基于樹莓派的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晏閩如 周萍 王凱

摘 要：為滿足人們對(duì)智能家居產(chǎn)品需求，基于樹莓派設(shè)計(jì)了智能家居控制系統(tǒng)。綜合使用WiFi、ZigBee技術(shù)，以樹莓派作為系統(tǒng)核心，組建維護(hù)網(wǎng)絡(luò)并整合數(shù)據(jù)，提供Web服務(wù)供用戶訪問，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防監(jiān)測(cè)、家居控制等智能方案，用戶可通過終端進(jìn)行查詢與控制。整個(gè)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單一系統(tǒng)具有多通訊協(xié)議功能，同時(shí)成本低廉、集成度高，可滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代家居環(huán)境智能化、個(gè)性化要求。

關(guān)鍵詞：樹莓派;WiFi;ZigBee;網(wǎng)關(guān);物聯(lián)網(wǎng);智能家居

DOI：10. 11907/rjdk. 192187 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）007-0094-05

Design and Research of Smart Home System Based on Raspberry Pi

YAN Min-ru1， ZHOU Ping2， WANG Kai2

（1.School of Optpelectronic information and computer engineering， University of Shanghai for Science and Technology;

2.Shanghai Publishing and Printing College， Shanghai 200093， China）

Abstract： With the advancement of society and the development of science and technology， people's demand for convenient and efficient living is growing stronger. In order to meet the increasing demand for smart home products， the smart home control system based on the Raspberry Pi is desinged. The system has integrated use of WiFi and ZigBee technology， with the Raspberry Pi as the core of the system， builds and maintains network， integrates data to provide Web services for users to access. Finally， intelligent environmental solutions such as indoor environmental monitoring， security monitoring and home control are realized， and users can query and control through the terminal. Compared with traditional single system，the whole system has support multi-network， multi-communication protocol function，which has low cost and high integration， and can meet the intelligent and personalized requirements of home environment in the era of Internet of things.

Key Words： Raspberry Pi; WiFi; Zigbee; gateway; Internet of Things; smart home

0 引言

通過傳感技術(shù)、射頻識(shí)別、無線通信技術(shù)等，把小巧智能的傳感器加載到各種待檢測(cè)裝置中并聯(lián)合控制端，形成可智能控制的物件，再經(jīng)過有線或無線連接形成物與物（T2T）、物與人（T2H）、人與人（H2H）之間的互通網(wǎng)絡(luò)，這就是傳統(tǒng)意義的物聯(lián)網(wǎng)[1]。目前，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)真正的物聯(lián)網(wǎng)，成為打開工業(yè)甚至是全行業(yè)信息化局面的突破口。未來，物聯(lián)網(wǎng)將與許多智能設(shè)備相結(jié)合，以達(dá)到頂級(jí)物聯(lián)網(wǎng)。

ZigBee技術(shù)[2]是一種具有自組網(wǎng)和自恢復(fù)功能的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與WiFi技術(shù)[3]一樣是短距離無線傳輸技術(shù)，使用2.4Ghz頻段，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、速度快、可靠性高、不受布線限制、可擴(kuò)展可移動(dòng)，是智能家居常用的技術(shù)。但ZigBee傳輸速率不高，可在取電不方便的環(huán)境中優(yōu)先使用。WiFi傳輸速率大，但功耗也大，廣泛應(yīng)用于對(duì)傳輸速率有要求或是取電方便的家庭設(shè)備中。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)工作及生活方式的需求和理念更加趨向于智能和便捷。牛奕翔[2]和牛國鋒等[4]提出基于ZigBee由網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)、WiFi或GPRS等傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)了單一組網(wǎng)情況下的智能系統(tǒng)，但是忽略了市場(chǎng)上智能家居產(chǎn)品多品牌之間兼容拓展性不強(qiáng)、人機(jī)互動(dòng)附件過多等問題;文獻(xiàn)[5]簡單闡述了多網(wǎng)絡(luò)融合方式的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)可行性;文獻(xiàn)[6]分析了當(dāng)前智能家居種常用的幾種傳輸協(xié)議，結(jié)合硬件開發(fā)多模傳輸協(xié)議網(wǎng)關(guān);文獻(xiàn)[7]提出了多模傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)以太網(wǎng)協(xié)議，再傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器的系統(tǒng)方案，具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。但是上述幾種系統(tǒng)均存在依靠外部服務(wù)器，性價(jià)比不高的問題。

本文結(jié)合人機(jī)交互關(guān)系更系統(tǒng)，更兼容、更智能、可拓展需求，提出一種基于樹莓派的智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。該方案以樹莓派為中心網(wǎng)關(guān)配置路由功能替代家庭無線寬帶路由器，提供Web服務(wù)器功能，即在消息解析、協(xié)議轉(zhuǎn)換后直接傳輸至該服務(wù)端軟件顯示，不用另加服務(wù)器，大大減少了設(shè)計(jì)成本，比單一系統(tǒng)更具多網(wǎng)絡(luò)、多通訊協(xié)議功能，最大程度滿足現(xiàn)實(shí)生活中的高應(yīng)用需求。

本文對(duì)系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)的3層面進(jìn)行分析，硬件設(shè)計(jì)部分詳細(xì)說明系統(tǒng)各個(gè)硬件設(shè)備選型、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì);軟件部分包括樹莓派軟件搭載、網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)消息傳輸、組網(wǎng)的軟件實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)支持WiFi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，且以樹莓派為中心網(wǎng)關(guān)，替代家庭無線寬帶路由器，同時(shí)配置樹莓派為可外網(wǎng)訪問的Web服務(wù)器，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境、安防的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可對(duì)家用電器及設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

該系統(tǒng)由感知控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用層3部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）感應(yīng)控制層主要由室內(nèi)各種終端節(jié)點(diǎn)組成，包括各類傳感器。各節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)通過WiFi或ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)關(guān)，并接收由網(wǎng)關(guān)傳達(dá)的各種命令。連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的終端節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)網(wǎng)關(guān)接受的命令進(jìn)行相應(yīng)操作，包括窗簾開關(guān)、電器開關(guān)定時(shí)等。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層解決感應(yīng)控制層獲取的數(shù)據(jù)傳輸問題，一般通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，如WiFi網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

（3）應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化管理與控制，解決人機(jī)界面問題。手機(jī)等終端通過連接Web服務(wù)端，遠(yuǎn)距離管理系統(tǒng)內(nèi)受控節(jié)點(diǎn)。當(dāng)脫離家庭內(nèi)網(wǎng)時(shí)，通過外部網(wǎng)絡(luò)，由APP或者網(wǎng)頁登錄控制，從而對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

操作流程如下：在室內(nèi)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)裝載傳感器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)和控制裝置，匹配相應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合無線WiFi網(wǎng)絡(luò)形成多網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)[4]。運(yùn)行過程中，各終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)控制信號(hào)經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)或WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)按照無線傳輸協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與處理，轉(zhuǎn)換成互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，提供給Web服務(wù)端軟件以供訪問。手機(jī)客戶端或PC端可直接通過該設(shè)備連接至Internet，也可通過連接WiFi獲取數(shù)據(jù)，隨時(shí)通過遠(yuǎn)程登錄服務(wù)端監(jiān)控室內(nèi)狀態(tài)。為降低設(shè)計(jì)成本，所設(shè)計(jì)的樹莓派網(wǎng)關(guān)都具有路由功能，可作家庭無線寬帶路由器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)中心控制設(shè)備就是網(wǎng)關(guān)[8]，網(wǎng)關(guān)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，起到內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)間信號(hào)連接并控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)與解析作用。對(duì)內(nèi)將家居設(shè)備通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)連成整體，對(duì)外連接Internet。由于網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，必須可靠、穩(wěn)定，因此本設(shè)計(jì)以開源硬件樹莓派為主體設(shè)備[9-10][7]。樹莓派基于Linux操作系統(tǒng)，硬件集成度非常高、運(yùn)行速度快，內(nèi)含豐富的外設(shè)接口，便于進(jìn)行功能擴(kuò)展，支持Python、C、Java等語言，且內(nèi)置了WiFi模塊實(shí)現(xiàn)無線熱點(diǎn)功能，降低設(shè)計(jì)成本。

ZigBee協(xié)調(diào)器是節(jié)點(diǎn)中還未與其它網(wǎng)絡(luò)連接的全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用CC2530芯片通過串口與樹莓派連接。網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

針對(duì)不同場(chǎng)合終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)具體應(yīng)用功能，環(huán)境檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)主要對(duì)室內(nèi)環(huán)境各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，包括室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度等;安防監(jiān)測(cè)包括人體紅外檢測(cè)、門窗監(jiān)測(cè)等，一旦出現(xiàn)安防情況就啟動(dòng)報(bào)警裝置;家居控制包括燈光、電器、窗簾、家電的開關(guān)控制和定時(shí)功能;傳感器模塊是智能家居系統(tǒng)的底層，歸屬于感知層，要求低功耗、體積小，因此選用集成度高、網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低的芯片。

（1）ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee技術(shù)具有公開統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，符合ZigBee聯(lián)盟規(guī)范的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定后均可加入該網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530芯片[4]。CC2530 是用來實(shí)現(xiàn) ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)，整合ZigBee射頻前端、內(nèi)存模塊以及微控制器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性，休眠模式耗能低，切換主動(dòng)模式速度快，能夠有效應(yīng)用于室內(nèi)乃至小區(qū)范圍的網(wǎng)絡(luò)互連。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

（2）WiFi終端節(jié)點(diǎn)。 不少基于WiFi的智能家居終端設(shè)備已經(jīng)投入生產(chǎn)使用，如智能插座、攝像頭等。該類設(shè)備或通過家庭無線寬帶路由器訪問廠商提供的云服務(wù)平臺(tái)，也可通過云平臺(tái)對(duì)設(shè)備執(zhí)行讀取和控制操作，或加入到家庭無線路由器組成的局域網(wǎng)供用戶訪問。因此，本系統(tǒng)方便第三方產(chǎn)品無線接入網(wǎng)關(guān)。

本文所設(shè)計(jì)的WiFi終端節(jié)點(diǎn)集采集傳輸于一體，主要由微控制器、傳感器、WiFi模塊組成。微控制器采用內(nèi)置多種功能的STM32F103芯片。WiFi模塊采用低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂KESP8266[11]，通過串口與微控制器通信。WiFi終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

樹莓派（Raspberry Pi）運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，軟件開源，開發(fā)便捷。系統(tǒng)軟件分為網(wǎng)關(guān)軟件和終端軟件，在功能上包含初始化模塊、ZigBee無線組網(wǎng)通信模塊、WiFi通信模塊、Web服務(wù)端軟件模塊、終端節(jié)點(diǎn)消息處理模塊等。

3.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)開始工作后，首先進(jìn)行初始化操作，包括各個(gè)通信模塊、TCP/IP協(xié)議棧、ZigBee協(xié)議棧等。樹莓派完成路由器和Web服務(wù)端軟件搭建，并且存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)，保證基于TCP的WiFi傳輸線程和基于ZigBee協(xié)議的多模式傳輸進(jìn)程正常運(yùn)行。具體如下：

（1）協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換。ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議并不兼容，接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換[5]。通過網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和網(wǎng)絡(luò)地址分配進(jìn)行連接，網(wǎng)關(guān)的底層開發(fā)保證多線程資源共享、線程同步，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議情況下的網(wǎng)絡(luò)融合。

（2）數(shù)據(jù)收集與存儲(chǔ)。傳感器節(jié)點(diǎn)和用戶終端產(chǎn)生的任何信號(hào)都可通過樹莓派上的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)。

（3）Web服務(wù)端軟件。本系統(tǒng)選擇輕量級(jí)高性能的服務(wù)器框架，數(shù)據(jù)庫Nginx、Sqlite、PHP在樹莓派搭建Web服務(wù)器。終端節(jié)點(diǎn)消息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，解析消息含義，協(xié)議轉(zhuǎn)換后傳輸至該服務(wù)端軟件顯示。當(dāng)用戶通過終端發(fā)出查詢或控制消息時(shí)，Web服務(wù)端解析用戶操作傳輸至網(wǎng)關(guān)，再將控制指令下發(fā)至終端節(jié)點(diǎn)。

（4）ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)[4]。網(wǎng)關(guān)中的協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)核心，它完成組網(wǎng)、監(jiān)聽和管理網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)信息等功能，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理與維護(hù)。

（5）路由功能。樹莓派系統(tǒng)基于Linux，板載了無線網(wǎng)絡(luò)適配器和陶瓷天線，可通過開啟無線網(wǎng)絡(luò)適配器的AP功能、設(shè)置靜態(tài)IP、安裝Hostapd、配置DHCP服務(wù)并開啟IP路由轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)樹莓派的無線路由功能，使數(shù)據(jù)高速率接入。網(wǎng)關(guān)程序流程如圖5所示。

3.2 ZigBee無線組網(wǎng)通信模塊

ZigBee無線組網(wǎng)流程如圖6所示。啟動(dòng)協(xié)調(diào)器后初始化協(xié)議棧，按照預(yù)先寫入的協(xié)議規(guī)則發(fā)起特定頻段偵聽網(wǎng)絡(luò)信息，等待節(jié)點(diǎn)加入;當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信道請(qǐng)求就給申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)分配地址，節(jié)點(diǎn)收到地址后回復(fù)信號(hào)給ZigBee協(xié)調(diào)器，當(dāng)加入節(jié)點(diǎn)大于1則協(xié)調(diào)器組網(wǎng)成功[12-14]。

3.3 WiFi通信模塊

WiFi射頻模塊初始化，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)操作[15]，傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)形成網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能，入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在無數(shù)據(jù)傳輸情況下進(jìn)入休眠模式;當(dāng)控制器發(fā)送信號(hào)，WiFi模塊啟動(dòng)進(jìn)入通信狀態(tài)，連接家庭無線路由器，接入Internet，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 終端節(jié)點(diǎn)消息處理

（1）ZigBee節(jié)點(diǎn)消息處理。系統(tǒng)初始化后，ZigBee協(xié)調(diào)器存儲(chǔ)各節(jié)點(diǎn)信息。在網(wǎng)關(guān)檢測(cè)到接收的消息后存儲(chǔ)到緩沖區(qū)，解析編碼通過串口發(fā)送到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)控制。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行信息發(fā)送時(shí)，通過串口發(fā)送節(jié)點(diǎn)信息到協(xié)調(diào)器;當(dāng)網(wǎng)關(guān)檢測(cè)消息后，經(jīng)處理發(fā)送出去[13]。ZigBee節(jié)點(diǎn)消息處理流程如圖7所示。

（2）WiFi節(jié)點(diǎn)消息處理。節(jié)點(diǎn)信息通過串口發(fā)送至WiFi控制器，該控制器內(nèi)置于樹莓派系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心，通過WiFi模塊傳輸數(shù)據(jù)信息到服務(wù)端軟件。同樣，服務(wù)端軟件解析用戶操作傳送至控制器，根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再將處理后的指令信息傳送至節(jié)點(diǎn)進(jìn)行繼電器開關(guān)操作。WiFi節(jié)點(diǎn)消息處理流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

4.1 終端軟件

終端用戶在室內(nèi)短距離內(nèi)通過WiFi、遠(yuǎn)程通過Internet直接訪問樹莓派搭建的Web服務(wù)器端，獲取設(shè)計(jì)開發(fā)的用戶界面[16]，可視化監(jiān)控家居狀態(tài)，并通過繼電器對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)定時(shí)控制。作為用戶操作端，可設(shè)置登錄界面，只有登錄信息與預(yù)先注冊(cè)的信息匹配，才可默認(rèn)終端的操作。終端界面還包括環(huán)境檢測(cè)、安防監(jiān)測(cè)、家居控制、報(bào)警設(shè)置等模塊。為方便手機(jī)用戶使用，設(shè)計(jì)相應(yīng)的UI軟件終端，以便于用戶進(jìn)行智慧管理。UI界面如圖9所示。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行效果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)各個(gè)功能模塊均可正常運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸未出現(xiàn)大的干擾。樹莓派搭建的服務(wù)器由于樹莓派本身性能和內(nèi)存有一定限制，雖然功能存在不足但能完全滿足本系統(tǒng)應(yīng)用。系統(tǒng)預(yù)期功能完成度較好，運(yùn)行良好。

5 結(jié)語

本文介紹了通過樹莓派實(shí)現(xiàn)多功能智能家居系統(tǒng)的可行性，進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件方案實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)采用高集成的樹莓派模塊，利用樹莓派搭建路由器替代家庭無線寬帶路由器實(shí)現(xiàn)路由功能，高性價(jià)比且支持WiFi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，同時(shí)可通過WiFi、Internet直接訪問網(wǎng)頁進(jìn)行遠(yuǎn)近程全方位控制。該系統(tǒng)很好地滿足了人們對(duì)家居系統(tǒng)智能化、個(gè)性化需求，且功能完備、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。未來在更多種智能終端加入的情況下可作為更大規(guī)模的家居系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，為未來智能家居系統(tǒng)研究與發(fā)展提供了具有參考價(jià)值的方案。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）