基于Raspberry Pi的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

曹曉華 鄭宇航 陳波 崔傳金

關(guān)鍵詞： 智能家居; Raspberry Pi; 人機(jī)交互; Python; 家庭監(jiān)控系統(tǒng); 家電控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TN948.64?34; TB73.6 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）04?0042?03

Home remote monitoring system based on Raspberry Pi

CAO Xiaohua， ZHENG Yuhang， CHEN Bo， CUI Chuanjin

（School of Electrical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China）

Abstract： A home remote monitoring system is designed in this paper combining the strong development function of the card computer Raspberry Pi and the convenience of personal WeChat subscription number. Taking the C/S architecture as the basis， the Python as the development language， and the Raspberry Pi as the platform， the system is designed by means of collaborative working of multiple sensors， with the WeChat application as the core human?machine interaction terminal and the Yeelink APP as the accessory terminal. The system can not only realize the home monitoring functions of surveillance and recording in the traditional sense， but also realize the household appliances control function， weather query function， personal blog service and cloud disk service， so as to develop the rich resources of the Raspberry Pi to the largest extent. Two monitoring schemes of the monitoring function are designed， including the real?time monitoring and intelligent monitoring. The design method with dual?terminal of WeChat subscription number and Yeelink provides users with more selections. The communication design between NodeMCU and Raspberry Pi is the highlight of the remote control function.

Keywords： smart home; Raspberry Pi; human?machine interaction; Python; home monitoring system; household appliances control

本系統(tǒng)是在智能化家居快速發(fā)展的背景下，結(jié)合Raspberry Pi卡片電腦強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)功能和個(gè)人微信訂閱號(hào)的便捷性，所設(shè)計(jì)的一種遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控系統(tǒng)。功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是獨(dú)創(chuàng)且具有實(shí)用價(jià)值的，是以C/S（Client/ Server）架構(gòu)為基礎(chǔ)，使用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，以Raspberry Pi為平臺(tái)的，多傳感器協(xié)同工作的，以微信應(yīng)用為核心人機(jī)交互終端的，以Yeelink APP為輔助終端的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)。

1 ?主要研究?jī)?nèi)容

文中設(shè)計(jì)以C/S架構(gòu)為基礎(chǔ)的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用搭載Raspbian系統(tǒng)的Raspberry Pi3B型板作為家庭主服務(wù)器，也就是本系統(tǒng)的S（Server）部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、處理、傳輸?shù)戎T多功能。另外利用板上的40個(gè)GPIO口，驅(qū)動(dòng)必要的傳感器增加功能;并利用Yeelink云平臺(tái)，使用Python的requests庫(kù)，使本系統(tǒng)接入Yeelink云，以POST方法按一定間隔上傳家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，以GET方法按一定時(shí)間間隔獲取用電器開(kāi)關(guān)情況等。

本次設(shè)計(jì)的C（client）部分，由微信客戶(hù)端構(gòu)成，利用一個(gè)幾乎智能機(jī)必備的社交軟件，可以完成對(duì)家庭內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、圖片的采集、用電器的開(kāi)關(guān)控制等一系列功能。為了拓展此系統(tǒng)的實(shí)用性，引入NodeMCU的硬件部分，采用ESP8266WiFi芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)部電器的遠(yuǎn)程控制。此外Socket編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，采用UDP傳輸協(xié)議，確保傳輸?shù)募皶r(shí)性。針對(duì)目前大環(huán)境下個(gè)人家庭網(wǎng)絡(luò)不具備外網(wǎng)IP的情況，用Ngrok服務(wù)器反向代理，通過(guò)創(chuàng)建Tunnel隧道，映射特定端口號(hào)到外網(wǎng)服務(wù)器，可確保系統(tǒng)的通用性。家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及先進(jìn)性

1） 系統(tǒng)層面將實(shí)現(xiàn)的功能有：使用Raspberry Pi驅(qū)動(dòng)DHT11傳感器收集室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù);使用Raspberry Pi的攝像頭模塊采集室內(nèi)圖像;使用NodeMCU與Raspberry Pi建立Socket通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)下的遠(yuǎn)程控制;使熱釋電人體感應(yīng)傳感器可以觸發(fā)Raspberry Pi的程序事件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓拍;使Raspberry Pi與外網(wǎng)服務(wù)器建立Ngrok隧道連接，并映射必要端口到外網(wǎng)環(huán)境。

2） 系統(tǒng)的先進(jìn)性。傳統(tǒng)的家庭監(jiān)控往往是利用家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，讓人遠(yuǎn)程了解自己的家庭狀況。在本系統(tǒng)中，用戶(hù)不僅僅可以通過(guò)微信客戶(hù)端實(shí)時(shí)查看家庭內(nèi)靜態(tài)照片和家庭內(nèi)溫濕度情況，還可以控制家庭內(nèi)的用電器開(kāi)關(guān)，查看用電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，做到了同時(shí)具有監(jiān)測(cè)和控制兩大功能。

在硬件上采用Raspberry Pi為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，而不是使用硬件結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的單片機(jī)。在用戶(hù)界面，采用微信訂閱號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)家庭監(jiān)控系統(tǒng)用戶(hù)需要通過(guò)在電腦端才能查看監(jiān)控信息的問(wèn)題。利用微信這一幾乎人人手機(jī)上都有的軟件，使得每一個(gè)人在使用此遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)都得心應(yīng)手，大大優(yōu)化了此系統(tǒng)的易用性。

3 ?系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按功能劃分分為服務(wù)器和中央控制器兩大部分。服務(wù)器功能部分主要是在Raspberry Pi上運(yùn)行的三類(lèi)服務(wù)，這三類(lèi)服務(wù)將24 h不間斷運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能劃分圖如圖2所示。

其中，Yeelink服務(wù)主要是提供數(shù)據(jù)的上傳與遠(yuǎn)程控制服務(wù)，負(fù)責(zé)將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到Y(jié)eelink云平臺(tái)，方便用戶(hù)查看、統(tǒng)計(jì)和控制。Apache服務(wù)是一個(gè)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)，主要是提供系統(tǒng)中Owncloud云盤(pán)和Wordpress博客的功能，這兩個(gè)功能算是除在家庭遠(yuǎn)程控制功能之外的實(shí)用附加功能。微信服務(wù)器則由Python代碼編寫(xiě)，利用Web庫(kù)打造的輕量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以使用戶(hù)通過(guò)微信訂閱號(hào)與系統(tǒng)進(jìn)行友好的交互，實(shí)現(xiàn)如查看服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)，查看天氣情況，控制用電器狀態(tài)等一系列強(qiáng)大功能。

中央控制器功能部分，是Raspberry Pi作為一個(gè)硬件控制中心所實(shí)現(xiàn)的功能，它所提供的服務(wù)不是不間斷運(yùn)行的，而是作為事件觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。其中，可以通過(guò)Raspberry Pi上的40個(gè)GPIO口連接多種傳感器，如用到的DHT11溫濕度傳感器，對(duì)GPIO口的控制可以通過(guò)Python的GPIO庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，來(lái)對(duì)環(huán)境中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。圖像采集通過(guò)Raspberry Pi上的板載CAMERA接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)運(yùn)行命令即可抓拍制定分辨率大小的照片。Socket編程是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N方法，也是本系統(tǒng)中采用的Raspberry Pi與NodeMCU的通信方法，使NodeMCU與Raspberry Pi處于同一局域網(wǎng)下，通過(guò)UDP協(xié)議編程即可實(shí)現(xiàn)Raspberry Pi對(duì)NodeMCU的任意I/O口的電平控制。另外由于UDP協(xié)議的特性，NodeMCU與Raspberry Pi之間不需要一直保持通信連接，當(dāng)需要連接時(shí)，由客戶(hù)端直接向服務(wù)端請(qǐng)求連接即可。

4 ?系統(tǒng)軟件部分程序設(shè)計(jì)

軟件主要包括：DHT11傳感器的驅(qū)動(dòng)方法;NodeMCU與Raspberry Pi的Socket通信編程;實(shí)現(xiàn)了Raspberry Pi遠(yuǎn)程控制NodeMCU的引腳狀態(tài)等，以此完成了本系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的功能。接下來(lái)是針對(duì)服務(wù)的編程。首先是Yeelink云服務(wù)的編程，將Raspberry Pi處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)結(jié)eelink云平臺(tái)，并通過(guò)Yeelink終端控制家庭用電器。其次是微信訂閱號(hào)的后臺(tái)設(shè)計(jì)，XML字符串的解析方法，并可以通過(guò)XML字符串解析的內(nèi)容做出相應(yīng)的反應(yīng)，鑒于篇幅不再贅述。

5 ?系統(tǒng)功能測(cè)試

打開(kāi)Yeelink客戶(hù)端，進(jìn)入控制界面，可以查看Raspberry Pi的CPU溫度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室內(nèi)照片等數(shù)據(jù)，也可以控制各用電器開(kāi)關(guān)，遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)等。對(duì)于照片開(kāi)關(guān)這一特殊功能開(kāi)關(guān)，打開(kāi)之后可以使Raspberry Pi每5 s拍1張照片，并上傳到Y(jié)eelink云平臺(tái)，通過(guò)室內(nèi)照片可以查看這些照片，并且所有的歷史照片都會(huì)被保留。這個(gè)功能是作為手動(dòng)家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控功能使用，以便在用戶(hù)離開(kāi)家之后，對(duì)家庭內(nèi)部做出實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)于家庭監(jiān)視狀態(tài)這一特殊開(kāi)關(guān)，打開(kāi)之后使熱釋電人體傳感器進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到有人活動(dòng)時(shí)，熱釋電人體傳感器會(huì)觸發(fā)Raspberry Pi相機(jī)模塊，每10 s會(huì)抓拍一張照片，并上傳到Y(jié)eelink云平臺(tái)，同樣的，通過(guò)室內(nèi)照片可以查看這些照片。這個(gè)功能是作為自動(dòng)家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控功能使用，以便在用戶(hù)離開(kāi)家之后，對(duì)家庭內(nèi)部做出自動(dòng)高效的監(jiān)控。在本系統(tǒng)中，提出雙終端的控制辦法，兩種控制終端都可以完美實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的功能，并且各有優(yōu)勢(shì)，相輔相成，為系統(tǒng)增加了更多的人性化設(shè)計(jì)，大大拓展了實(shí)用性和易用性。

6 ?結(jié) ?語(yǔ)

系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的家庭監(jiān)控功能之外，如監(jiān)視和記錄等，還增加了家庭電器的控制功能、天氣查詢(xún)功能、個(gè)人博客和云盤(pán)的服務(wù)，最大限度開(kāi)發(fā)了Raspberry Pi的豐富資源供用戶(hù)使用。而且為監(jiān)控功能設(shè)計(jì)了兩種監(jiān)控方案，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能監(jiān)控，另外微信訂閱號(hào)，Yeelink雙終端的設(shè)計(jì)方法，也為用戶(hù)提供了更多的選擇。針對(duì)微信訂閱號(hào)服務(wù)對(duì)外網(wǎng)的要求也一并提出了解決方案，端口映射和反向代理，可供用戶(hù)按情況選擇。NodeMCU也是系統(tǒng)的亮點(diǎn)之處，MicroPython固件的燒錄使其具有簡(jiǎn)單高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)也統(tǒng)一了本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，降低了后期系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)難度。

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