基于Raspberry Pi的遠程監測系統的設計與實現

鄭世玨， 徐 虹

(華中師范大學 計算機學院，湖北 武漢 430079)

0 引言

隨著集成電路技術的發展，計算機的體積繼續縮小，各方面的性能飛速提高，而價格卻不斷下跌，計算機逐漸走進人們生產生活的各個領域。物聯網和集成電路的快速發展及人們對居住環境舒適、便捷、安全等要求的不斷提高，智能設備及智能家居已經呼之欲出[1]。目前，國內外都對智能家居進行了廣泛而深入的研究及建設，然而大多數開發組都是自己設計電路、焊接元件，這就將很多非電子專業的電腦愛好者限制在了門外。本文介紹了基于Raspberry Pi的監控系統的設計與實現，大大降低了普通愛好者及個人開發智能家居的難度。

Raspberry Pi[2]是一款基于ARM的只有一張信用卡大小的單板機計算機。它由英國的Raspberry Pi基金會所開發，目的是以低價硬件及自由軟件刺激在學校的基本的電腦科學教育。Raspberry Pi只有信用卡大小，B板配有基于ARM11的700 MHz處理器，512 MB內存，RJ45以太網接口和GPIO、UART、I2C、SPI等接口。本文利用GPIO（通用輸入/輸出接口）實現了溫度/濕度監測、火焰警報，并且紅外配合攝像頭實現了有人時才拍照存檔及通過手機或電腦查看“MJPG-streamer[3]”實時視頻流的一種智能家居解決方案。

1 系統設計

1.1 系統架構

智能家居采用三層結構，用戶可以通過PC或手機登錄瀏覽器查看存儲在服務器上的溫度、濕度、照片、火焰異常。其中照片以時間為文件名，火焰異常時記錄時間，用戶可以查看指定時間段的照片或火焰異常。用戶還可以通過PC或手機登錄瀏覽器直接查看終端攝像頭實時視頻監控。終端將收集到的溫度、濕度、照片上傳到CentOS服務器，用戶通過瀏覽器查看終端上傳到服務器的數據[4]。當查看實時視頻監控時用戶通過客戶端直接查看終端視頻流。完整智能家居系統框架如圖1所示。

1.2 終端模塊

圖1 系統構架圖

終端由Raspberry Pi B板、獲取溫濕度的DHT11傳感器模塊、人體紅外感應模塊、火焰傳感器模塊和用于拍照及視頻監控的攝像頭模塊組成。其中DHT11[5]溫度測量范圍為0～50℃，濕度測量范圍為20 %RH～90 %RH，人體紅外感應模塊為 HC-SR501，火焰傳感器模塊基于LM393，攝像頭模塊為Raspberry Pi Camera模塊。終端模塊及接口如圖2所示。

圖2 Raspberry Pi接口及傳感器模塊

2 系統實現

2.1 各模塊實現

Raspberry Pi終端開機后啟動監控主程序，主程序創建3個進程，分別為溫濕度監測進程、火焰預警進程和人體紅外監測進程。系統每隔60 s通過GPIO激活溫濕度傳感器獲取一次數據。火焰預警進程每隔3 s查詢一次火警傳感器狀態是否正常，若不正常則發出預警并記錄時間。人體紅外監測進程查詢人體紅外狀態并進行拍照，為了減少拍照數量且不漏拍重要照片，本文設計了兩種拍照方式：連拍3張和拍1張。當監測區域內之前沒有人活動，現在有人進入區域時采用第一種連拍3張方式；當監測區域內持續有人活動時采用第二種拍攝1張方式。為此，需要設置兩種狀態：上次查詢狀態ilstate和本次查詢狀態iv，偽代碼如下：

火焰傳感器和人體紅外傳感器是狀態傳感器，分別有3個接口：正極、接地和信號輸出口，當狀態發生轉變時信號輸出電平翻轉，Raspberry Pi通過單個GPIO接口接收狀態轉變。本文使用GPIO1作為火焰傳感器的信號檢測接口，即26個接口中的12號，GPIO4作為人體紅外傳感器信號檢測接口，即26個接口中的16號，GPIO6作為DHT11的通信接口，即26個接口中的22號。火焰傳感器被觸發后輸出高電平，當GPIO1檢測到高電平時則啟動預警。人體紅外傳感器被觸發后由輸出低電平轉變為輸出高電平，GPIO4檢測到高電平后根據兩個狀態調用拍照功能。DHT11采用單個針腳實現與Raspberry Pi之間的同步和通信，一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出，數據格式為8 bit濕度整數數據、8 bit濕度小數數據、8 bit溫度整數數據、8 bit溫度小數數據，8 bit校驗位，其時序如圖3所示。各模塊實物連接如圖4所示。

Raspberry Pi已經安裝了Raspberry Pi Camera驅動，使用攝像頭前要進行設置，命令為sudo raspiconfig，然后選擇Enable Camera 確認后關機就可以連接Raspberry Pi Camera模 塊 了。Raspberry Pi用raspistill命令配合參數拍照。將拍照時間設為照片文件名，方便以后按時間查看及分類，拍照及照片上傳代碼在shoot.sh腳本中，通過C++程序來調用此腳本。

圖3 DHT11通信過程

圖4 各模塊實物連接

MJPG-streamer[6]是基于IP網絡的命令行應用程序，它從攝像頭獲取JPEG文件流發送到Firefox、Cambozola、VLC、Windows Mobile或者移動電話等包含瀏覽器的設備。可以利用攝像頭對JPEG文件進行硬件壓縮，減少服務器上的CPU周期消耗，這為CPU資源不足的嵌入式設備或者常規服務器提供了一種輕量級的解決方案。例如，在一個200 MHz的路由器上960×720像素的文件流使用的CPU資源小于10% 。

使用“MJPG-streamer”需要安裝相關庫libjpeg8-dev，源碼下載方法可以使用wget 或者git：wget：https://codeload.github.com/jacksonliam/mjpg-streamer/zip/master；git pull: https://github.com/jacksonliam/mjpgstreamer.git。

2.2 代碼編寫

程序為每個模塊創建了一個進程，代碼托管在google code,可以使用git克隆或者打包下載，git下載地址為：https://pottery19@code.google.com/p/ccnu-smart-house/。進行編譯前要先安裝wiringPi庫和mysqlclient庫，安裝后make即可編譯鏈接生成運行文件main。

3 系統測試

經測試系統基本達到了預定目標，獲得溫度、濕度數據如圖5所示，數據屬性分別為溫度、濕度、時間。可以看到并不是每30 s都產生一組數據，這是因為DHT11不夠準確，通過校驗碼校驗刪除傳輸錯誤及明顯超過范圍的數據（如溫度大于100℃）后可得到大部分準確數據。

圖5 溫度濕度

圖6 紅外記錄

圖7 拍攝圖片

圖8 火焰預警

如圖6所示,人體紅外感應模塊探測到有人活動時輸出高電平，記錄1。從圖7可以看到，攝像頭確實根據圖6所示紅外探測情況拍下了照片。火焰探測模塊探測到火焰時輸出低電平，記錄0，圖8為用火機測試情況，火焰探測確實根據嚴格的3 s時間記錄了有火焰時的時間。

遠程視頻測試如圖9所示，當畫面為20幀像素320×240時占用帶寬約為600 kb/s，畫面十分流暢，當畫面為10幀像素320×240時占用帶寬約為300 kb/s，畫面略有卡頓。

圖9 遠程視頻監控

4 結束語

本文提出了一種新的智能家居方案，實現了智能家居遠程監測系統功能，整個系統架構簡單，功能擴展方便，在此系統設計上稍加修改即可添加更多功能的傳感器，實現更加智能的功能，可結合ZigBee實現無線傳輸，結合arduino實現更方便的管理。

[1] 朱仲英.傳感網與物聯網的進展與趨勢[J].微型電腦應用，2010,26(1):1-3.

[2] Wikipedia. Raspberry_Pi [S/OL]. http://it.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi.

[3] 肖兒良,毛海軍,鞠軍平,等.基于開源軟件MJPG_Streamer的智能視頻監控系統設計[J].微電子學與計算機,2013,30(6):84-87.

[4] 劉政,袁國良,王麗芳.基于Cortex-M0 的室內溫控系統的設計[J].中國科技信息，2011(8):165-166.

[5] D-Robotics UK. DHT11[S/OL].http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf.

[6] Jacksonliam. MJPG-streamer [CP/OL].https://github.com/jacksonliam/mjpg-streamer#.