基于樹莓派的全屋智能家居系統研究

吳承鑫，余澤涵，何 芳

（廣東工程職業技術學院，廣東 清遠 510520）

0 引言

隨著物聯網技術的不斷發展，其深入智能家居是必然趨勢，在技術的不斷迭代下物聯網技術會使得家居的安全性、便攜性及舒適性得到極大的提高[1-2]。智能家居系統的設計方案中將智能燈光、家電、安防、環境監測、數據報警等進行了整合[3-4]。本研究主要包括設備端、物聯網云平臺和手機終端三個部分。設備端通過樹莓派GPIO 接口，對智能家居設備進行數據采集，并將采集到的數據通過網絡上傳到阿里云物聯網平臺，最后在手機端的小程序[5,6]進行數據顯示和遠程控制。研究實現了環境數據的監測、家居的遠程控制、安防的預警與設置以及場景的一鍵開啟，并且在客戶端的首頁實現了天氣查看功能，方便用戶根據當前的天氣以及體感溫度選擇穿著，滿足了人們對全屋智能家居的基本需求。

1 系統總體模塊化設計

系統主要包括設備端、云平臺和手機終端三個部分。系統以樹莓派為主控芯片，以微信小程序為用戶交互終端，結合阿里云物聯網平臺，指令數據通過API 調用下發至設備端，實現全屋智能家居的遠程控制。智能家居系統的整體設計方案如圖1所示。

圖1 總體設計方案框圖

1.1 溫濕度模塊

通過DHT11 數字溫濕度傳感器[7,8]采集環境溫濕度，并將采集的數據由樹莓派發送到阿里云物聯網平臺。

1.2 火焰采集模塊

火焰采集模塊利用火焰傳感器監測家庭中的火災情況，使用特制的紅外線接收管來監測火焰，如出現火災，采集系統會觸發報警模塊，并實時推送到用戶客戶端，提醒用戶，避免用戶不在家的情況下出現重大損失。

1.3 電動門模塊

通過L298N 電機驅動模塊驅動直流減速電機的運轉，搭配齒輪組來達到自動開關門的效果，采集系統會實時采集設備的運行狀態，在客戶端上也能實現查看電動門的開關狀態，并進行遠程控制。

1.4 照明模塊

照明模塊使用5 V 窄燈帶模擬現實智能家居的燈光效果。通過8 路繼電器來達到控制不同房間燈光的效果，搭配光照度模塊與客戶端的閾值設置功能實現遠程控制家居燈光。

1.5 蜂鳴器報警模塊

使用有源蜂鳴器為警報器，主要是配合溫濕度模塊、火焰檢測模塊、光照模塊等功能使用，通過小程序安防頁面的閾值設置，當監測的某項數據超過閾值時，發出警報。

2 智能家居系統實現

2.1 硬件設計原理

系統硬件是以火焰采集、光照度采集和溫濕度采集為主的環境采集系統。使用八路繼電器控制燈帶的照明系統，并使用L298N 驅動模塊搭配齒輪組的電動門系統。具體原理如圖2所示。

圖2 硬件原理

2.2 客戶端設計

微信小程序客戶端UI 主要包括主頁、安全以及場景三個頁面，主頁包含天氣模塊、數據監測模塊、負載控制模塊。安全頁面主要包含預警及預警設置。場景頁面包含回家模式與離家模式。具體效果如圖3所示。

圖3 客戶端功能UI 設計

2.2.1 主頁功能介紹

主頁主要分為天氣模塊和設備監測、控制模塊。

天氣模塊主要由兩部分組成：天氣部分和時間部分。天氣模塊主要是通過定位獲取當前地區代碼，然后對和風天氣的API 接口進行請求，通過請求Web API 平臺獲取JSON 數據，并實時顯示在小程序主頁。日期與時間模塊通過獲取并解析當前時間戳獲得當前的日期與時間。

設備監測、控制模塊的核心是訂閱阿里云物聯網平臺[9,10]的主題，使用主題的數據流轉實現對數據的采集以及對命令的下發。在正常訪問服務器后，本文對服務器的數據進行接收，并同步到頁面中，使客戶端能夠實時監控當前環境的數據。測試數據如圖4所示。

圖4 室內外溫濕度數據對比

負載的控制還需要進行數據下發的函數編寫。不同的負載控制主要在于其發送的標識符不同，根據標識符的不同來判斷是開啟還是關閉。效果如圖5所示。

圖5 燈光控制實現效果

2.2.2 安全頁面功能介紹

安全頁面分為三個模塊：預警信息顯示、預警模式切換以及預警閾值設置。

（1）預警信息顯示：以溫度為例，根據編寫的閾值狀態函數，會返回一個標識數組，對應著各個狀態，如溫度過高即標識數組的第一位為1，反之則為0。通過標識位的對比來確認當前預警信息的狀態。

（2）預警模式切換：在安全頁面中，本文將模式劃分為手動模式與預警模式，根據按鈕的切換來決定模式。當模式為手動模式時，如遇到數據異常情況，則只會在預警信息顯示處顯示異常信息；而當模式設置為預警模式時，除了預警信息的顯示，設備還會開啟報警模塊進行報警。

（3）預警閾值設置：通過輸入控制的綁定，獲取到用戶輸入的閾值信息，并對其進行儲存，當用戶設置按鈕時，之前所存儲的數據會通過阿里云物聯網平臺發送到設備端，設備端會根據接收到的閾值進行設置，并同步到阿里云物聯網平臺。

2.2.3 場景頁面功能介紹

場景頁面主要是場景的一鍵開啟，當用戶單擊設置好的模式后，客戶端會根據之前設置好的方式，將命令一鍵下發到設備端。一鍵啟動是對一系列操作便捷使用的功能，如離家模式，點擊開啟離家模式后，系統會關閉一系列不需要的負載，并自動關好陽臺門等操作，使用戶快捷出門。場景功能效果如圖6所示。

圖6 場景一鍵啟動效果

3 結語

本系統以樹莓派為控制中心，通過阿里云物聯網平臺和微信小程序實現了智能家居設備的遠程控制方法。針對傳統環境監測系統功耗高、維護成本高、不能實時監測的弊端，通過微信小程序客戶端初始化樹莓派的控制，阿里云服務器存儲、上報、更新系統數據，并下發客戶端的控制命令給樹莓派。后續可加入視覺模塊以及門禁模塊等家居設備，增加系統的應用場景，提高系統的適用性。由本文系統運行數據來看，系統設計達到了預期的目標，解決了用戶難以集中式管理智能家居設備的問題，可以使用戶與家居設備更便捷地交互。