基于樹莓派的智能燈光控制系統(tǒng)設計

陽秋光 成建宏

摘要： 隨著信息技術和互聯(lián)網的高速發(fā)展，智能化顯得極其重要。該系統(tǒng)是基于樹莓派為中繼控制模塊、wifi控制模塊、Arduino RGB全彩LED燈模塊以及手機APP模塊聯(lián)合的智能燈光控制設計。利用嵌入式開發(fā)、Linux編程以及swift語言等主要技術和運用IEEE802.11協(xié)議，從而搭建出RGB全彩LED燈光模塊的智能控制系統(tǒng)。實驗結果表明，該系統(tǒng)是可靠和有效的，并且能夠有效地防止他人非法入侵，在現(xiàn)實生活中對空調、窗簾、溫濕度等家居系統(tǒng)的智能控制具有潛在的應用價值。

關鍵詞：樹莓派；嵌入式開發(fā)；Linux系統(tǒng)；swift語言；IEEE802.11

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0220-02

Abstract： With the rapid development of information technology and Internet， intelligence becomes extremely important. The proposed system is a intelligent lighting control design based on Raspberry Pi relay control module， wifi control module， Arduino RGB full-color LED module and mobile APP module. The intelligent control system of RGB full-color LED lighting module is built by using the main technologies of embedded development， Linux programming and swift language， and using IEEE802.11 protocol. The results of experiments show that this system is correct and effective， and can effectively prevent the illegal invasion of others， which has potential application value In real life to intelligently control the home systems such as air conditioners， curtains， temperature and humidity.

Key words： Raspberry Pi； embedded development；Linux system； Swift language； IEEE802.11

隨著科技信息化的發(fā)展，人類生活越來越離不開智能化。而傳統(tǒng)的家居功能越來越不能滿足人們的生活需要，物聯(lián)網下的智能化家居越來越受到人們的關注。1984年美國聯(lián)合科技公司在康涅狄克州哈特佛市首次建立一套智能家居建筑，從此拉開了智能家居熱潮[1]。隨著物聯(lián)網發(fā)展，特別是近些年，4G通信技術全面鋪開，更加加速了智能家居的發(fā)展。如國內公司發(fā)布了海爾“e-家庭”和清華同方公司發(fā)布的“e-home”產品都是針對智能家居而設計的[2]。國外一些國家已經實現(xiàn)了智能家居的批量化應用，如美國X10智能家居系統(tǒng)[3]、新加坡8X系統(tǒng)[4]、德國的EIB系統(tǒng)[5]等。雖然這些物聯(lián)網智能家居產品的出現(xiàn)，讓人們生活更加便捷[7]，但是經濟成本一直制約智能家居的發(fā)展。隨著當今信息技術的高速發(fā)展，信息安全也成為一個非常重要的問題[8]。如上述所說，研究一套即經濟又安全的智能家居系統(tǒng)具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)總體方案設計

樹莓派作為一個中繼點，運用IEEE802.11通信技術協(xié)議，將各個硬件模塊串接在一起，很好的實現(xiàn)了對燈光亮度變化的控制以及后期拓展到各式電器設備的智能控制。樹莓派是通過GPIO口對各類電器設備的進行驅動，從而達到對家居電器設備進行控制。同時，樹莓派作為系統(tǒng)控制的核心，接收移動端的發(fā)送指令也充當服務器的角色，根據不同的指令發(fā)送到相應的電器設備。為了克服內外網無法直接傳輸數據的問題，該系統(tǒng)通過引入具有外網的IP路由器，能很好銜接內外網的通信問題，其中服務器端跟客戶移動端通信采用的Socket進行數據通信。其中，樹莓派端采用的C++語言進行編程構建。該系統(tǒng)的總體的框架圖如下圖1所示：

從系統(tǒng)的框架圖可以看出，后續(xù)還可以有其他的電器設備進行功能拓展。

1.1 樹莓派介紹

樹莓派是一種微型的計算機，其大小相當于一張銀行卡。選用了樹莓派3B型開發(fā)板，其包括了四核1.2GHZ Broadom BCM2837 64位CPU，板載了802.11b/g/n wifi和藍牙4.1，雙核Video coreIv多媒體協(xié)處理器等。支持linux系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)下的開發(fā)，具備了 PC的基本功能，其價格低廉，給我們提供了一個理想的開發(fā)平臺，其中樹莓派3B芯片的具有40個GPIO驅動接口。

1.2 三色全彩LED燈模塊

該模塊可以顯示全紅、綠和藍三種基色，輸入為5V的電壓。通過PWM端口實現(xiàn)對其控制，Arduino PWM接口可直接驅動。使用wiringPI來驅動GPIO口，控制LED燈時，采用了樹莓派的GPIO口11、12和13分別控制RGB三個顏色。

2 IEEE802.11協(xié)議原理

IEEE802.11其實就是無限局域網，主要包含了ISO協(xié)議中物理層和數據鏈路層。802.11是國際電氣和電子工程師協(xié)會聯(lián)合制定的，是第一代無限局域網的標準之一。它規(guī)定了物理層和介質訪問控制MAC地址的規(guī)范，允許無限局域網和無限控制設備在一定空間范圍內建立通信。隨著信息網絡的發(fā)展，網絡需求也從單一的通信到多方面需求，以往的IEEE802.11通信協(xié)議也隨著人們需求慢慢發(fā)展，先后有IEEE80211a、IEEE80211b、IEEE80211c、IEEE80211d等等[6]。為了實現(xiàn)高帶寬和高質量通信，IEEE802.11n協(xié)議應用而生。無限局域網通過掃描方式獲得信息，其掃描的工作方式主要有兩種：主動掃描工作模式和被動掃描工作模式

2.1 WiFi介紹

Wifi通信最大的優(yōu)點就是不需要布線，在有限的空間范圍內可以通過密鑰驗證連接。Wifi的通信發(fā)射的功率不超過100毫瓦，手機發(fā)射功率在5瓦左右，wifi通信功率遠遠低于手機的發(fā)射功率，并且不需要隨身攜帶。

2.2 Socket通信

網絡上的兩個程序之間進行連接通信，需要建立一個雙向的TCP連接，連接的一端被稱為socket。倘若樹莓派的服務器端和手機移動客戶端要建立通信，樹莓派的服務端要建立一個socket，與此同時手機移動客戶端也需要建立一個socket，兩者基于TCP協(xié)議進行數據通信。兩者進行具體的工作流程圖如圖2所示。

3 嵌入式原理和swift語言

3.1 嵌入式開發(fā)基本原理及swift語言

嵌入式系統(tǒng)一般分為四個部分：處理器、存儲器、輸入輸出（I/O）和軟件[6]。嵌入式是面向用戶、面向產品和面向，與具體應用相結合才能體現(xiàn)。以樹莓派硬件模塊為基礎，通過外圍硬件設備，通過軟件的配置形成一個智能控制燈光的系統(tǒng)。

Swift語言是Apple在WWC2014發(fā)布一種ios系統(tǒng)和osx系統(tǒng)開發(fā)的語言，基于Objictive-c和C，有意兼容了C和Objictive-c，相比C語言更加簡單、靈活。而系統(tǒng)設計采用了Xcode編譯器，Swift語言書寫。

4 實驗原理與仿真

采用了樹莓派3B作為嵌入式平臺，Arduino RGB全彩LED燈和蘋果手機，利用實驗室已有的WiFi，通過軟硬件結合。使用WiringPI來驅動GPIO管腳，控制LED燈，分別采用了11、12和13管腳分別控制RGB三種顏色。手機端采用Xcode編譯器編譯命令，通過socket發(fā)送指令給嵌入式段，該套接字擁有IP號和Port的功能，通過觸摸改變各種參數，其中手機APP程序擁有密碼連接功能，防止外來設備侵入。實驗仿真圖3如下：

系統(tǒng)先通過點擊圖5中第一張圖片上的手機界面配置系統(tǒng)屬性，進入圖5中第二張圖片界面，提示輸入端口號和IP號進行連接。連接成功后，有紅、綠和藍三種顏色配置屬性界面，該圖中關掉了紅和藍兩種顏色，只顯示了綠色，在Socket在建立連接后，第一次通訊，要求連接方發(fā)送密碼，這樣是為了防止外來設備的侵入，有很好的安全性能。

5 結論

本文基于樹莓派設計了一種智能燈光控制系統(tǒng)，其主要優(yōu)點有以下：

（1）通過Soctet建立通信需要建立連接需要放松密碼，具有很好的安全性能。

（2）該系統(tǒng)還可以拓展到對窗簾、煙霧和家庭室內的溫濕度控制及監(jiān)測。

通過實驗的驗證對比，可以得出該系統(tǒng)設計的正確性和可靠性。對于停電的突發(fā)情況，還有通信網絡的重啟等情況還沒有過多考慮，這是下一步研究的重點，力爭開發(fā)出一套性能更加完善的系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 姜超.基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].吉林大學，2014.

[2] 海爾 U-home http：//baike.baidu.com/view/379694.htm.

[3] 徐峰.基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北京郵電大學，2012.

[4] 嚴萍，張興敢，柏業(yè)超.基于物聯(lián)網技術的智能家居系統(tǒng)[J].南京大學學報（自然科學版），2012，01：26-32.

[5] 呂莉，羅杰.智能家居發(fā)展趨勢[J].計算機現(xiàn)代化，2007，11：18-23.

[6] Zhang Xuefeng.The application of bluetooth in the control system of the smart home with internet of things.Advanced Materials Research，v 712-715，Advances in Manufacturing Science and Engineering， 2013： 2753-2756.

[7] 陳淑娟.無線智能家居設備控制網絡設計及協(xié)議研究[D].大連海事大學，2013.

[8] 張蓉.基于大數據的計算機的網絡信息安全問題研究[J].信息通信，2017，13：23-26.

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