guān)的Java庫文件，編程實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與嵌入式服務(wù)器間的通信。

實際使用中對家庭設(shè)備控制的命令由用戶在UI用戶界面發(fā)起，由嵌入式服務(wù)器接收，然后作為命令傳送給XBee協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將命令發(fā)送到家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的特定智能插頭，最后這些命令由智能插頭執(zhí)行，并將反饋信息發(fā)送回服務(wù)器。文本所設(shè)計的架構(gòu)為智能家居提供了可靠的控制系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[2-4]中提出的控制系統(tǒng)基于GSM或微控制器設(shè)計，其缺點是缺乏靈活性，需要用戶記住用于控制家庭設(shè)備的命令或代碼。本文中，UI用戶界面以HTML和JavaScript編碼，允許出現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁。用戶可使用PC機(jī)、移動設(shè)備或其他智能設(shè)備，遠(yuǎn)程或本地使用該UI用戶界面，增加了控制系統(tǒng)的靈活性。

測試表明，文本所提出的智能家居控制系統(tǒng)靈活可靠。智能設(shè)備都可連接到作為嵌入式服務(wù)器的Raspberry pi上，為控制系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了可能。因此，文本提出的基于Raspberry pi和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)是一套可進(jìn)一步擴(kuò)展的智能家居控制系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居的快速發(fā)展將成為必然。文本針對國內(nèi)外文獻(xiàn)中出現(xiàn)的幾種智能家居控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出了一個新的控制系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)基于有網(wǎng)關(guān)功能的嵌入式服務(wù)器，允許用戶通過Internet，LAN或WiFi控制家具電器。Raspberry pi板成本低，兼容性強(qiáng)，便于軟件開發(fā)后作為嵌入式服務(wù)器。使用REST體系架構(gòu)搭建用于控制和監(jiān)視的Web服務(wù)功能。家庭網(wǎng)絡(luò)通信基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，由中央單元統(tǒng)一控制和監(jiān)控。該系統(tǒng)架構(gòu)提高了智能家居控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性，可應(yīng)用于未來接入智能電網(wǎng)的智能家居中。

參 考 文 獻(xiàn)

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