基於樹莓派的智能家居系統設計與實現論文

隨着物聯網技術的不斷髮展，智能化、個性化的智能家居產品需求越來越大，但當前智能家居產品之間設備接口、通訊協議等多種多樣，尚未形成統一標準，這些因素制約着智能家居產品的推廣與普及。文章提出一種以開源硬件樹莓派系統爲中心，兼容多協議的智能科技網關設計，旨在解決當前異構網絡中不同協議與不同接口的兼容問題。

1 概述

智能家居網關作爲智能家居系統的中心控制設備，承擔着智能家居中所有傳感器信息的匯聚、分析與控制，應滿足安全高效、智能化與個性化的需求。本文針對智能家居系統的用戶需求，在物聯網基礎上提出一種以樹莓派系統爲中心網關，綜合採用WIFI技術、Zigbee技術，並支持多協議、多網絡混合的智能家居系統。系統設計採用模塊化、智能化設計，具有穩定性、擴展性與操控性等特點，並可以通過APP終端實現對智能家居系統的遠程控制。

2 系統整體結構設計

本系統的設計主要由三大部分組成：(1)感應控制層主要由智能家居的各種傳感器設備組成，收集家居中如溫度、溼度與可燃氣體等各種信息以及接收由網關傳達的各種命令;(2)網絡通信層主要是負責網絡通信，包括智能網關、信息服務器、路由器與GPRS、WIFI網絡、ZigBee網絡、 Internet、紅外網絡等。網關作爲智能家居系統的中心控制設備，承擔着各層設備之間的信號傳輸與控制命令轉發解析等任務，用戶使用手機發送信號到信息服務器，信息服務器處理信息後再傳送到網關，由網關控制各種傳感器與家庭設備;(3)應用層包括電腦PC機、手機終端設備，如Android與IOS設備、遙控器等紅外手持設備等，手機端可通過因特網或GPRS網絡與網關通信，以無線方式管理智能家居各節點的設備終端，支持多用戶登錄系統進行管理，實現節點設備遙控等功能，從而實時監測與控制家居環境。通過手機端的APP，連接局域網或GPRS網絡，實現遠程控制智能家居的各種設備。系統結構圖如圖1所示。

2.1 感應控制層

感應控制層由傳感器終端與控制終端組成，傳感器終端主要負責收集家庭環境的各種數據，包括室內溫度、溼度、煙霧濃度等，控制終端的主要作用是對家庭設備如照明、電視機、空調、窗簾與其他電器的控制。傳感器終端與控制終端並不是嚴格分離，如照明調節，需要由傳感器終端收集房間的光線亮度參數，然後由控制終端進行控制電燈的亮度。

傳感器終端都採用模塊化的設計方案，在微處理器單元的基礎上，添加傳感器與WIFI模塊或ZigBee模塊，傳感器終端通過WIFI或 ZigBee網絡與智能網關連接。WIFI模塊由於具有穩定性高、傳輸速度快、傳輸距離遠等特點，因此被廣泛應用在各類傳輸通信設備中。而ZigBee具有功耗極低、組網靈活、傳輸穩定等特點，因此可以應用在廚房等連接電源不方便的可燃氣體檢測設備裏，在一個鈕釦電池供電的'情況下，可以工作6～24個月。

傳感器終端的微處理芯片主要由單片機與外圍電路組成，是該終端的核心組件，負責執行處理由WIFI、ZigBee等通信模塊傳送過來的指令。電源模塊與LED等模塊主要由電源燈與呼吸燈組成，當終端處於工作狀態，會顯示出不同的燈光組合，增加美感與識別功能。WIFI通信模塊與ZigBee模塊是一個通信模塊，焊接在基礎模塊上，通過此通信模塊，終端設備實現了可以無線連接家用路由器的，與智能網關通信的能力。通過此通信模塊，終端設備接收來自智能網關的命令，執行並反饋結果。

2.2 網絡通信層

由圖1可見，網絡通信層包括智能網關、路由器、網絡服務器、WIFI網絡和Internet等，其中，網關作爲智能家居的核心設備，負責整個智能家居網絡的管理與協調，處理不同的通信協議之間的轉換，同時還要處理家庭多媒體娛樂的音視頻解碼等，除需保證其滿足安全性、穩定性和可靠性外，還要考慮到其性能。綜合考慮上述因素，選擇開源硬件樹莓派作爲網關設備，該硬件具有新一代Broadcom BCM2836 800MHz ARM Cortex-A7四核處理器，採用1GB的RAM存儲器，帶VideoCore IV雙核GPU，最高支持HD 1080p視頻輸出，複合視頻(PAL/NTSC)輸出，立體聲音頻輸出，提供10/100 BaseT RJ45以太網插座，HDMI 1.3和1.4視頻/音頻插座，3.5mm 4極音頻/複合視頻輸出插孔插座，4個USB 2.0插座，15路MPI CSI-2連接器，用於Raspberry Pi高清攝像機(775～7731)，15路顯示串行接口連接器，MicroSD卡插座，從MicroSD卡啓動，運行Linux新操作系統版本，GPIO和串行總線的40引腳管座，通過MicroUSB插座，整塊硬件具有集成度非常高、運行速度快、性能高、外設豐富、二次開發方便等優點。

智能網關的作用主要有以下三個方面：

2.2.1 協議解析與轉換。考慮到各種傳感器的功耗等特點，本設計採用了多網絡融合的模式進行組網，系統內包含WIFI與ZigBee網絡。ZigBee協議與互聯網中的TCP/IP協議並不兼容，要把基於Zigbee協議的網絡接入到TCP/IP協議網絡內，需要進行協議轉換。通過樹莓派系統的擴展板或通用接口(GPIO)外接ZigBee模塊，在傳感器終端多微芯片電路板上也焊接ZigBee模塊，然後在樹莓派系統內分配網絡ID號和網絡地址，網絡節點上電後，初始化內部資源，然後發送掃描信號請求連接，從而完成連接。藉助z-stack協議棧，由ZigBee網絡傳送過來的ZigBee協議幀的解析就由 Linux系統完成，Linux系統解析完成後，將有效的數據存入指定內存空間中，供WIFI網絡使用，這樣就實現了多網融合。

2.2.2 數據收集與存儲。樹莓派提供豐富的外設接口，其中包括USB接口HDMI高清視頻接口。在樹莓派系統上安裝多媒體服務中心，將網關打造成一臺可以播放高清影視的多媒體服務器，通過USB接口，可以讀取到存儲在移動硬盤上的視頻文件。通過HDMI接口連接電視機，實現在電視上播放網絡視頻。此外，智能家居系統發送的各種信息，都可以通過樹莓派上的數據庫保存下來。

2.2.3 信息服務器承擔起內網與外網聯通的橋樑作用。其主要功能是負責溝通用戶手機APP應用端與智能網關的通信。由於網關處於內網，用戶在Internet上無法直接連接網關，因此，搭建一個MQ信息隊列服務器連接內網與外網就成了很關鍵的一個步驟。從用戶手機APP端發出的命令，通過MQ服務器，傳到內網的智能網關，再由智能網關轉發給各傳感器終端，從而實現控制家居設備。

2.3 應用層

智能家居通過用戶的手機APP進行控制家用設備，手機端APP應用包括Android版本與IOS版本，界面設計與功能基本一致。如圖2所示爲手機的應用界面圖，用戶輸入賬號與密碼信息後，進入到系統內可以瀏覽到智能家居的信息。

3 結語

本文分析了智能家居的結構、功能與組成，採用以網關爲中心，結合多網融合的方式，設計實現了以樹莓派系統爲中心網關的智能家居系統，通過手機終端對智能家居的遠程控制與集中控制。實際使用效果證明，該系統具有很高的穩定性、可靠性與擴展性，兼具成本低廉、操作簡單等特點，具有一定的市場推廣與參考。