基于樹莓派的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)論文

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化、個性化的智能家居產(chǎn)品需求越來越大，但當前智能家居產(chǎn)品之間設(shè)備接口、通訊協(xié)議等多種多樣，尚未形成統(tǒng)一標準，這些因素制約著智能家居產(chǎn)品的推廣與普及。文章提出一種以開源硬件樹莓派系統(tǒng)為中心，兼容多協(xié)議的智能科技網(wǎng)關(guān)設(shè)計，旨在解決當前異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同協(xié)議與不同接口的兼容問題。

　　1 概述

　　智能家居網(wǎng)關(guān)作為智能家居系統(tǒng)的中心控制設(shè)備，承擔著智能家居中所有傳感器信息的匯聚、分析與控制，應(yīng)滿足安全高效、智能化與個性化的需求。本文針對智能家居系統(tǒng)的用戶需求，在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上提出一種以樹莓派系統(tǒng)為中心網(wǎng)關(guān)，綜合采用WIFI技術(shù)、Zigbee技術(shù)，并支持多協(xié)議、多網(wǎng)絡(luò)混合的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化、智能化設(shè)計，具有穩(wěn)定性、擴展性與操控性等特點，并可以通過APP終端實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的遠程控制。

　　2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本系統(tǒng)的設(shè)計主要由三大部分組成：(1)感應(yīng)控制層主要由智能家居的各種傳感器設(shè)備組成，收集家居中如溫度、濕度與可燃氣體等各種信息以及接收由網(wǎng)關(guān)傳達的各種命令;(2)網(wǎng)絡(luò)通信層主要是負責網(wǎng)絡(luò)通信，包括智能網(wǎng)關(guān)、信息服務(wù)器、路由器與GPRS、WIFI網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、 Internet、紅外網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)關(guān)作為智能家居系統(tǒng)的中心控制設(shè)備，承擔著各層設(shè)備之間的信號傳輸與控制命令轉(zhuǎn)發(fā)解析等任務(wù)，用戶使用手機發(fā)送信號到信息服務(wù)器，信息服務(wù)器處理信息后再傳送到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)控制各種傳感器與家庭設(shè)備;(3)應(yīng)用層包括電腦PC機、手機終端設(shè)備，如Android與IOS設(shè)備、遙控器等紅外手持設(shè)備等，手機端可通過因特網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)通信，以無線方式管理智能家居各節(jié)點的設(shè)備終端，支持多用戶登錄系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)節(jié)點設(shè)備遙控等功能，從而實時監(jiān)測與控制家居環(huán)境。通過手機端的APP，連接局域網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程控制智能家居的各種設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　2.1 感應(yīng)控制層

　　感應(yīng)控制層由傳感器終端與控制終端組成，傳感器終端主要負責收集家庭環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，包括室內(nèi)溫度、濕度、煙霧濃度等，控制終端的主要作用是對家庭設(shè)備如照明、電視機、空調(diào)、窗簾與其他電器的控制。傳感器終端與控制終端并不是嚴格分離，如照明調(diào)節(jié)，需要由傳感器終端收集房間的光線亮度參數(shù)，然后由控制終端進行控制電燈的亮度。

　　傳感器終端都采用模塊化的設(shè)計方案，在微處理器單元的基礎(chǔ)上，添加傳感器與WIFI模塊或ZigBee模塊，傳感器終端通過WIFI或 ZigBee網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)連接。WIFI模塊由于具有穩(wěn)定性高、傳輸速度快、傳輸距離遠等特點，因此被廣泛應(yīng)用在各類傳輸通信設(shè)備中。而ZigBee具有功耗極低、組網(wǎng)靈活、傳輸穩(wěn)定等特點，因此可以應(yīng)用在廚房等連接電源不方便的可燃氣體檢測設(shè)備里，在一個紐扣電池供電的情況下，可以工作6～24個月。

　　傳感器終端的微處理芯片主要由單片機與外圍電路組成，是該終端的核心組件，負責執(zhí)行處理由WIFI、ZigBee等通信模塊傳送過來的指令。電源模塊與LED等模塊主要由電源燈與呼吸燈組成，當終端處于工作狀態(tài)，會顯示出不同的燈光組合，增加美感與識別功能。WIFI通信模塊與ZigBee模塊是一個通信模塊，焊接在基礎(chǔ)模塊上，通過此通信模塊，終端設(shè)備實現(xiàn)了可以無線連接家用路由器的，與智能網(wǎng)關(guān)通信的能力。通過此通信模塊，終端設(shè)備接收來自智能網(wǎng)關(guān)的命令，執(zhí)行并反饋結(jié)果。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

　　由圖1可見，網(wǎng)絡(luò)通信層包括智能網(wǎng)關(guān)、路由器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、WIFI網(wǎng)絡(luò)和Internet等，其中，網(wǎng)關(guān)作為智能家居的核心設(shè)備，負責整個智能家居網(wǎng)絡(luò)的管理與協(xié)調(diào)，處理不同的通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時還要處理家庭多媒體娛樂的音視頻解碼等，除需保證其滿足安全性、穩(wěn)定性和可靠性外，還要考慮到其性能。綜合考慮上述因素，選擇開源硬件樹莓派作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該硬件具有新一代Broadcom BCM2836 800MHz ARM Cortex-A7四核處理器，采用1GB的RAM存儲器，帶VideoCore IV雙核GPU，最高支持HD 1080p視頻輸出，復合視頻(PAL/NTSC)輸出，立體聲音頻輸出，提供10/100 BaseT RJ45以太網(wǎng)插座，HDMI 1.3和1.4視頻/音頻插座，3.5mm 4極音頻/復合視頻輸出插孔插座，4個USB 2.0插座，15路MPI CSI-2連接器，用于Raspberry Pi高清攝像機(775～7731)，15路顯示串行接口連接器，MicroSD卡插座，從MicroSD卡啟動，運行Linux新操作系統(tǒng)版本，GPIO和串行總線的40引腳管座，通過MicroUSB插座，整塊硬件具有集成度非常高、運行速度快、性能高、外設(shè)豐富、二次開發(fā)方便等優(yōu)點。

　　智能網(wǎng)關(guān)的作用主要有以下三個方面：

　　2.2.1 協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換�？紤]到各種傳感器的功耗等特點，本設(shè)計采用了多網(wǎng)絡(luò)融合的模式進行組網(wǎng)，系統(tǒng)內(nèi)包含WIFI與ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)中的TCP/IP協(xié)議并不兼容，要把基于Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接入到TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，需要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。通過樹莓派系統(tǒng)的擴展板或通用接口(GPIO)外接ZigBee模塊，在傳感器終端多微芯片電路板上也焊接ZigBee模塊，然后在樹莓派系統(tǒng)內(nèi)分配網(wǎng)絡(luò)ID號和網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上電后，初始化內(nèi)部資源，然后發(fā)送掃描信號請求連接，從而完成連接。借助z-stack協(xié)議棧，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送過來的ZigBee協(xié)議幀的解析就由 Linux系統(tǒng)完成，Linux系統(tǒng)解析完成后，將有效的數(shù)據(jù)存入指定內(nèi)存空間中，供WIFI網(wǎng)絡(luò)使用，這樣就實現(xiàn)了多網(wǎng)融合。

　　2.2.2 數(shù)據(jù)收集與存儲。樹莓派提供豐富的外設(shè)接口，其中包括USB接口HDMI高清視頻接口。在樹莓派系統(tǒng)上安裝多媒體服務(wù)中心，將網(wǎng)關(guān)打造成一臺可以播放高清影視的多媒體服務(wù)器，通過USB接口，可以讀取到存儲在移動硬盤上的視頻文件。通過HDMI接口連接電視機，實現(xiàn)在電視上播放網(wǎng)絡(luò)視頻。此外，智能家居系統(tǒng)發(fā)送的各種信息，都可以通過樹莓派上的數(shù)據(jù)庫保存下來。

　　2.2.3 信息服務(wù)器承擔起內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)聯(lián)通的橋梁作用。其主要功能是負責溝通用戶手機APP應(yīng)用端與智能網(wǎng)關(guān)的通信。由于網(wǎng)關(guān)處于內(nèi)網(wǎng)，用戶在Internet上無法直接連接網(wǎng)關(guān)，因此，搭建一個MQ信息隊列服務(wù)器連接內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)就成了很關(guān)鍵的一個步驟。從用戶手機APP端發(fā)出的命令，通過MQ服務(wù)器，傳到內(nèi)網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)，再由智能網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給各傳感器終端，從而實現(xiàn)控制家居設(shè)備。

　　2.3 應(yīng)用層

　　智能家居通過用戶的手機APP進行控制家用設(shè)備，手機端APP應(yīng)用包括Android版本與IOS版本，界面設(shè)計與功能基本一致。如圖2所示為手機的應(yīng)用界面圖，用戶輸入賬號與密碼信息后，進入到系統(tǒng)內(nèi)可以瀏覽到智能家居的信息。

　　3 結(jié)語

　　本文分析了智能家居的結(jié)構(gòu)、功能與組成，采用以網(wǎng)關(guān)為中心，結(jié)合多網(wǎng)融合的方式，設(shè)計實現(xiàn)了以樹莓派系統(tǒng)為中心網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)，通過手機終端對智能家居的遠程控制與集中控制。實際使用效果證明，該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性、可靠性與擴展性，兼具成本低廉、操作簡單等特點，具有一定的市場推廣與參考。