一種基于樹莓派的室內環境檢測系統設計與實現

摘 要：為了實現人們對環境智能化管理的需求，設計實現了基于RFID和樹莓派的物聯網室內多功能系統。利用RFID技術實現了永久性室內環境監測，利用樹莓派與傳感器實時監測室內溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數，對環境進行跟蹤管理與監控。該系統可實現智能化管理并降低人體在室內的患病風險，在節約能源的同時提升室內工作與學習效率。經驗證，該系統功耗低，可靠性高，具有一定的創新性和應用價值。

關鍵詞：智能管理；RFID；樹莓派；傳感器；物聯網；環境參數

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.010

0 引 言

隨著物聯網技術的快速發展，人們對環境智能管理的需求也日益增加。在室內，需要對環境參數進行監測，實施智能化管理。RFID技術具有快速識別、批量處理、可靠性高等優點，在物聯網行業得到了廣泛應用[1]。Raspberry Pi是一種廉價、開放、簡單且易于管理的系統，被廣泛應用于物聯網領域[2]。二者結合可以實現室內環境的智能管理，降低人類在室內患疾病的風險，節省能源，提高室內工作效率。

目前，許多技術人員正在探索RFID技術和Raspberry Pi平臺的使用。例如，汾西礦業利用無線標簽開發了煤炭運輸過程中的防盜系統，并建立了相關預防和控制系統，提高了煤炭運輸效率和安全性、完整性[3]。寶雞誠科測繪院開發了以“樹莓派+云開發”為核心的變形監測系統。將GPRS無線傳輸模塊與變形監測儀集成，以樹莓派作為處理單元，完成無線傳輸模塊變形監測數據的接收和顯示，并通過云端開發創建云端數據庫，收集并存儲來自監控節點的數據，實現遠程監測數據的返回[4]。然而在現階段研究中，RFID技術與Raspberry Pi平臺相結合的應用較少。文中主要介紹了基于RFID和Raspberry Pi的室內多功能物聯網系統。首先介紹了物聯網和RFID技術的基本原理和特性，并在此基礎上詳細討論了結合這兩種技術實現室內環境智能管理的方法。文中選擇Raspberry Pi平臺作為系統硬件平臺，通過編寫程序實現與RFID識別模塊的交互控制。最后通過實驗檢驗系統的可行性和可靠性，并對系統進行優化。

1 系統總體設計

文中提出的基于RFID和Raspberry Pi的多功能室內互聯網系統的總體結構由BCM2711 Raspberry Pi和RFID讀卡器模塊組成。系統包括RFID讀卡器模塊、溫濕度傳感器模塊、紅外傳感器模塊、空氣質量傳感器模塊、樹莓派主控板模塊，用于采集室內溫濕度、空氣質量和分貝數據等。圖1所示為物聯網系統的總體結構。

2 硬件設計

2.1 RFID系統

文中使用MFRC522 RFID讀卡器模塊來讀取信息。RFID系統主要由兩部分組成，一是RFID標簽，二是RFID讀寫器。RFID標簽存儲物品的相關數據信息，RFID讀寫器負責讀取RFID標簽上的信息。RFID電子標簽進入電磁場后，接收RFID讀寫器發送的射頻信號，無源RFID電子標簽利用室內產生的電磁場的能量來傳輸被測物體的信息。RFID讀寫器讀取數據信息后，將數據信息通過所連接的網絡傳輸至相應的信息系統。有源電子RFID標簽主動發射射頻信號，RFID讀寫器進行讀寫操作。RFID系統組成如圖2所示。

讀寫器模塊由天線、射頻收發器、控制器、處理器和接口組成。

天線（Antenna）用于接收和發射RFID信號，并利用RFID標簽進行無線通信。

射頻收發器（RF Transceiver）負責接收和發送RFID信號，并將其轉換為數字信號供處理器處理。射頻收發器支持LF（低頻）、HF（高頻）、UHF（超高頻）等射頻協議，以適應不同類型的RFID標簽。

控制器用于管理RFID讀寫器模塊的操作和功能。

處理器（Processor）用于執行讀卡器模塊的計算和邏輯操作，包括處理、存儲和傳輸RFID標簽數據且可對接收的RFID信號進行解碼和處理，并與其他設備或系統交換數據。

創建接口，與計算機、控制系統等外部設備通信，傳輸數據并與控制命令交互。

系統的RFID讀卡模塊可通過與RFID標簽的無線通信，實現對標簽上信息的非接觸式讀取。RFID讀寫器模塊電路如圖3所示。

2.2 紅外測量

將MLX90614紅外傳感器連接到樹莓派的GPIO引腳，然后進行軟件設置，在樹莓派上安裝所需的軟件庫，并編寫Python腳本使GPIO庫供紅外傳感器讀取和測量。紅外傳感器具有非接觸測量、測量精度高、溫度范圍廣

（-40～+125 ℃）、響應速度快等特點，能夠輔助實現非感知溫度監測、快速發現體溫異常、及早診斷潛在健康問題等功能，對個人和環境健康管理產生了積極作用[5]。紅外傳感器電路如圖4所示。

2.3 溫濕度測量

將DHT11溫濕度傳感器連接到相應的GPIO引腳，將Adafruit_DHT庫導入代碼中，設置傳感器類型和GPIO引腳編號，然后讀取溫濕度值。該傳感器具有精度高、響應速度快等特點。同時，該傳感器具有節約能源、提升室內空氣質量等優點。溫度傳感器模塊電路如圖5所示[6]。

2.4 空氣質量測量

室內空氣質量監測可以使用空氣質量傳感器來完成。將MQ-135空氣質量傳感器連接到樹莓派相應GPIO引腳，并使用杜邦線連接電源和地線。將所需Python庫—RPi.GPIO和time引入代碼中。設置GPIO引腳編號并初始化GPIO，讀取傳感器數據并計算AQI空氣質量指數。該傳感器可以檢測空氣中的多種氣體，例如一氧化碳和二氧化碳。該功能旨在幫助用戶預防健康問題、提高學習和工作效率、改善整體健康狀況[7]。空氣質量傳感器模塊電路如圖6所示。

2.5 分貝測量

將LM358聲音傳感器模塊連接到Raspberry Pi的GPIO端口。該模塊包括一個麥克風和一個LM358電壓比較器芯片，用于檢測環境中的聲音級別并將結果作為數字信號輸出到Raspberry Pi。當檢測到聲音時，輸出引腳發送高電平信號，否則為低電平。通過讀取引腳的狀態，可以確定是否檢測到音頻事件。傳感器模塊通常有一個可調靈敏度電位器，可用來改變傳感器的聲音檢測靈敏度，以適應不同環境的需要。其特點是非接觸式測量，即無需與聲源物體直接接觸，便可在較遠的距離檢測聲音。該傳感器還可以實時檢測環境中的聲音變化，以跟蹤和檢測聲音活動。同時，還可用于安全系統，例如檢測房間內突發或異常的聲音并觸發報警[8]。

聲音傳感器模塊電路如圖7所示。

3 軟件設計

文中通過編寫Python程序可讀取溫濕度傳感器和空氣質量傳感器數據[9]。

系統軟件設計由傳感器單元程序設計、控制單元程序設計（包含Raspberry Pi控制核心模塊）、WiFi模塊程序設計三部分組成。傳感器單元包含溫度、濕度和分貝值的采集，這些值均從室內環境中獲得，經過中央處理器處理后轉換成相應的參數值。控制單元包含預警和顯示兩部分。設置閾值，當參數超出此閾值時可觸發蜂鳴器報警。WiFi模塊將采集的數據通過MQTT協議發送至阿里云物聯網平臺并實時顯示。系統軟件總體設計流程如圖8所示。

4 結果分析

該系統包括Raspberry Pi、紅外傳感器等硬件設備，依托物聯網、嵌入式服務器終端和阿里服務器終端實現智能家居環境檢測[10]。作為Raspberry Pi系統的主控模塊，通過無線WiFi網絡搭建服務器，實現智能家居管理和檢測。文中在實驗室搭建了一個小型內部物聯網系統，以驗證系統的可行性和可靠性。

安裝樹莓派、溫濕度傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器和空氣質量傳感器等，系統上電如圖9所示。

將程序編譯到樹莓派中并啟動數據傳輸，將數據傳輸至阿里物聯網云平臺。系統測試包括硬件測試和軟件測試。打開系統后，可以通過按鈕設置煙霧和溫度閾值。系統以60 s

為一個周期，采集煙霧傳感器和溫度傳感器的數據，將煙霧數據和溫度數據顯示在大屏幕上[11]。圖10所示為系統運維大屏顯示圖。

5 結 語

文中討論了基于Raspberry Pi的室內環境檢測系統的設計，該系統使用各種傳感器收集室內環境的溫濕度、空氣質量、分貝數據。樹莓派將數據發送到本地服務器，操作簡單，管理方便。它可以監測室內環境，降低患病風險，節省資源，提高人們學習和工作的效率，具有一定的創新性和實用性。

注：本文通訊作者為王超梁。

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收稿日期：2023-07-24 修回日期：2023-08-31

作者簡介：路皓然，男，研究方向為物聯網技術、RFID。

賈雨涵，女，研究方向為物聯網定位、無線傳感網。

王超梁，男，講師，研究方向為嵌入式、人工智能、遙感圖像處理。