吳義黃+唐丹宏+郭坤+朱赟浩+黃飛鴻

摘要：針對科技的迅速發(fā)展、人民生活質(zhì)量的提高、智能家居產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對智能家居控制系統(tǒng)進行分析和研究，提出一種低成本、易擴展，適用于家庭應用的家居控制系統(tǒng)。設(shè)計出一種基于樹莓派的智能家居控制系統(tǒng)。利用樹莓派、Cortex-M0模塊、ZigBee模塊、GPS和GPRS模塊來實現(xiàn)家居的控制。該系統(tǒng)最終實現(xiàn)了微信控制，移動通信，北斗定位和樹莓派協(xié)同工作的智能家居多網(wǎng)系統(tǒng)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)硬件設(shè)備簡單、成本較低、系統(tǒng)可靠、易于擴展。

關(guān)鍵詞：智能家居；樹莓派；Linux；定位；傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）31-0208-03

智能家居是在傳統(tǒng)住宅的基礎(chǔ)上實現(xiàn)家電信息數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，設(shè)備自動化，并實現(xiàn)了管理、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)的一體化，從而構(gòu)建了新型的舒適、便利、高效、安全、環(huán)保的家居環(huán)境。利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗。

我國的智能家居行業(yè)興起于20世紀90年代后期，以上海、廣州、深圳等一線城市為典型并逐漸向二三線城市發(fā)展。隨著科技的進步，網(wǎng)絡(luò)化進程的加速，信息化建設(shè)也得到了廣泛的普及。目前我國家庭擁有Internet入網(wǎng)設(shè)備的比例達到70%，而一線城市有50%的住宅將實現(xiàn)智能化。國家設(shè)立信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系研究及產(chǎn)品開發(fā)重點專項項目以及家庭信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會等措施也將加速我國的家居智能化的進程。

本系統(tǒng)進行了以下的創(chuàng)新，它是一種基于樹莓派的智能家居多網(wǎng)系統(tǒng)。通過在樹莓派中搭建Linux操作系統(tǒng)，并運行智能家居控制程序，形成主控系統(tǒng)，實現(xiàn)家居智能化管理，同時為了達到智能控制功能，我們還設(shè)計了定位系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)兩大系統(tǒng)來輔助主控系統(tǒng)。定位系統(tǒng)是用來實時收集家居主人位置信息，主要跟隨家居主人隨身移動，使得主控系統(tǒng)可以根據(jù)家居主人是否在家中作出智能控制。傳感器系統(tǒng)則用來接收和發(fā)送家居信息。

1 系統(tǒng)的主要功能和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

我們設(shè)計了一個在搭載著Linux系統(tǒng)的樹莓派上建立一個智能家居主控系統(tǒng)，同時協(xié)調(diào)控制基于Cortex-M0的傳感器子系統(tǒng)和定位子系統(tǒng)，以此建立一個家居智能化系統(tǒng)，系統(tǒng)通信使用ZigBee和3G通信的方式，系統(tǒng)控制則通過微信的方法進行控制。

主控系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，同時建立微信端提供用戶交互界面，使得用戶可以給傳感器系統(tǒng)發(fā)送控制命令和接收傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，讓家居主人可通過微信訪問來查詢、控制智能設(shè)備。

傳感器系統(tǒng)分為控制端和采集端，控制端可接收來自主控系統(tǒng)的控制命令，實現(xiàn)智能設(shè)備的控制，在我們的設(shè)計中可控制小燈的開關(guān)和風扇的開關(guān)，采集端用來采集各傳感器數(shù)據(jù)，例如溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)等，最終顯示到主控系統(tǒng)中的微信頁面上。

定位系統(tǒng)主要提供家居主人的實時位置信息，并通過Internet傳送到阿里云服務器端，最終主控系統(tǒng)會根據(jù)家居主人的位置信息來實現(xiàn)一些自動化的控制，在我們的設(shè)計中家居主人的位置一旦出現(xiàn)在家半徑500米內(nèi)，即可觸發(fā)傳感器系統(tǒng)中的報警器。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件設(shè)計介紹了本系統(tǒng)中主控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的硬件模塊選擇以及硬件連接。下文在介紹時將先給出三大系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計，然后分別介紹所選用的硬件模塊

2.1 主控系統(tǒng)硬件設(shè)計

主控模塊采用樹莓派作為主控系統(tǒng)，外圍協(xié)調(diào)一個USB攝像頭作為監(jiān)控，同時接上ZigBee與傳感器模塊進行控制通信。Raspberry Pi作為主控系統(tǒng)有以下的優(yōu)點：1.設(shè)計為樹莓派選擇搭載Raspbian系統(tǒng)，它相對于小巧的arch Linux ARM系統(tǒng)更加完善，因此其鏡像文件體積也比較大。它本身自帶ssh，免去了復雜的ssh移植過程，而且可以運行C、C++、JAVA和Python等程序，為本系統(tǒng)接下來所編寫的代碼提供便捷的運行環(huán)境；2.設(shè)計選用的是ARM+Linux+Internet的模式，對此樹莓派可以出色地實現(xiàn)這些功能，硬件的簡化又恰好詮釋隱蔽的特點；3 .軟硬件可裁剪的嵌入式系統(tǒng)。我們選用中興微zc301USB的Linux免驅(qū)攝像頭，通過樹莓派的USB 2.0接口與USB攝像頭模塊相連，即可實現(xiàn)USB攝像頭與控制平臺的數(shù)據(jù)連接和交換。USB攝像頭主要用來采集數(shù)據(jù)圖像，存儲至樹莓派中，并對數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)進行壓縮解碼，我們還選用了ZigBee芯片為TI CC2530F256，將此芯片通過USB串口與樹莓派進行連接，即可通過樹莓派編程驅(qū)動ZigBee模塊工作，與傳感器系統(tǒng)中的ZigBee模塊進行通信，以達到主控系統(tǒng)控制傳感器系統(tǒng)工作的目的。

2.2 傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計

傳感器系統(tǒng)采用Cortex-M0來協(xié)調(diào)ZigBee與各個傳感器（溫度傳感器、紅外接收發(fā)送傳感器等）相互之間通信。當主控系統(tǒng)通過ZigBee發(fā)送或接受信息，傳感器系統(tǒng)中ZigBee將接收到控制信息反饋給Cortex-M0，最終通過Cortex-M0去控制各個傳感器模塊。

2.3 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計

定位系統(tǒng)通過采用Cortex-M0來協(xié)調(diào)GPRS模塊與GPS模塊相互之間通信。當GPS模塊采集到位置信息反饋給Cortex-M0，Cortex-M0去控制GPRS模塊將位置信息通過Internet傳輸?shù)桨⒗镌品掌鳌?/p>

2.3.1 GPS模塊

本系統(tǒng)選用的GPS模塊為和芯星通的UM220-III。該芯片主要是為車輛監(jiān)控和導航、氣球探空等應用而設(shè)計的北斗/GPS雙系統(tǒng)模塊。UM220-III采用和芯星通完全自主知識產(chǎn)權(quán)的低功耗GNSS SoC芯片，是目前市場上尺寸最小的完全國產(chǎn)化的北斗/GPS模塊，其優(yōu)點是集成度高、功耗低，非常適合對尺寸、功耗要求高的北斗規(guī)模應用。

2.3.2 GPRS模塊

本系統(tǒng)選用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM900A系列開發(fā)板，本開發(fā)板上的SIM900A模塊主要用來提供3G功能，其具有標準AT命令接口，可以提供GPRS數(shù)據(jù)通信、語音通話、短信手法等功能。SIM900A模塊用途較為廣泛，包括智能電表、車載通信、安防監(jiān)控、無線POS、無線醫(yī)療等。通過AT指令就可以驅(qū)動SIM900A工作，是對SIM900A模塊實現(xiàn)相應的功能。該開發(fā)板使用串口與外部進行連接，通過給串口發(fā)送相應的AT指令就可以控制SIM900A模塊實現(xiàn)相應的功能

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)平臺的搭建

軟件設(shè)計將主要介紹主控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。首先將對樹莓派所搭載的操作系統(tǒng)進行介紹，然后是介紹主控系統(tǒng)所需搭建的服務器，最后詳細介紹主控程序。

3.1.1 Raspbian操作系統(tǒng)簡介

Raspbian的基礎(chǔ)是Debian操作系統(tǒng)。 Raspbian擁有以下幾個特點：更快的網(wǎng)頁瀏覽速度；針對樹莓派的硬件，對內(nèi)核和應用程序進行優(yōu)化；優(yōu)化了ARMV6的memcpy（）和memset（）程序；開源，更新?lián)Q代及時；支持多種硬件平臺，開發(fā)工具豐富。

3.1.2 微信公眾平臺的搭建

微信公眾號：微信公眾號是開發(fā)者或商家在微信公眾平臺上申請的應用賬號，該帳號與QQ賬號互通，通過公眾號，商家可在微信平臺上實現(xiàn)和特定群體的文字、圖片、語音、視頻的全方位溝通、互動 。形成了一種主流的線上線下微信互動營銷方式。

我們主要使用了微信平臺的開放API接口，按照微信官方的給定的方式進行調(diào)用。最后將樹莓派作為我們的微信公眾號的掛載服務器，以提供穩(wěn)定的運行環(huán)境。

3.1.3 視頻服務器（MJPG-streamer）

MJPG-streamer是通過從Webcam攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，并以視頻流的方式通過IP網(wǎng)絡(luò)將其傳輸至網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。用戶可以通過手機和PC等平臺通過瀏覽器打開視頻流。MJPG-streamer利用某些Webcam的硬件壓縮功能來降低服務器內(nèi)核CPU的消耗。

MJPG-streamer提供一個Input-plugin插件來產(chǎn)生Jpeg格式圖片并復制到內(nèi)存，同樣，MJPG-streamer提供眾多的Output-plugin插件將圖片上傳到網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，而它自身只充當一個中間者的角色。

4 系統(tǒng)測試

4.1 啟動服務器

4.2 微信端服務界面

4.3 傳感器系統(tǒng)測試

當在家居信息頁面，選中小燈狀態(tài)為開，點擊確定時，傳感器模塊上的小燈便會打開。小燈亮，表示傳感器模塊測試成功。

當選中蜂鳴器狀體為開時，蜂鳴器產(chǎn)生響聲，測試成功。

當選中風扇按鈕大于0時，風扇便會轉(zhuǎn)動。0，1，2是調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速，測試成功。

4.4 定位系統(tǒng)測試

當GPS一旦定位到位置信息，系統(tǒng)會通過GPRS將位置信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨⒗镌品掌魃?，服務器中會將會與百度鷹眼進行交互，最終在百度鷹眼上形成行車軌跡，圖8顯示了行車軌跡。并且當車位于途中紅色1號點時，傳感器系統(tǒng)中蜂鳴器開始報警（地理圍欄中心設(shè)定在1號點半徑范圍500米內(nèi)）。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于樹莓派和ZiggBee的嵌入式智能家居系統(tǒng)，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及傳感器控制電路進行家庭設(shè)備信息的采集和狀態(tài)控制，并且可以將設(shè)備狀態(tài)信息更新給互聯(lián)網(wǎng)上的服務器以及發(fā)送到指定的用戶，用戶可以通過微信端對家居系統(tǒng)進行遠程操控或者查看家居信息。本系統(tǒng)功能強大、功耗低、實現(xiàn)簡單，達到了對家庭家居設(shè)備的智能化管理和遠程監(jiān)控目的，具有廣闊的應用背景。

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