基于樹(shù)莓派的智能家居系統設計與實(shí)現論文

基于樹(shù)莓派的智能家居系統設計與實(shí)現論文

　　隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化、個(gè)性化的智能家居產(chǎn)品需求越來(lái)越大，但當前智能家居產(chǎn)品之間設備接口、通訊協(xié)議等多種多樣，尚未形成統一標準，這些因素制約著(zhù)智能家居產(chǎn)品的推廣與普及。文章提出一種以開(kāi)源硬件樹(shù)莓派系統為中心，兼容多協(xié)議的智能科技網(wǎng)關(guān)設計，旨在解決當前異構網(wǎng)絡(luò )中不同協(xié)議與不同接口的兼容問(wèn)題。

　　1 概述

　　智能家居網(wǎng)關(guān)作為智能家居系統的中心控制設備，承擔著(zhù)智能家居中所有傳感器信息的匯聚、分析與控制，應滿(mǎn)足安全高效、智能化與個(gè)性化的需求。本文針對智能家居系統的用戶(hù)需求，在物聯(lián)網(wǎng)基礎上提出一種以樹(shù)莓派系統為中心網(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。系統設計采用模塊化、智能化設計，具有穩定性、擴展性與操控性等特點(diǎn)，并可以通過(guò)APP終端實(shí)現對智能家居系統的遠程控制。

　　2 系統整體結構設計

　　本系統的設計主要由三大部分組成：(1)感應控制層主要由智能家居的各種傳感器設備組成，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)作為智能家居系統的中心控制設備，承擔著(zhù)各層設備之間的信號傳輸與控制命令轉發(fā)解析等任務(wù)，用戶(hù)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備;(3)應用層包括電腦PC機、手機終端設備，如Android與IOS設備、遙控器等紅外手持設備等，手機端可通過(guò)因特網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò )與網(wǎng)關(guān)通信，以無(wú)線(xiàn)方式管理智能家居各節點(diǎn)的設備終端，支持多用戶(hù)登錄系統進(jìn)行管理，實(shí)現節點(diǎn)設備遙控等功能，從而實(shí)時(shí)監測與控制家居環(huán)境。通過(guò)手機端的APP，連接局域網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現遠程控制智能家居的各種設備。系統結構圖如圖1所示。

　　2.1 感應控制層

　　感應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)境的各種數據，包括室內溫度、濕度、煙霧濃度等，控制終端的主要作用是對家庭設備如照明、電視機、空調、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，如照明調節，需要由傳感器終端收集房間的光線(xiàn)亮度參數，然后由控制終端進(jìn)行控制電燈的亮度。

　　傳感器終端都采用模塊化的設計方案，在微處理器單元的基礎上，添加傳感器與WIFI模塊或ZigBee模塊，傳感器終端通過(guò)WIFI或 ZigBee網(wǎng)絡(luò )與智能網(wǎng)關(guān)連接。WIFI模塊由于具有穩定性高、傳輸速度快、傳輸距離遠等特點(diǎn)，因此被廣泛應用在各類(lèi)傳輸通信設備中。而ZigBee具有功耗極低、組網(wǎng)靈活、傳輸穩定等特點(diǎn)，因此可以應用在廚房等連接電源不方便的可燃氣體檢測設備里，在一個(gè)紐扣電池供電的情況下，可以工作6～24個(gè)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，負責執行處理由WIFI、ZigBee等通信模塊傳送過(guò)來(lái)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(huì )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(gè)通信模塊，焊接在基礎模塊上，通過(guò)此通信模塊，終端設備實(shí)現了可以無(wú)線(xiàn)連接家用路由器的，與智能網(wǎng)關(guān)通信的能力。通過(guò)此通信模塊，終端設備接收來(lái)自智能網(wǎng)關(guān)的命令，執行并反饋結果。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò )通信層

　　由圖1可見(jiàn)，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備，負責整個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò )的管理與協(xié)調，處理不同的通信協(xié)議之間的轉換，同時(shí)還要處理家庭多媒體娛樂(lè )的音視頻解碼等，除需保證其滿(mǎn)足安全性、穩定性和可靠性外，還要考慮到其性能。綜合考慮上述因素，選擇開(kāi)源硬件樹(shù)莓派作為網(wǎng)關(guān)設備，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(gè)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(dòng)，運行Linux新操作系統版本，GPIO和串行總線(xiàn)的40引腳管座，通過(guò)MicroUSB插座，整塊硬件具有集成度非常高、運行速度快、性能高、外設豐富、二次開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　智能網(wǎng)關(guān)的作用主要有以下三個(gè)方面：

　　2.2.1 協(xié)議解析與轉換�？紤]到各種傳感器的功耗等特點(diǎn)，本設計采用了多網(wǎng)絡(luò )融合的模式進(jìn)行組網(wǎng)，系統內包含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，需要進(jìn)行協(xié)議轉換。通過(guò)樹(shù)莓派系統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(shù)莓派系統內分配網(wǎng)絡(luò )ID號和網(wǎng)絡(luò )地址，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上電后，初始化內部資源，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(guò)來(lái)的ZigBee協(xié)議幀的解析就由 Linux系統完成，Linux系統解析完成后，將有效的數據存入指定內存空間中，供WIFI網(wǎng)絡(luò )使用，這樣就實(shí)現了多網(wǎng)融合。

　　2.2.2 數據收集與存儲。樹(shù)莓派提供豐富的外設接口，其中包括USB接口HDMI高清視頻接口。在樹(shù)莓派系統上安裝多媒體服務(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(guò)USB接口，可以讀取到存儲在移動(dòng)硬盤(pán)上的視頻文件。通過(guò)HDMI接口連接電視機，實(shí)現在電視上播放網(wǎng)絡(luò )視頻。此外，智能家居系統發(fā)送的各種信息，都可以通過(guò)樹(shù)莓派上的數據庫保存下來(lái)。

　　2.2.3 信息服務(wù)器承擔起內網(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(hù)手機APP應用端與智能網(wǎng)關(guān)的通信。由于網(wǎng)關(guān)處于內網(wǎng)，用戶(hù)在Internet上無(wú)法直接連接網(wǎng)關(guān)，因此，搭建一個(gè)MQ信息隊列服務(wù)器連接內網(wǎng)與外網(wǎng)就成了很關(guān)鍵的一個(gè)步驟。從用戶(hù)手機APP端發(fā)出的命令，通過(guò)MQ服務(wù)器，傳到內網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)，再由智能網(wǎng)關(guān)轉發(fā)給各傳感器終端，從而實(shí)現控制家居設備。

　　2.3 應用層

　　智能家居通過(guò)用戶(hù)的手機APP進(jìn)行控制家用設備，手機端APP應用包括Android版本與IOS版本，界面設計與功能基本一致。如圖2所示為手機的應用界面圖，用戶(hù)輸入賬號與密碼信息后，進(jìn)入到系統內可以瀏覽到智能家居的信息。

　　3 結語(yǔ)

　　本文分析了智能家居的結構、功能與組成，采用以網(wǎng)關(guān)為中心，結合多網(wǎng)融合的方式，設計實(shí)現了以樹(shù)莓派系統為中心網(wǎng)關(guān)的智能家居系統，通過(guò)手機終端對智能家居的遠程控制與集中控制。實(shí)際使用效果證明，該系統具有很高的穩定性、可靠性與擴展性，兼具成本低廉、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有一定的市場(chǎng)推廣與參考。