基于Raspberry Pi和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)

王潔松 韓樹河

摘 要：針對國內外已有家居控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出了一種新的靈活的便于擴展的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將編程開發(fā)后的Raspberry Pi（樹莓派）作為嵌入式家庭服務器，采用ZigBee技術實現(xiàn)家庭網絡內通信，并設計了配套的基于ZigBee技術的智能插頭。實驗測試表明，該系統(tǒng)架構靈活可靠，便于進一步擴展，且可應用于未來接入智能電網的智能家居中。

關鍵詞：智能家居;Raspberry Pi;ZigBee;XBee;智能插頭;智能電網

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-04

0 引 言

智能家居自動化領域的特點是，通過使用有線和無線技術基礎設備實現(xiàn)無縫集成的智能聯(lián)網，從而更輕松地創(chuàng)建個性化和安全的家居空間[1]。隨著通信、信息和電子技術等的發(fā)展與智能設備在智能家居控制系統(tǒng)中的不斷融合，智能家居控制系統(tǒng)在不斷降低成本，同時系統(tǒng)架構也在不斷改進。

過去幾年，國外出現(xiàn)了幾種基于不同技術和標準的智能家居控制系統(tǒng)。例如在文獻[2-3]中移動電話被用來遠程控制家居環(huán)境中的電器，文獻[4]提出了一種基于微控制器的智能家居控制系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)缺乏靈活性，例如通過單一設備（GSM移動電話）控制家居環(huán)境中的設備;在使用SMS消息作為遠程控制家用電器的家居控制系統(tǒng)中，用戶必須記住消息主體中包含的所有命令代碼或名稱。因此，為提高系統(tǒng)使用的靈活性，通過動態(tài)靈活的UI用戶界面來控制和監(jiān)視家居設備是解決當前問題的較好方案。

為克服家庭部署安裝問題，很多智能家居控制系統(tǒng)設計方案提出采用無線技術。例如，文獻[5]提出一種基于藍牙無線技術的智能家居系統(tǒng);文獻[6]提出一種基于WiFi無線控制的智能插頭，使用REST架構提供服務;文獻[7-9]設計了基于GPRS模塊和XBee模塊的遠程無線采控系統(tǒng);文獻[10]為提高服務器并發(fā)量，使用Netty網絡架構，由WiFi和ZigBee構建家庭內網，WiFi網絡與ZigBee網絡之間通過樹莓派完成信息交換。但若采用WiFi技術、藍牙技術實現(xiàn)近距離通信，則存在功耗大、傳輸距離短等缺陷。

文獻[11]中開發(fā)設計了一個基于Cortex-A8處理器的可編程小電腦，將其作為嵌入式服務器和網關，用于確保智能家居控制系統(tǒng)的遠程控制和監(jiān)視服務。文獻[12-13]均將Cortex-M3作為主控芯片，基于XBee模塊組建智能家居內網。

文獻[8]設計了一套基于嵌入式Web的XBee網關。文獻[14]中對集成TI公司以CC2530芯片為核心的ZigBee模塊和Digi公司的XBee模塊的兩種無線通信技術的室內智能家居控制系統(tǒng)，從傳輸距離、功耗和抗干擾能力進行實驗對比，測試結果顯示XBee模塊更適合室內家居智能控制系統(tǒng)。

文獻[15]使用XBee模塊組建家庭內網，使用S3C6410芯片搭載Linux操作系統(tǒng)設計網關，將以太網作為通信外網，將智能手機作為監(jiān)控終端。

文獻[16-17]中基于Raspberry Pi進行智能家居系統(tǒng)的設計降低了開發(fā)成本，且兼容性強，系統(tǒng)各設備可通過有線或無線方式互聯(lián)。

本文針對上述國內外家居控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，設計了一個靈活的便于擴展的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Raspberry Pi作為嵌入式服務器進行編程設計，采用ZigBee技術構建家庭網絡，并設計了配套的基于ZigBee技術的智能插頭。

1 系統(tǒng)架構

本文提出的智能家居控制系統(tǒng)架構如圖1所示。用戶可使用與局域網有線連接的臺式PC機，或通過WiFi連接的平板電腦和智能手機等智能設備控制本地家用電器，或通過Internet遠程控制。控制系統(tǒng)的UI用戶界面采用HTML編寫，簡化了用戶的控制任務，使用戶能夠使用各種智能設備進行訪問操作，從而增加了智能家居控制系統(tǒng)的靈活性。

1.1 中央單元中央單元架構如圖2所示，由Raspberry Pi和XBee模塊組成。

僅有信用卡大小的Raspberry Pi具有成本低、靈活、兼容性強、用途廣泛等優(yōu)點，適用于需要圖形界面或Internet的項目，適合在物聯(lián)網（Internet of Things，IoT）場景中使用[18]。本文實驗時使用Raspberry Pi B+版本，該款Raspberry Pi板于2014年7月推出，其主要硬件參數如下：

Raspberry Pi可支持各種Linux操作系統(tǒng)，如Ubuntu，Arch Linux等，默認操作系統(tǒng)為Raspbian（為Raspberry Pi定制的Debian，推薦使用此版本）。

根據文獻[14]中對ZigBee模塊和XBee模塊的性能測試對比，本文選用使用ZigBee技術的XBee模塊。在中央單元中XBee模塊被配置為網絡中的協(xié)調器，負責組建網絡并為家庭網絡中的其他XBee設備分配地址。Raspberry Pi則作為嵌入式服務器，在其上編程實現(xiàn)家居控制系統(tǒng)，存儲數據。

用于控制設備或管理家庭網絡的命令都通過Raspberry Pi傳達。Raspberry Pi通過RJ 45接口接入Internet，使遠程用戶可遠程控制設備和電器。Raspberry Pi扮演網關角色，可執(zhí)行遠程用戶通過Internet發(fā)起的命令或請求。通過Internet收到的命令將由網關進行解釋，然后由XBee協(xié)調器將具體的ZigBee命令發(fā)送到家庭網絡中特定的XBee模塊。

Raspberry Pi和XBee協(xié)調器之間的數據交換通過串行接口完成。串行通信參數需要在Java程序中定義，且必須和X-CTU軟件在配置XBee協(xié)調器時輸入的參數相匹配。FTDI芯片將XBee引腳上接收到的數據轉換為串行協(xié)議，從而與Raspberry Pi通信。為實現(xiàn)Raspberry Pi發(fā)送命令或處理從XBee協(xié)調器接收數據的功能，在編寫Java程序時使用Digi公司在其官網上提供的關于XBee的Java庫文件。

1.2 智能插頭

智能插頭使本文的控制系統(tǒng)更加智能，為用戶在家庭網絡中控制設備提供了方便。智能插頭由電源和命令電路、傳感器板組成。智能插頭允許控制設備打開或關閉設備，并與中央單元交換數據，交換的數據包括設備狀態(tài)、電耗值和溫濕度等環(huán)境值。

智能插頭的圖塊如圖3所示，本文設計的智能插頭由XBee收發(fā)模塊（XBee Transceiver）、傳感器板（Sensor Board）和命令電源電路（Command & Power Circuit）組成。ZigBee的技術特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率，適用于智能家居網絡中設備的自動控制。智能插頭按ZigBee技術標準與中央單元通過無線網絡交換數據，該功能由智能插頭中的XBee收發(fā)模塊實現(xiàn)。使用Digi公司的X-CTU軟件配置XBee收發(fā)模塊，家居設備網絡為網狀拓撲結構，由中央單元中的XBee協(xié)調器為安裝在智能插頭中的XBee收發(fā)模塊分配地址。

1.2.1 命令和電源電路

在X-CTU下配置時，XBee收發(fā)模塊的一個引腳配置為模擬輸入，另一個配置為數字輸出。XBee第19引腳配置為數字輸出（DIO1），向電源電路發(fā)送命令。如圖4所示，通過一個晶體管連接XBee DIO1引腳以啟用或禁用高速光耦合器（6N135）。

電源電路由繼電器組成。該繼電器接收來自晶體管的指令，而該指令依賴于光耦合器（6N135）的輸出。XBee模塊天線上接收到的命令（打開或關閉設備）將通過智能插頭的電路激活繼電器線圈，該線圈為設備提供電能。

1.2.2 傳感器板

圖5所示為傳感器節(jié)點電路。XBee模塊配有4個ADC（模擬數字轉換器），允許在引腳17～20（DIO0～DIO3）上配置4個模擬輸入/輸出，引腳號17用于接收溫度傳感器LM335的信號。

2 軟件開發(fā)

在實驗設計中，智能家居控制系統(tǒng)提供設備控制、網絡管理和溫度監(jiān)控服務。Raspberry Pi B+板作為家庭嵌入式服務器，可使用不同的編程語言進行開發(fā)，例如C，C++，Python或Java。文本設計中使用Java進行嵌入式服務器開發(fā)。JES（Java Embedded Suite）是一種針對嵌入式環(huán)境執(zhí)行的輕量級API，允許創(chuàng)建Java數據庫并基于REST架構為遠程控制提供Web服務。架構平臺采用Glassfish服務器（一款由Sun公司開發(fā)的開源免費的應用服務器）。使用的表述性狀態(tài)傳遞（Representational State Transfer，REST）體系結構基于C/S體系結構為用戶提供Web服務。

圖6所示為使用JavaScript用HTML編碼設計的動態(tài)用戶操作界面，該界面方便用戶更簡單、靈活地監(jiān)視和控制家用設備。

用戶執(zhí)行的操作在請求中被轉換為兩部分，即URI（統(tǒng)一資源標識符）和特定數據。

URI是給定資源的唯一標識符，格式為http：// ： / path_to_resouce。URI指向嵌入式服務器上的資源，該資源被編程以滿足所需服務，例如讀取所選智能插頭所在的環(huán)境溫度。

通常嵌入式服務器上的資源需要正確執(zhí)行一些特定指令，例如用戶想要打開或關閉設備智能插頭的MAC地址。REST是面向表述的體系結構，因此與服務器交換的數據需具有JSON和XML格式或其他格式類型。

所有請求可通過本地WiFi、局域網或Internet遠程傳輸，在基于C/S架構的嵌入式服務器中完成。嵌入式服務器收到的請求將通過串行RS 232協(xié)議傳輸到XBee協(xié)調器，協(xié)調器將詢問或命令智能插頭執(zhí)行預期命令。

3 系統(tǒng)評估

本文提出的智能家居控制系統(tǒng)由嵌入式服務器、ZigBee家庭網絡和UI用戶界面構成。

設計中選擇XBee設備組建ZigBee家庭網狀網絡，由X-CTU軟件對各XBee模塊進行配置。中央單元的XBee模塊配置為協(xié)調器，作為信任中心，命令均通過該節(jié)點。通過使用Digi官網上提供的與XBee相關的Java庫文件，編程實現(xiàn)協(xié)調器與嵌入式服務器間的通信。

實際使用中對家庭設備控制的命令由用戶在UI用戶界面發(fā)起，由嵌入式服務器接收，然后作為命令傳送給XBee協(xié)調器，再由協(xié)調器將命令發(fā)送到家庭網絡內的特定智能插頭，最后這些命令由智能插頭執(zhí)行，并將反饋信息發(fā)送回服務器。文本所設計的架構為智能家居提供了可靠的控制系統(tǒng)。

文獻[2-4]中提出的控制系統(tǒng)基于GSM或微控制器設計，其缺點是缺乏靈活性，需要用戶記住用于控制家庭設備的命令或代碼。本文中，UI用戶界面以HTML和JavaScript編碼，允許出現(xiàn)動態(tài)網頁。用戶可使用PC機、移動設備或其他智能設備，遠程或本地使用該UI用戶界面，增加了控制系統(tǒng)的靈活性。

測試表明，文本所提出的智能家居控制系統(tǒng)靈活可靠。智能設備都可連接到作為嵌入式服務器的Raspberry pi上，為控制系統(tǒng)的擴展提供了可能。因此，文本提出的基于Raspberry pi和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)是一套可進一步擴展的智能家居控制系統(tǒng)。

4 結 語

隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，智能家居的快速發(fā)展將成為必然。文本針對國內外文獻中出現(xiàn)的幾種智能家居控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出了一個新的控制系統(tǒng)架構。該系統(tǒng)基于有網關功能的嵌入式服務器，允許用戶通過Internet，LAN或WiFi控制家具電器。Raspberry pi板成本低，兼容性強，便于軟件開發(fā)后作為嵌入式服務器。使用REST體系架構搭建用于控制和監(jiān)視的Web服務功能。家庭網絡通信基于ZigBee標準，由中央單元統(tǒng)一控制和監(jiān)控。該系統(tǒng)架構提高了智能家居控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性，可應用于未來接入智能電網的智能家居中。

參 考 文 獻

[1] TOSCHI G M，CAMPOS L B，CUGNASCA C E.Home automation networks：a survey[J].Computer standards & interfaces，2017，50（2）：42-54.

[2] NICHOLS J，MYERS B A. Controlling home and office appliances with smart phones[J]. IEEE pervasive computing，2006，5（3）：60-67.

[3] KHIYAL MA S H，KHAN A，SHEHZADI E. SMS based wireless home appliance control system（HACS） for automating appliances and security[J].Informing science institute，2009（9）：887-894.

[4] KAUR I. Microcontroller based home automation system with security[J].International journal of advanced computer science and applications，2010（1）：60-65.

[5] SRISKANTHAN N，TAN F，KARANDE A. Bluetooth based home automation system[J]. Microprocessors and microsystems，2002，26（6）：281-289.

[6] WANG L，PENG D L，ZHANG T. Design of smart home system based on WiFi smart plug[J].Internatonal journal of smart home，2015（9）：173-182.

[7]劉嬋媛.基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2012.

[8]陳早維.基于嵌入式Web的ZigBee網關的設計與實現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學，2014.

[9]張西安. 基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學，2014.

[10]張應昌.基于異構網絡的物聯(lián)網智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[11] ZHANG S Y，XIAO P P，ZHU J，et al. Design of smart home control system based on Cortex-A8 and ZigBee[C] //Proceedings of the IEEE International Conference on Software Engineering and Service Sciences，ICSESS，2014：675-678.

[12]薛雪嬌.基于ZigBee無線傳感網絡的智能家居環(huán)境監(jiān)控設計[D].沈陽：遼寧大學，2015.

[13]周麗榮.物聯(lián)網智能家居系統(tǒng)的設計[J].科技傳播，2013（12）：211-212.

[14]李敏，唐惠玲，張沙清，等.基于ZigBee與XBee的智能家居系統(tǒng)設計及其性能測試[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（9）：48-52.

[15]張江山，熊哲源.基于ZigBee的輕智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].科技創(chuàng)新導報，2017（11）：157-160.

[16]何靜如.基于樹莓派的多功能智能家居系統(tǒng)[J].物聯(lián)網技術，2018，8（2）：96-99.

[17]張偉，王宜懷.基于Raspberry Pi 3的智能家居系統(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2018（2）：43-46.

[18] VLADIMIR V，MIRJANA M. Raspberry Pi as a sensor web node for home automation[J].Computers and electrical engineering，2015，44（C）：153-171.