基于樹莓派4B的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

任建新 REN Jian-xin；王一鳴 WANG Yi-ming；梁杰 LIANG Jie；孫琳 SUN Lin；閆肅 YAN Su

（內蒙古工業(yè)大學信息工程學院，呼和浩特 010080）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，物聯(lián)網開始蓬勃發(fā)展，人們越來越看重生活的質量。智能化設備給我們生活提供了很多便利，生活中各式各樣的智能設備方便了我們日常的操作，傳統(tǒng)的住宅模式已經不能滿足生活的需求，居民已經趨向于選擇智能家宅，智能家居也因此不斷飛速發(fā)展。智能家居實現(xiàn)了用戶在公司，在出差時便可以通過網絡實時了解到家庭內的各種環(huán)境參數，以此為依據可操作家庭內相關設備，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。這樣可以做到更加安全，更加便利的居家方式。現(xiàn)在人們的生活節(jié)奏也因時代而逐步加快，大多數居民不再愿意選擇傳統(tǒng)住宅的居家方式，智能家居系統(tǒng)可以為居民帶去安全，環(huán)保，舒適和便捷的體驗，是未來家居發(fā)展的方向。本研究為基于樹莓派4B的智能家居系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)總體包括以下具體功能，簡單控制功能、繼電器控制功能、人體紅外探測功能、家庭溫濕度檢測功能、煙霧檢測功能、拍照攝像功能、數據庫存儲功能。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測試良好，符合預期設計目標，具有一定的實用價值。

1 智能家居系統(tǒng)總體方案設計

1.1 總體功能設計

1.1.1 系統(tǒng)總體功能設計

該設計系統(tǒng)主要包括控制和終端兩個部分。智能家居模塊，主要由溫濕度檢測模塊、煙霧檢測模塊、蜂鳴器報警模塊、LED燈光控制模塊、繼電器控制模塊、拍照攝像模塊及安防檢測模塊組成，用于滿足智能家居的日常需求。同時，為了便于用戶實現(xiàn)對采集到的數據進行分析和操作，系統(tǒng)需要加入數據存儲部分（DBMS），系統(tǒng)總體組成如圖1所示。

圖1 總體功能流程圖

1.1.2 系統(tǒng)實物圖連接

系統(tǒng)實物圖主要由樹莓派4B、液晶觸摸屏、PC機及一系列傳感器組成，樹莓派4B及傳感器完成數據采集，PC機提供遠程終端控制功能，樹莓派4B在樹莓派3B的基礎上得到了極大的改進，不僅支持更大的運行內存，CPU、GPU和輸入/輸出也顯著增強了。實物圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)連接實物圖

1.2 功能模塊功能設計

1.2.1 溫濕度模塊

通過溫濕度傳感器和繼電器配合實現(xiàn)對家庭空調和加濕器的控制，并在樹莓派控制頁面上顯示當前溫濕度以及繼電器的開關狀態(tài)，用戶可以根據獲得的室內溫濕度值，進行自主調節(jié)，選擇打開空調或者加濕器，同時調整前后的數據上傳到數據庫。

1.2.2 煙霧檢測模塊

這一模塊的實現(xiàn)主要利用煙霧檢測傳感器，該功能可以在發(fā)生火災或有煙霧出現(xiàn)的時候精準檢測到其位置，并且判定是真正的火災還是正常操作下的火種，同時提示用戶加以檢查，確保安全（打開窗戶、打開噴淋水閥）。如果有火災發(fā)生這時系統(tǒng)就會發(fā)出報警信息來通知用戶同時還會將相關的火災情況以及報警信息打印出來，方便消防員滅火時了解情況。同時在軟件頁面部分，可以隨時在界面上觀察火災探測器的工作狀態(tài)，便于用戶每個火災探測器進行管理。

1.2.3 蜂鳴器報警模塊

這一模塊主要是配合溫濕度模塊、煙霧檢測模塊、案防檢測模塊實現(xiàn)的，當檢測到室內溫濕度大于某一預設值，蜂鳴器進行報警；當火災發(fā)生，煙霧檢測模塊工作的同時，蜂鳴器進行報警；當有外人侵入，紅外對射傳感器工作的同時，蜂鳴器發(fā)出報警信號，警示入侵人員。

1.2.4 繼電器控制模塊

繼電器模塊的設計，主要是為了用戶根據實時情況完成對家中電器設備的操作，如打開風扇、打開窗戶、打開噴淋水閥等，繼電器控制功能主要由硬件部分實現(xiàn)，程序方面只是將接受到的指令轉換成控制引腳的高低電平。當收到打開電源指令，則將控制引腳置低電平，三極管導通從而繼電器接通。當收到關閉電源命令的時候，將控制引腳置高電平，三極管截止從而繼電器斷開通過上面的步驟來實現(xiàn)電源的打開和關閉操作。

1.3 數據存儲模塊設計

1.3.1 溫濕度數據采集表——DHT11Result

溫濕度實體具有日期（Date）、時間（Time）、溫度（Temperature）、濕度（Humidity）等屬性，其中時間（Time）做主鍵，不能為空，E-R圖見圖3。

圖3 溫濕度實體及屬性

1.3.2 紅外檢測存儲表——RpiResult

紅外檢測實體具有日期（Date）、時間（Time）、狀態(tài)（State）、地點（Place）等屬性，其中時間（Time）做主鍵，不能為空。E-R圖見圖4。

圖4 紅外檢測實體及屬性

1.3.3 煙霧檢測存儲表——Mq2Result

煙霧檢測實體具有日期（Date）、時間（Time）、狀態(tài)（State）、地點（Place）等屬性，其中時間（Time）做主鍵，不能為空。E-R圖見圖5。

圖5 煙霧檢測實體及屬性

2 智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 繼電器控制功能實現(xiàn)效果圖

系統(tǒng)設計過程中，繼電器對電器的功能主要通過模擬控制的方式實現(xiàn)，代替實物，按下控制按鍵，在當前UI界面顯示電器的工作狀態(tài)，比如單擊“打開風扇”按鍵，UI界面顯示出風扇轉動圖像，單擊“關閉風扇”按鍵，風扇停止轉動。同樣，打開窗戶功能，燒水功能也是采用模擬的方式實現(xiàn)，實現(xiàn)效果圖如圖6所示。

圖6 繼電器模擬實現(xiàn)電器控制

2.2 家居溫濕度采集功能效果圖

家庭溫濕度采集功能主要使用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器具有超小體積、極低功耗的特點，適用于對精度和實時性要求不高的溫濕度測量場合。在系統(tǒng)設計中，當溫濕度大于設定值，UI界面顯示溫濕度的同時，將以模擬電器工作的方式，模擬打開風扇和打開窗戶。當溫濕度數據沒有大于預設定的數值，UI界面進行顯示即可，效果圖如圖7所示。

圖7 采集溫濕度效果圖

2.3 煙霧檢測功能效果圖

煙霧檢測功能，主要采用MQ2煙霧傳感器實現(xiàn)，當檢測到煙霧產生，UI界面顯示著火信息，包括“警告Smoke、地點、時間”等信息，同時UI界面模擬電器工作，如風扇旋轉、窗戶打開，同時將信息保存在數據庫“Mq2Result”表中，效果圖如圖8所示。

圖8 檢測到煙霧產生效果圖

2.4 拍照攝像功能效果圖

拍照攝像功能主要用來配合其他功能實現(xiàn)，比如檢測到入侵、檢測到煙霧，拍照攝像功能將打開，以供人員進行查看，拍照攝像功能主要提供了圖像查看、圖像捕獲、圖像保存、圖像預覽功能，人員可以時刻查看實時家庭情況，效果圖如圖9所示。

圖9 捕獲的圖像預覽保存

3 總結

本系統(tǒng)是基于嵌入式技術設計的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實現(xiàn)可以滿足日常家居需求，使家居更加舒適、智能、安全。系統(tǒng)主要包括UI控制界面和模塊功能兩部分，主要實現(xiàn)了以下的功能，簡單的控制功能，包括打開、關閉蜂鳴器和全彩LED；繼電器控制功能，用于控制家庭部分電器的工作；人體紅外探測功能，用于檢測是否有人入侵；家庭溫濕度檢測功能；煙霧檢測功能，用于檢測是否發(fā)生火災；家庭拍照攝像功能，用于用戶實時查看家庭情況；數據存儲功能。該系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能并不是簡單的單一功能，而是多個模塊功能協(xié)同配合，滿足用戶的實際需求，如煙霧檢測功能同時會配合報警功能、繼電器控制功能和數據存儲功能同時工作，既可以方便用戶解決問題，也可以便于用戶查看信息，該系統(tǒng)可以滿足用戶日常需求。