基于树莓派的全屋智能家居系统研究

吴承鑫，余泽涵，何 芳

（广东工程职业技术学院，广东 清远 510520）

0 引言

随着物联网技术的不断发展，其深入智能家居是必然趋势，在技术的不断迭代下物联网技术会使得家居的安全性、便携性及舒适性得到极大的提高[1-2]。智能家居系统的设计方案中将智能灯光、家电、安防、环境监测、数据报警等进行了整合[3-4]。本研究主要包括设备端、物联网云平台和手机终端三个部分。设备端通过树莓派GPIO 接口，对智能家居设备进行数据采集，并将采集到的数据通过网络上传到阿里云物联网平台，最后在手机端的小程序[5,6]进行数据显示和远程控制。研究实现了环境数据的监测、家居的远程控制、安防的预警与设置以及场景的一键开启，并且在客户端的首页实现了天气查看功能，方便用户根据当前的天气以及体感温度选择穿着，满足了人们对全屋智能家居的基本需求。

1 系统总体模块化设计

系统主要包括设备端、云平台和手机终端三个部分。系统以树莓派为主控芯片，以微信小程序为用户交互终端，结合阿里云物联网平台，指令数据通过API 调用下发至设备端，实现全屋智能家居的远程控制。智能家居系统的整体设计方案如图1所示。

图1 总体设计方案框图

1.1 温湿度模块

通过DHT11 数字温湿度传感器[7,8]采集环境温湿度，并将采集的数据由树莓派发送到阿里云物联网平台。

1.2 火焰采集模块

火焰采集模块利用火焰传感器监测家庭中的火灾情况，使用特制的红外线接收管来监测火焰，如出现火灾，采集系统会触发报警模块，并实时推送到用户客户端，提醒用户，避免用户不在家的情况下出现重大损失。

1.3 电动门模块

通过L298N 电机驱动模块驱动直流减速电机的运转，搭配齿轮组来达到自动开关门的效果，采集系统会实时采集设备的运行状态，在客户端上也能实现查看电动门的开关状态，并进行远程控制。

1.4 照明模块

照明模块使用5 V 窄灯带模拟现实智能家居的灯光效果。通过8 路继电器来达到控制不同房间灯光的效果，搭配光照度模块与客户端的阈值设置功能实现远程控制家居灯光。

1.5 蜂鸣器报警模块

使用有源蜂鸣器为警报器，主要是配合温湿度模块、火焰检测模块、光照模块等功能使用，通过小程序安防页面的阈值设置，当监测的某项数据超过阈值时，发出警报。

2 智能家居系统实现

2.1 硬件设计原理

系统硬件是以火焰采集、光照度采集和温湿度采集为主的环境采集系统。使用八路继电器控制灯带的照明系统，并使用L298N 驱动模块搭配齿轮组的电动门系统。具体原理如图2所示。

图2 硬件原理

2.2 客户端设计

微信小程序客户端UI 主要包括主页、安全以及场景三个页面，主页包含天气模块、数据监测模块、负载控制模块。安全页面主要包含预警及预警设置。场景页面包含回家模式与离家模式。具体效果如图3所示。

图3 客户端功能UI 设计

2.2.1 主页功能介绍

主页主要分为天气模块和设备监测、控制模块。

天气模块主要由两部分组成：天气部分和时间部分。天气模块主要是通过定位获取当前地区代码，然后对和风天气的API 接口进行请求，通过请求Web API 平台获取JSON 数据，并实时显示在小程序主页。日期与时间模块通过获取并解析当前时间戳获得当前的日期与时间。

设备监测、控制模块的核心是订阅阿里云物联网平台[9,10]的主题，使用主题的数据流转实现对数据的采集以及对命令的下发。在正常访问服务器后，本文对服务器的数据进行接收，并同步到页面中，使客户端能够实时监控当前环境的数据。测试数据如图4所示。

图4 室内外温湿度数据对比

负载的控制还需要进行数据下发的函数编写。不同的负载控制主要在于其发送的标识符不同，根据标识符的不同来判断是开启还是关闭。效果如图5所示。

图5 灯光控制实现效果

2.2.2 安全页面功能介绍

安全页面分为三个模块：预警信息显示、预警模式切换以及预警阈值设置。

（1）预警信息显示：以温度为例，根据编写的阈值状态函数，会返回一个标识数组，对应着各个状态，如温度过高即标识数组的第一位为1，反之则为0。通过标识位的对比来确认当前预警信息的状态。

（2）预警模式切换：在安全页面中，本文将模式划分为手动模式与预警模式，根据按钮的切换来决定模式。当模式为手动模式时，如遇到数据异常情况，则只会在预警信息显示处显示异常信息；而当模式设置为预警模式时，除了预警信息的显示，设备还会开启报警模块进行报警。

（3）预警阈值设置：通过输入控制的绑定，获取到用户输入的阈值信息，并对其进行储存，当用户设置按钮时，之前所存储的数据会通过阿里云物联网平台发送到设备端，设备端会根据接收到的阈值进行设置，并同步到阿里云物联网平台。

2.2.3 场景页面功能介绍

场景页面主要是场景的一键开启，当用户单击设置好的模式后，客户端会根据之前设置好的方式，将命令一键下发到设备端。一键启动是对一系列操作便捷使用的功能，如离家模式，点击开启离家模式后，系统会关闭一系列不需要的负载，并自动关好阳台门等操作，使用户快捷出门。场景功能效果如图6所示。

图6 场景一键启动效果

3 结语

本系统以树莓派为控制中心，通过阿里云物联网平台和微信小程序实现了智能家居设备的远程控制方法。针对传统环境监测系统功耗高、维护成本高、不能实时监测的弊端，通过微信小程序客户端初始化树莓派的控制，阿里云服务器存储、上报、更新系统数据，并下发客户端的控制命令给树莓派。后续可加入视觉模块以及门禁模块等家居设备，增加系统的应用场景，提高系统的适用性。由本文系统运行数据来看，系统设计达到了预期的目标，解决了用户难以集中式管理智能家居设备的问题，可以使用户与家居设备更便捷地交互。