樹莓派家居控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本系統(tǒng)以樹莓派為核心，實現(xiàn)了語音交互、電器控制、智能安防、環(huán)境信息監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信等功能，并將多個物聯(lián)傳感節(jié)點組網(wǎng)，為家庭創(chuàng)造了一個安全舒適、便捷高效的居住環(huán)境。為便于用戶實時了解環(huán)境質(zhì)量情況，服務(wù)器可將所采集的環(huán)境參數(shù)繪制成數(shù)據(jù)曲線。在人與系統(tǒng)的交互上摒棄傳統(tǒng)的界面交互而使用了語音交互，通過語音識別技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能選定和切換。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);樹莓派;家居控制

現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展程度越來越高，人們對家居生活品質(zhì)的要求也越來越高，舒適化、安全化，人性化、智能化是新的一輪需求。現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)化的家居系統(tǒng)因此應(yīng)運而生，它可以幫助用戶輕松的管理家居電器和設(shè)備，使家居生活更安全、更便捷、更舒適，也滿足了環(huán)保節(jié)能的時代要求。

在經(jīng)歷了計算機、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展浪潮后，“物聯(lián)網(wǎng)”已經(jīng)被公認為世界信息產(chǎn)業(yè)的新浪潮，美國、歐盟、日本等發(fā)達國家都正投入大量人力與財力資源來研究和發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，近些年，我國也施行了“感知中國”發(fā)展戰(zhàn)略，全力推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，國家和地方各級相關(guān)部門也陸續(xù)出臺了多項扶持政策，為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開啟“綠色通道”。尤其在當(dāng)前疫情的持續(xù)影響下，全球經(jīng)濟遭受了嚴重沖擊與下滑，物聯(lián)網(wǎng)將成為全球經(jīng)濟復(fù)蘇的強大動因之一。

1 物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)組成

以第三代ARM微型電腦樹莓派為核心，實現(xiàn)語音交互、電器控制、環(huán)境信息監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信等功能，并將多個物聯(lián)傳感節(jié)點組網(wǎng)，為家庭創(chuàng)造了一個安全舒適、便捷高效的居住環(huán)境。

各個傳感器通過Wi-Fi模塊ESP8266與樹莓派通信，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與公網(wǎng)服務(wù)器間的通信采用了“輕量級”通訊協(xié)議CoAP進行通信。

系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示：

為便于用戶實時了解環(huán)境質(zhì)量情況，服務(wù)器可將所采集的環(huán)境參數(shù)繪制成數(shù)據(jù)曲線。在人與系統(tǒng)的交互上摒棄傳統(tǒng)的界面交互而使用了語音交互，通過語音識別技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能選定和切換。機器人則采用了Blue-Tooth進行通信，機器人通過手機端APP進行操控。

2 物聯(lián)網(wǎng)家居機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 語音識別

摒棄傳統(tǒng)的用戶可視界面方式而使用了語音交互方式，用戶只需通過語音即可與物聯(lián)網(wǎng)智能機器人交互。由于語音的識別與轉(zhuǎn)換涉及大量數(shù)據(jù)處理，這對于樹莓派來說負擔(dān)過于繁重，為了系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，將這些處理工作轉(zhuǎn)移到了性能更好的專用服務(wù)器上，而樹莓派只需完成上傳和下載語音數(shù)據(jù)文件。其中，語音識別模塊包括語音和文字轉(zhuǎn)換模塊、語義解釋模塊、DLAN模塊等。

2.2 電器控制

Wi-Fi模塊ESP8266是每個控制節(jié)點的核心，負責(zé)著家居電器的聯(lián)網(wǎng)。主節(jié)點ESP8266開啟AP模式，每個子節(jié)點啟動后會自動與主節(jié)點的ESP8266相應(yīng)端口建立TCP連接，從而加入網(wǎng)絡(luò)，這樣就使得每一個家居電器都實時可控，并降低控制器的功耗。

2.3 智能安防

以MQ-5可燃氣氣敏傳感器監(jiān)測家居空氣中是否出現(xiàn)可燃氣泄漏，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)達到閾值時，智能機器人會自動啟動報警功能提醒當(dāng)前家居環(huán)境空氣存在危險應(yīng)及時排查。

2.4 環(huán)境監(jiān)測

設(shè)定兩個環(huán)境監(jiān)控節(jié)點，一個用于采集家居環(huán)境的溫濕度，另一個用于檢測當(dāng)前人們關(guān)注度較高的PM2.5。濕度和溫度數(shù)據(jù)將通過CoAP協(xié)議上傳至專用服務(wù)器以生成實時溫濕度曲線圖，用戶則可以通過手機或電腦等終端設(shè)備進行比較直觀的查看。

2.5 機器人

物聯(lián)網(wǎng)家居智能機器人使用Blue-Tooth通信技術(shù)與手機連接，打開APP即可控制機器人動作，樹莓派通過自帶的Wi-Fi模組連接到公網(wǎng)與服務(wù)器進行通信。樹莓派同時又通過RS232與主節(jié)點的ESP8266通信，主節(jié)點的ESP8266用來處理樹莓派的指令調(diào)度和協(xié)調(diào)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)采集。溫濕度數(shù)據(jù)以JSON數(shù)據(jù)格式通過CoAP協(xié)議發(fā)布到指定主題，使用CoAP+JSON比傳統(tǒng)的基于文檔的HTTP協(xié)議更切合物聯(lián)網(wǎng)通信輕而快的需求。

3 結(jié)束語

文中所提出以樹莓派為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了較主流的軟、硬件技術(shù)，具備一定的參考價值。但基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠不只包含以上概述的幾種技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展日新月異，在創(chuàng)建一個復(fù)雜的、綜合性的工程時，需要從系統(tǒng)的各個角度考慮，如網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)及其他方面。物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)的設(shè)計必須具有前瞻性，把握當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展方向，才能夠確保所設(shè)計的結(jié)構(gòu)、采用的技術(shù)具有擴展性和更長的生命周期。

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資助：湖南文理學(xué)院校級課題（18ZD08物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計）

作者簡介：楊峰（1983-），男，湖南常德人，研究生，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。