基于樹莓派的智能家居系統設計

晏閩如 周萍 王凱

摘 要：為滿足人們對智能家居產品需求，基于樹莓派設計了智能家居控制系統。綜合使用WiFi、ZigBee技術，以樹莓派作為系統核心，組建維護網絡并整合數據，提供Web服務供用戶訪問，實現室內環境監測、安防監測、家居控制等智能方案，用戶可通過終端進行查詢與控制。整個系統比傳統的單一系統具有多通訊協議功能，同時成本低廉、集成度高，可滿足物聯網時代家居環境智能化、個性化要求。

關鍵詞：樹莓派;WiFi;ZigBee;網關;物聯網;智能家居

DOI：10. 11907/rjdk. 192187 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）007-0094-05

Design and Research of Smart Home System Based on Raspberry Pi

YAN Min-ru1， ZHOU Ping2， WANG Kai2

（1.School of Optpelectronic information and computer engineering， University of Shanghai for Science and Technology;

2.Shanghai Publishing and Printing College， Shanghai 200093， China）

Abstract： With the advancement of society and the development of science and technology， people's demand for convenient and efficient living is growing stronger. In order to meet the increasing demand for smart home products， the smart home control system based on the Raspberry Pi is desinged. The system has integrated use of WiFi and ZigBee technology， with the Raspberry Pi as the core of the system， builds and maintains network， integrates data to provide Web services for users to access. Finally， intelligent environmental solutions such as indoor environmental monitoring， security monitoring and home control are realized， and users can query and control through the terminal. Compared with traditional single system，the whole system has support multi-network， multi-communication protocol function，which has low cost and high integration， and can meet the intelligent and personalized requirements of home environment in the era of Internet of things.

Key Words： Raspberry Pi; WiFi; Zigbee; gateway; Internet of Things; smart home

0 引言

通過傳感技術、射頻識別、無線通信技術等，把小巧智能的傳感器加載到各種待檢測裝置中并聯合控制端，形成可智能控制的物件，再經過有線或無線連接形成物與物（T2T）、物與人（T2H）、人與人（H2H）之間的互通網絡，這就是傳統意義的物聯網[1]。目前，該網絡結合互聯網實現真正的物聯網，成為打開工業甚至是全行業信息化局面的突破口。未來，物聯網將與許多智能設備相結合，以達到頂級物聯網。

ZigBee技術[2]是一種具有自組網和自恢復功能的無線網絡技術，與WiFi技術[3]一樣是短距離無線傳輸技術，使用2.4Ghz頻段，標準規范、速度快、可靠性高、不受布線限制、可擴展可移動，是智能家居常用的技術。但ZigBee傳輸速率不高，可在取電不方便的環境中優先使用。WiFi傳輸速率大，但功耗也大，廣泛應用于對傳輸速率有要求或是取電方便的家庭設備中。

隨著物聯網技術的發展，人們對工作及生活方式的需求和理念更加趨向于智能和便捷。牛奕翔[2]和牛國鋒等[4]提出基于ZigBee由網關通過以太網、WiFi或GPRS等傳輸數據的系統解決方案，實現了單一組網情況下的智能系統，但是忽略了市場上智能家居產品多品牌之間兼容拓展性不強、人機互動附件過多等問題;文獻[5]簡單闡述了多網絡融合方式的網關設計可行性;文獻[6]分析了當前智能家居種常用的幾種傳輸協議，結合硬件開發多模傳輸協議網關;文獻[7]提出了多模傳輸協議轉以太網協議，再傳輸至遠程服務器的系統方案，具有很強的參考價值。但是上述幾種系統均存在依靠外部服務器，性價比不高的問題。

本文結合人機交互關系更系統，更兼容、更智能、可拓展需求，提出一種基于樹莓派的智能家居系統總體設計方案。該方案以樹莓派為中心網關配置路由功能替代家庭無線寬帶路由器，提供Web服務器功能，即在消息解析、協議轉換后直接傳輸至該服務端軟件顯示，不用另加服務器，大大減少了設計成本，比單一系統更具多網絡、多通訊協議功能，最大程度滿足現實生活中的高應用需求。

本文對系統在物聯網的3層面進行分析，硬件設計部分詳細說明系統各個硬件設備選型、節點設計;軟件部分包括樹莓派軟件搭載、網關、節點消息傳輸、組網的軟件實現。

1 系統總體設計

本系統支持WiFi網絡和ZigBee網絡傳輸協議，且以樹莓派為中心網關，替代家庭無線寬帶路由器，同時配置樹莓派為可外網訪問的Web服務器，在此基礎上實現對室內環境、安防的實時監測，也可對家用電器及設備進行實時控制。

該系統由感知控制層、網絡通信層、應用層3部分組成，系統結構如圖1所示。

（1）感應控制層主要由室內各種終端節點組成，包括各類傳感器。各節點收集數據通過WiFi或ZigBee網絡傳送至網關，并接收由網關傳達的各種命令。連接執行機構的終端節點可以根據網關接受的命令進行相應操作，包括窗簾開關、電器開關定時等。

（2）網絡通信層解決感應控制層獲取的數據傳輸問題，一般通過無線網絡進行通信，如WiFi網絡、ZigBee網絡。

（3）應用層對數據進行智能化管理與控制，解決人機界面問題。手機等終端通過連接Web服務端，遠距離管理系統內受控節點。當脫離家庭內網時，通過外部網絡，由APP或者網頁登錄控制，從而對智能家居系統進行實時監測與控制。

操作流程如下：在室內監測控制點裝載傳感器節點、監測和控制裝置，匹配相應的ZigBee節點和協調器，組成ZigBee網絡，聯合無線WiFi網絡形成多網絡內網[4]。運行過程中，各終端節點采集的數據控制信號經ZigBee網絡或WiFi網絡發送至網關，網關按照無線傳輸協議對數據進行解析與處理，轉換成互聯網協議識別的數據格式，提供給Web服務端軟件以供訪問。手機客戶端或PC端可直接通過該設備連接至Internet，也可通過連接WiFi獲取數據，隨時通過遠程登錄服務端監控室內狀態。為降低設計成本，所設計的樹莓派網關都具有路由功能，可作家庭無線寬帶路由器。

2 系統硬件設計

2.1 網關設計

智能家居系統中心控制設備就是網關[8]，網關控制整個網絡數據，起到內外網絡間信號連接并控制命令的轉發與解析作用。對內將家居設備通過ZigBee網絡、WiFi網絡連成整體，對外連接Internet。由于網關是整個系統的核心，必須可靠、穩定，因此本設計以開源硬件樹莓派為主體設備[9-10][7]。樹莓派基于Linux操作系統，硬件集成度非常高、運行速度快，內含豐富的外設接口，便于進行功能擴展，支持Python、C、Java等語言，且內置了WiFi模塊實現無線熱點功能，降低設計成本。

ZigBee協調器是節點中還未與其它網絡連接的全功能設備節點，本系統采用CC2530芯片通過串口與樹莓派連接。網關的硬件設計如圖2所示。

2.2 終端節點設計

針對不同場合終端節點設計具體應用功能，環境檢測終端節點主要對室內環境各項數據進行檢測，包括室內溫度、濕度、光照強度等;安防監測包括人體紅外檢測、門窗監測等，一旦出現安防情況就啟動報警裝置;家居控制包括燈光、電器、窗簾、家電的開關控制和定時功能;傳感器模塊是智能家居系統的底層，歸屬于感知層，要求低功耗、體積小，因此選用集成度高、網絡容量大、功耗低的芯片。

（1）ZigBee終端節點。ZigBee技術具有公開統一標準，符合ZigBee聯盟規范的ZigBee終端節點在進行相關參數設定后均可加入該網絡。本文設計的ZigBee終端節點采用TI公司的CC2530芯片[4]。CC2530 是用來實現 ZigBee 應用的片上系統，整合ZigBee射頻前端、內存模塊以及微控制器，具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，休眠模式耗能低，切換主動模式速度快，能夠有效應用于室內乃至小區范圍的網絡互連。ZigBee終端節點硬件框圖如圖3所示。

（2）WiFi終端節點。 不少基于WiFi的智能家居終端設備已經投入生產使用，如智能插座、攝像頭等。該類設備或通過家庭無線寬帶路由器訪問廠商提供的云服務平臺，也可通過云平臺對設備執行讀取和控制操作，或加入到家庭無線路由器組成的局域網供用戶訪問。因此，本系統方便第三方產品無線接入網關。

本文所設計的WiFi終端節點集采集傳輸于一體，主要由微控制器、傳感器、WiFi模塊組成。微控制器采用內置多種功能的STM32F103芯片。WiFi模塊采用低功耗的UART-WiFi透傳模塊ESP8266[11]，通過串口與微控制器通信。WiFi終端節點設計框架如圖4所示。

3 系統軟件設計

樹莓派（Raspberry Pi）運行Linux操作系統，軟件開源，開發便捷。系統軟件分為網關軟件和終端軟件，在功能上包含初始化模塊、ZigBee無線組網通信模塊、WiFi通信模塊、Web服務端軟件模塊、終端節點消息處理模塊等。

3.1 網關軟件設計

網關開始工作后，首先進行初始化操作，包括各個通信模塊、TCP/IP協議棧、ZigBee協議棧等。樹莓派完成路由器和Web服務端軟件搭建，并且存儲處理數據，保證基于TCP的WiFi傳輸線程和基于ZigBee協議的多模式傳輸進程正常運行。具體如下：

（1）協議解析與轉換。ZigBee協議與TCP/IP協議并不兼容，接入互聯網時需要進行協議轉換[5]。通過網絡ID號和網絡地址分配進行連接，網關的底層開發保證多線程資源共享、線程同步，實現多協議情況下的網絡融合。

（2）數據收集與存儲。傳感器節點和用戶終端產生的任何信號都可通過樹莓派上的數據庫進行存儲。

（3）Web服務端軟件。本系統選擇輕量級高性能的服務器框架，數據庫Nginx、Sqlite、PHP在樹莓派搭建Web服務器。終端節點消息發送至網關，解析消息含義，協議轉換后傳輸至該服務端軟件顯示。當用戶通過終端發出查詢或控制消息時，Web服務端解析用戶操作傳輸至網關，再將控制指令下發至終端節點。

（4）ZigBee網絡管理與維護[4]。網關中的協調器是ZigBee網絡核心，它完成組網、監聽和管理網絡中的各個節點、存儲和處理數據信息等功能，負責整個網絡的管理與維護。

（5）路由功能。樹莓派系統基于Linux，板載了無線網絡適配器和陶瓷天線，可通過開啟無線網絡適配器的AP功能、設置靜態IP、安裝Hostapd、配置DHCP服務并開啟IP路由轉發，實現樹莓派的無線路由功能，使數據高速率接入。網關程序流程如圖5所示。

3.2 ZigBee無線組網通信模塊

ZigBee無線組網流程如圖6所示。啟動協調器后初始化協議棧，按照預先寫入的協議規則發起特定頻段偵聽網絡信息，等待節點加入;當協調器收到信道請求就給申請節點分配地址，節點收到地址后回復信號給ZigBee協調器，當加入節點大于1則協調器組網成功[12-14]。

3.3 WiFi通信模塊

WiFi射頻模塊初始化，配置網絡參數操作[15]，傳感器節點入網形成網絡。為實現節能，入網節點在無數據傳輸情況下進入休眠模式;當控制器發送信號，WiFi模塊啟動進入通信狀態，連接家庭無線路由器，接入Internet，實現無線數據傳輸。

3.4 終端節點消息處理

（1）ZigBee節點消息處理。系統初始化后，ZigBee協調器存儲各節點信息。在網關檢測到接收的消息后存儲到緩沖區，解析編碼通過串口發送到對應的節點完成相應控制。當終端節點執行信息發送時，通過串口發送節點信息到協調器;當網關檢測消息后，經處理發送出去[13]。ZigBee節點消息處理流程如圖7所示。

（2）WiFi節點消息處理。節點信息通過串口發送至WiFi控制器，該控制器內置于樹莓派系統成為數據中心，通過WiFi模塊傳輸數據信息到服務端軟件。同樣，服務端軟件解析用戶操作傳送至控制器，根據通信協議進行數據處理，再將處理后的指令信息傳送至節點進行繼電器開關操作。WiFi節點消息處理流程如圖8所示。

4 系統實現與測試

4.1 終端軟件

終端用戶在室內短距離內通過WiFi、遠程通過Internet直接訪問樹莓派搭建的Web服務器端，獲取設計開發的用戶界面[16]，可視化監控家居狀態，并通過繼電器對家居設備進行遠程開關定時控制。作為用戶操作端，可設置登錄界面，只有登錄信息與預先注冊的信息匹配，才可默認終端的操作。終端界面還包括環境檢測、安防監測、家居控制、報警設置等模塊。為方便手機用戶使用，設計相應的UI軟件終端，以便于用戶進行智慧管理。UI界面如圖9所示。

4.2 系統測試

為了測試系統運行效果，對系統進行相關功能測試，測試結果如表1所示。測試結果表明該系統各個功能模塊均可正常運行，節點間數據傳輸未出現大的干擾。樹莓派搭建的服務器由于樹莓派本身性能和內存有一定限制，雖然功能存在不足但能完全滿足本系統應用。系統預期功能完成度較好，運行良好。

5 結語

本文介紹了通過樹莓派實現多功能智能家居系統的可行性，進行了硬件設計與軟件方案實現。網關結構采用高集成的樹莓派模塊，利用樹莓派搭建路由器替代家庭無線寬帶路由器實現路由功能，高性價比且支持WiFi網絡和ZigBee網絡傳輸協議，同時可通過WiFi、Internet直接訪問網頁進行遠近程全方位控制。該系統很好地滿足了人們對家居系統智能化、個性化需求，且功能完備、網絡擴展性強、成本低，具有較高的應用價值。未來在更多種智能終端加入的情況下可作為更大規模的家居系統基礎框架，為未來智能家居系統研究與發展提供了具有參考價值的方案。

參考文獻：

[1] 汪曙光，許令順，郭志，等. 基于無線傳感網的物聯網應用技術研究[J]. 電子世界，2017（20）：29-30.

[2] 牛奕翔. 基于ZigBee的物聯網智能家居系統設計[J]. 計算機技術與發展，2019 （11）： 1-6.

[3] 廖應生. 基于WiFi的花卉澆水遠程控制系統的設計[J]. 木工機床， 2018 （4）： 8-9， 13.

[4] 牛國鋒，張明新，鄭金龍. 基于ZigBee的物聯網智能家居設計[J].? 常熟理工學院學報，2018，32（5）： 51-55.

[5] 何海燕. 基于樹莓派的智能家居系統設計與實現[J]. 中國高新技術企業（中旬刊），2016（6）： 11-12.

[6] 楊榮，王明偉，張春梅. 基于多模傳輸協議的智能網關開發[J]. 實驗室研究與探索，2018，37（8）：126-129，148.

[7] 趙小虎，王寬，沈雪茹，等. 面向煤礦井下的多協議融合網關設計[J]. 工礦自動化， 2019，45（1）： 6-12.

[8] 方正，武一，陳勇維. 基于openHAB的嵌入式智能家居網關設計[J]. 河北工業大學學報，2018， 47（3）： 23-29.

[9] 何靜如. 基于樹莓派的多功能智能家居系統[J]. 物聯網技術， 2018，8（2）：96-99，102.

[10] 王潔松，韓樹河. 基于RaspberryPi和ZigBee的智能家居控制系統[J]. 物聯網技術，2019，9（6）：46-49.

[11] 羅俊，孫國耀. 基于WiFi無線傳感器網絡的工業環境監測平臺系統設計[J]. 儀表技術與傳感器，2018（8）：65-68.

[12] GAO X，ZHAO L. Research and design of smart home system based on Zigbee technology[C]. 2010 International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence，2010.

[13] 楊曉蓮，王凱. GPRS與ZigBee聯合控制的智能家居系統設計[J]. 電子科技，2017，30（1）：131-134，138.

[14] 季建華. 基于物聯網的智能家居遠程監控系統設計與實現[J].? 計算機應用與軟件，2015，32（11）：143-146.

[15] 常欣，王琦. 用STM32和ESP8266實現的可擴展物聯網系統[J].? 單片機與嵌入式系統應用，2018，18（12）：58-61.

[16] 譚海燕，崔如春，文翰，等. 基于物聯網技術的大型儀器設備智能監控管理系統設計與實現[J]. 軟件導刊，2017，16（2）：91-93.

（責任編輯：杜能鋼）