基于樹莓派的智能家居系統(tǒng)

王鋼，黃連麗，張松峰，陶玉龍

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，十堰442000）

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，家居的智能化已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)，因而對這方面的應(yīng)用和學(xué)習(xí)是必不可少的。本課題基于Python 語言[1]在樹莓派上進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，充分利用樹莓派這個(gè)完美的中介點(diǎn)，用戶通過運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端、家庭中控和PC 端對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控家居的狀況。系統(tǒng)采用兩套方案，一是只實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)采集和家庭安防控制等功能，二是在原有的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對系統(tǒng)的管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。具體完成的功能分為兩類，一為家居安防[2]，二為數(shù)據(jù)采集[3]。家居安防主要通過在終端設(shè)備上以視頻的形式顯現(xiàn)出來，家居中再通過人體紅外傳感器、開關(guān)傳感器等類似的傳感器作為輔助功能，加強(qiáng)家居的安全性。數(shù)據(jù)采集部分主要通過一些傳感器所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進(jìn)行分析給用戶的衣食住行提供策略。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊搭建

如圖1 所示，此次設(shè)計(jì)需要的傳感器及硬件模塊如圖所示。這些模塊通過樹莓派的擴(kuò)展板和樹莓派GPIO 引腳口相連。每個(gè)傳感器占用了一個(gè)或者兩個(gè)GPIO 引腳口。每個(gè)傳感器連接的GPIO 口統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

圖1 傳感器硬件模塊

表1 傳感器引腳占用統(tǒng)計(jì)表

2.2 硬件功能實(shí)現(xiàn)

（1）樹莓派攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)

通過樹莓派攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要側(cè)重于對家居指定位置進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照，通過獲取到捕捉的圖片存放到指定的路徑，在后端進(jìn)行處理，進(jìn)而使前端實(shí)時(shí)使用這一路徑中指定的圖片。其核心代碼如下所示。def get_picture（）:

with picamera.PiCamera（）as camera:

camera.resolution=（1024，768）

camera.start_preview（）

time.sleep（1）

name=str（datetime.datetime.now（））

camera.capture（'/home/pi/SmartHome1804/static/CmaeraPng/picture/'+name+'.jpg'）get_picture（）

（2）煙霧傳感器模塊實(shí)現(xiàn)

通過煙霧傳感器模塊主要實(shí)時(shí)的功能就是當(dāng)發(fā)生煤氣泄漏能將第一時(shí)間將變化數(shù)據(jù)傳給后臺(tái)，后臺(tái)將獲取到的數(shù)據(jù)傳送給用戶。其核心代碼如下所示。

#!/usr/bin/env python3

#encoding:utf-8

import RPi.GPIO as gp

import time

gp.setmode（gp.BCM）

gp.setwarnings（False）

gp.setup（26，gp.OUTPUT）

while True:

if gp.output（26，True）:

print（"有煙霧....."）

elif gp.output（26，F(xiàn)alse）:

print（"煙霧模塊正常...."）

time.sleep（2）

（3）火焰?zhèn)鞲衅髂K實(shí)現(xiàn)

通過火焰?zhèn)鞲衅髂K主要實(shí)時(shí)的功能是當(dāng)有不正常的產(chǎn)生，通過硬件能實(shí)時(shí)返回一個(gè)高低電平，向系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行一個(gè)反饋，其核心代碼如下所示。

import RPi.GPIO as gp

import time

gp.setmode（gp.BCM）

gp.setwarnings（False）

gp.setup（26，gp.OUTPUT）

while True:

if gp.output（26，True）:

print（"有火焰....."）

elif gp.output（26，F(xiàn)alse）:

print（"火焰模塊正常...."）

time.sleep（2）

3 軟件設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)IFSS 總體程序主要由兩部分構(gòu)成，第一部分為樹莓派端的服務(wù)器程序和控制程序，另一部分為Android 手機(jī)App 程序，兩者依靠Socket 通信進(jìn)行交流，從而實(shí)現(xiàn)Android 手機(jī)客戶端對于樹莓派服務(wù)器端的控制[4]。

樹莓派連接的所有傳感器都是通過GPIO 引腳與樹莓派主板相連，通過設(shè)置對應(yīng)引腳的狀態(tài)來與特定的傳感器的進(jìn)行通信。如溫濕度傳感器共有三個(gè)引腳，一個(gè)是接3V 電源，另一個(gè)接GPIO 口并設(shè)置該口模式為輸出，還有一個(gè)接地線。編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)只需要從GPIO 口進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析即可。超聲波測距模塊的原理是其不斷的向外發(fā)射超聲波，然后通過計(jì)算接收到反射波所需要的時(shí)間來計(jì)算與障礙物之間的距離，我們需要設(shè)計(jì)好其相應(yīng)的計(jì)算公式。其計(jì)算公式為：時(shí)間差×340÷2。人體紅外傳感器的主要原理是接收其前方120o的扇形里的紅外光線，然后來分析是否有人，其探測距離可以調(diào)整，為了適應(yīng)本次課題，將其精確度設(shè)計(jì)到了3 米。

火焰?zhèn)鞲衅骱推渌膫鞲衅髂K類似，其工作原理探測周圍一定范圍內(nèi)的空間來確定其周圍是否有明火。如果探測到周圍有明火則輸出一個(gè)高電平，樹莓派再從火焰?zhèn)鞲衅鲗?yīng)的引腳去讀取發(fā)出的高電平從而做出反應(yīng)。

3.1 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

樹莓派端的服務(wù)器程序流程如圖2 所示。

程序開始執(zhí)行后首先執(zhí)行服務(wù)器自檢程序，此時(shí)不論是哪一部分的自檢程序報(bào)錯(cuò)，都及時(shí)發(fā)出語音報(bào)警并提示用戶做修理工作。只有自檢程序通過后，服務(wù)器才開始正式運(yùn)行。此時(shí)開始一個(gè)子線程，子線程的工作是定時(shí)從各個(gè)傳感器讀取數(shù)據(jù)并存入到傳感器對象的相關(guān)屬性當(dāng)中，該線程循環(huán)執(zhí)行，直至主程序結(jié)束運(yùn)行。主線程此時(shí)開始執(zhí)行Socket 類中的accept 方法，即循環(huán)監(jiān)聽設(shè)定好的端口，如果有客戶端連接，那么為該客戶端分配新的線程來接收和處理相關(guān)指令，主線程繼續(xù)循環(huán)監(jiān)聽端口等待連接。

圖2 服務(wù)器程序流程圖

3.2 客戶端軟件設(shè)計(jì)

Android 手機(jī)客戶端[5]的程序流程如圖3 所示：當(dāng)用戶點(diǎn)擊打開App 后，首先連接樹莓派服務(wù)器，如果連接失敗，則立即彈出對話框提示用戶連接服務(wù)器失敗。只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)良好連接成功后，程序進(jìn)入登錄界面。用戶需要在登錄界面手動(dòng)輸入賬號ID 和登錄密碼，點(diǎn)擊登錄后，程序首先會(huì)對用戶輸入的賬號和密碼的格式進(jìn)行檢查，如果格式不正確，則會(huì)提示用戶重新填寫，如果格式正確，則程序?qū)⒂脩糍~號和密碼打包發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證通過，則進(jìn)入程序主頁面。如果驗(yàn)證不通過，則提示用戶密碼錯(cuò)誤，用戶可以選擇重新輸入密碼或者是點(diǎn)擊忘記密碼，當(dāng)用戶點(diǎn)擊忘記密碼后，程序跳轉(zhuǎn)到重置用戶密碼界面，此時(shí)需要用戶輸入新的密碼和自己預(yù)存的手機(jī)號碼，然后服務(wù)器會(huì)給手機(jī)客戶端發(fā)送驗(yàn)證碼，用戶填入驗(yàn)證碼后，再點(diǎn)擊確認(rèn)修改，然后就以跳轉(zhuǎn)回登錄界面進(jìn)行賬號登錄任務(wù)。

圖3 客戶端程序流程圖

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過PC 端、中控端及手機(jī)端能夠?qū)揖舆M(jìn)行實(shí)時(shí)精確地監(jiān)控，服務(wù)端能對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析及時(shí)對家居內(nèi)可能發(fā)生的狀況進(jìn)行預(yù)警分析，也能夠?qū)揖觾?nèi)發(fā)生的緊急事件進(jìn)行預(yù)警和一定自動(dòng)處理能力。中控和手機(jī)端能夠?qū)崟r(shí)接收到服務(wù)端的預(yù)警，進(jìn)而觸發(fā)相應(yīng)的事件。