基于樹莓派和Python的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許禮捷 葛華 陳紅

基于樹莓派和Python的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許禮捷 葛華 陳紅

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

介紹樹莓派第3代開發(fā)平臺(tái)，融合Python開發(fā)技術(shù)和OneNET云平臺(tái)通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)一款智能化的家居控制系統(tǒng)，具有功能強(qiáng)、成本低、易擴(kuò)展、運(yùn)行穩(wěn)定、應(yīng)用廣等優(yōu)勢(shì)。給出了系統(tǒng)架構(gòu)圖，詳細(xì)闡述了樹莓派的數(shù)據(jù)采集與處理、云平臺(tái)的接入及數(shù)據(jù)上傳與處理的關(guān)鍵技術(shù)和流程，對(duì)目前智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有著一定的理論參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

智能家居；樹莓派；Python；OneNET云平臺(tái)；傳感器模塊

引言

自2014年的智能家居元年發(fā)展至今，隨著新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，我國(guó)智能家居系統(tǒng)從最初的概念普及階段，迅速發(fā)展成為基于物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)的智能家居硬件系統(tǒng)，通過(guò)采集、分析家居智能設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居智能設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為家庭用戶提供智能化、個(gè)性化的服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 基于樹莓派和Python的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)圖

智能家居系統(tǒng)主要由控制主機(jī)、傳感器模塊和云平臺(tái)組成。如圖1所示，控制主機(jī)通過(guò)GPIO連接溫濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器、PM2.5傳感器等各類家居環(huán)境傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、讀取、保存、上傳到云端服務(wù)器，最終以圖形化的形式實(shí)時(shí)顯示的功能，遠(yuǎn)程用戶可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備或計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)查看家居環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1.2 樹莓派Raspberry Pi 3B+開發(fā)板結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)采用最新的Raspberry Pi 3B+作為控制主機(jī)，核心是一塊BCM2837的片上系統(tǒng)[1]，板上提供40個(gè)GPIO引腳、1個(gè)千兆以太網(wǎng)接口、4個(gè)USB接口、1個(gè)SD插槽，支持2.4G/5G雙頻WiFi，支持以太網(wǎng)供電（PoE），不僅性能高，而且成本低。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 樹莓派Raspberry Pi 3B+主板結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 Python語(yǔ)言

Python是面向?qū)ο蟮母呒?jí)編程語(yǔ)言，使用它可以加速開發(fā)，高效地與系統(tǒng)整合，語(yǔ)法清晰、簡(jiǎn)單易學(xué)，效率高且維護(hù)費(fèi)用低，跨平臺(tái)、可移植、開源。樹莓派為Python編程提供了一個(gè)成本低廉、穩(wěn)定可靠的開發(fā)平臺(tái)，Python允許樹莓派的開發(fā)者將項(xiàng)目擴(kuò)展到令人難以置信的規(guī)模。

2 樹莓派的數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 傳感器的連接

各類傳感器通過(guò)GPIO接入樹莓派[2]，以DHT11溫濕度傳感器為例，將DHT11的VCC、GND、DATA分別接到GPIO的2#、6#、12#。如圖3所示，其中樹莓派第2腳為5V，給超聲波模塊供電，接溫濕度模塊VCC；樹莓派第6腳為GND，與溫濕度模塊共地接GND；樹莓派第12腳為GPI18，作接收用，與溫濕度模塊Data相連接。

圖3 DHT11溫濕度傳感器連接樹莓派GPIO口示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本系統(tǒng)的程序運(yùn)行在樹莓派上，樹莓派的程序采用 python 編程讀寫GPIO接口，通過(guò)控制樹莓派 GPIO 管腳從而控制傳感器數(shù)據(jù)收集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理[3]。具體的流程如圖4所示，其中接收的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制形式，需要經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，并最終根據(jù)溫濕度的要求，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器開關(guān)控制，以達(dá)到對(duì)智能家居設(shè)備控制的功能[4]。

圖4 Python采集與處理數(shù)據(jù)的開發(fā)流程

3 云平臺(tái)的接入及數(shù)據(jù)上傳與處理

3.1 OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺(tái)的接入

系統(tǒng)采用中國(guó)移動(dòng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的開放平臺(tái)——OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳到云端，并在云端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、圖形化顯示及遠(yuǎn)程控制。OneNET是中國(guó)移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺(tái)，提供了豐富的智能硬件開發(fā)接口，便于各類終端設(shè)備迅速接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理等完整的交互流程。云端接入分為平臺(tái)域和設(shè)備域。具體的接入流程如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)上傳與處理

（1）云平臺(tái)的接口協(xié)議

智能家居系統(tǒng)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將終端設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)并完成處理。樹莓派的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和OneNET云平臺(tái)的API接口都是基于HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，終端設(shè)備可以采用HTTP協(xié)議與OneNET對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的上傳和保存[5]。OneNET遵循約定的接口規(guī)范，接收來(lái)自終端設(shè)備利用HTTP協(xié)議上傳的數(shù)據(jù)。其設(shè)計(jì)原則如下：

●數(shù)據(jù)資源的創(chuàng)建、讀取、更新和刪除（CURD）操作使用標(biāo)準(zhǔn) HTTP方法實(shí)現(xiàn)；

●API輸入輸出采用json數(shù)據(jù)格式；

●錯(cuò)誤信息以json數(shù)據(jù)格式輸出。

在OneNET云平臺(tái)中，上傳文本類型數(shù)據(jù)所使用的接口協(xié)議，如表1所示。

圖5 OneNET云平臺(tái)接入流程

表1 上傳文本類型數(shù)據(jù)所使用的接口協(xié)議

增加數(shù)據(jù)點(diǎn)需要在請(qǐng)求的 URL中增加 type 字段，可以采用簡(jiǎn)寫方式，目前 type類型支持 3、4、5 三種情況，如表2所示。

表2 type類型字段的三種情況

（2）數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)的主要流程

1）#添加http請(qǐng)求頭

headers={'api-key':' biiGzzM4qt3Q0unumz8Lkek3PFE='}

#數(shù)據(jù)封裝成json字符串

payload=json.dumps({"temperature":temperature,"humidity":humidity})

2）#發(fā)送請(qǐng)求，其中23828172是設(shè)備號(hào)

r=requests.post('http://api.heclouds.com/devices/23828172/datapoints',

headers=headers,params={"type":'3'},data=payload);

3）#顯示結(jié)果

print(r.json())

（3）云端遠(yuǎn)程開關(guān)控制

在云端獲取了當(dāng)前設(shè)備的數(shù)據(jù)流信息之后，可以根據(jù)數(shù)據(jù)流的當(dāng)前值，控制界面上的開關(guān)所在數(shù)據(jù)流的值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樹莓派的遠(yuǎn)程開關(guān)控制。取值的方法為：

http:///devices//datapoints

可以使用json格式獲取到所有設(shè)備數(shù)據(jù)流的當(dāng)前值。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)基于樹莓派和Python采集接收各類傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)，利用OneNET圖形化界面實(shí)時(shí)顯示家居設(shè)備的各種狀態(tài)信息，通過(guò)可視化界面實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的智能控制。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確率高、開發(fā)成本低、擴(kuò)展性強(qiáng)、應(yīng)用廣，具有一定的理論參考價(jià)值和較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] Raspberry Pi官方幫助[EB/OL]. (2018-12-20)[2019-01-20].https://www.raspberrypi.org/help/,2018.

[2] gpio|樹莓派實(shí)驗(yàn)室[EB/OL]. (2018-12-29)[2019-01-19]. http://shumeipai.nxez.com/tag/GPIO,2018.

[3] 吳波濤, 徐正峰, 孫金衛(wèi). 基于樹莓派的智能溫濕度監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2018 (22):190-193.

[4] 安翔. 物聯(lián)網(wǎng)Python開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2018.

[5] OneNET開發(fā)文檔“OnetNET設(shè)備終端接入?yún)f(xié)議——HTTP”[EB/OL]. (2018-08-25)[2019-01-15]. https://open.iot.10086. cn/doc/,2018.

Design of the Smart Home System Based on Raspberry Pi and Python

Xu Lijie, Ge Hua, Chen Hong

( Shazhou Professional Institute of Technology, Zhangjiagang 215600, Jiangsu, China )

For the realization of home automation, a control system of smart home is designed based on Raspberry Pi, Python and OneNET cloud platform. The system is of the advantages of strong function, low cost, easy expansion, stable operation and wide application. In this paper a systematical architecture diagram is presented, which elaborates the key technologies and processes of data collection and processing, cloud platform access and data uploading and processing. The system is of some theoretical and practical values for the designing of smart home control system.

smart home; Raspberry Pi; Python; OneNET cloud platform; Sensor module

TP273.5

A

1009－8429(2019)01－0001－05

2019-02-26

2018年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201811288007Y）

許禮捷（1972-），男，沙洲職業(yè)工學(xué)院電子信息工程系副教授；

葛 華（1974-），女，沙洲職業(yè)工學(xué)院電子信息工程系講師；

陳 紅（1997-），男，沙洲職業(yè)工學(xué)院電子信息工程系2016級(jí)電子信息工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生。