基于树莓派的智能家居系统开发设计

2018.061概述随着物联网技术的发展袁以及人们日常生活需求的变化袁智能家居系统逐渐成为研究的热点问题之一遥智能家居就是指通过物联网技术将家中的各种设备袁如空调控制尧安防系统尧网络家电尧照明系统等连接到一起袁提供环境监测尧手机远程控制尧家电控制尧防盗报警尧红外监控等多种功能和手段遥智能家居在发达国家已有广泛应用袁我国虽起步较晚袁但是市场规模庞大袁自2014年起袁已经进入了快速发展时期袁研究智能家居系统具有较高的实用价值遥基于树莓派开发设计了一套包括智能家居环境监测和智能家居安全监测两大功能的系统遥家居环境监测参数包括温湿度尧PM2.5尧甲醛袁并且能够实现远程实时查看监测数据的功能曰家居安全包括红外监测尧蜂鸣器报警尧高清摄像头监控以及远程查看摄像头画面等功能遥2系统架构智能家居系统采用高性能低成本的RaspberryPi3B作为智能家居中心控制器尧传感器进行家居环境的数据采集尧ONENET作为数据访问服务平台的智能家居设计方案袁通过传感器采集环境数据并实时上传至云端袁手机客户端或者电脑端可以实时查看家庭环境监测数据袁并通过继电器对家用设备进行远程控制袁同时红外告警及摄像头监测功能可以在遇到突发事件时袁帮助主人及时做出反应袁减少家庭财产损失袁提高家居安全性遥如图1所示遥3硬件开发平台搭建根据图1中的设计方案袁搭建了系统的硬件开发测试平台袁Python程序中树莓派的各引脚使用的是BCM编号方式袁各传感器和树莓派之间的引脚连线如图2所基金项目：2017年江苏省大学生创新实践课题渊课题编号院njcit201703冤遥作者简介：顾艳华渊1980-冤袁女袁讲师袁硕士袁研究方向院移动通信与物联网技术遥收稿日期：2018-03-22基于树莓派的智能家居系统开发设计顾艳华，陈昂，夏祥波，王帆，杨利勤，赵理敏（南京信息职业技术学院，南京210023）摘要院物联网时代的到来使得智能家居系统通过物联网技术将家中的各种设备连接在一起，提供从家居环境监测、防盗报警到家居设备控制的一系列服务。主要研究采用高性能、低成本的树莓派作为智能家居控制器，连接各种传感器完成数据采集，OneNET作为数据访问服务平台的智能家居系统，通过温湿度、甲醛、PM2.5、红外等传感器以及摄像头采集数据并实时上传至服务器，用户在手机端可以查看家居实时监测数据，并可通过继电器对家用设备进行远程控制，以此来实现一套完整的智能家居设计方案，具有较高的实用价值。关键词院树莓派；智能家居；传感器；视频监控图1基于树莓派的智能家居系统架构图图2各硬件连线关系图PM2.5尧甲醛传感器温湿度传感器红外传感器Usb摄像头CSI接口GPIO接口继电器蜂鸣器WIFI服务器端Internet网络无线路由器移动网络PC客户端WIFI手机客户端DHT11VCCdataGNDHC-SR501VCCOUTGND继电器CH1CH2CH3PMS5003S蜂鸣器+3V3GPIO2/SDA1GPIO3/SCL1GPIO4GNDGPIO17GPIO27GPIO22+3V3GPIO10/MOSIGPIO9/MISOGPIO11/SCLKGNDGPIO0/ID_SDGPIO5GPIO6GPIO13GPIO19/MISOGPIO26GND+5V+5VGNDTXD0/GPIO14RXD0/GPIO15GPIO18GNDGPIO23GPIO24GNDGPIO25CE0#/GPIO8CE1#/GPIO7ID_SC/GPIO1GNDGPIO12GNDCE2#/GPIO16MOSI/GPIO20SCLK/GPIO211602018.06管脚序号功能标号说明PIN1VCC电源正渊+5V冤PIN2GND电源负PIN3SET设置管脚/TTL电平@3.3V高电平或悬空为正常工作状态袁低电平为休眠状态PIN4RX串口接收管脚/TTL电平@3.3VPIN5TX串口接收管脚/TTL电平@3.3VPIN6RESET模块复位信号/TTL电平@3.3V袁低复位PIN7/PIN8NC示遥经过参数对比及广泛的资料查阅袁温湿度传感器选用DHT11曰PM2.5及甲醛传感器选用了PMS5003S曰红外传感器选用HC-SR50曰监控摄像头选用了索尼IMX219袁拥有800万像素可以实现高清监控曰蜂鸣器选择有源的低电平触发类型曰继电器选择微雪电子针对树莓派智能家居专用的RaspberryPi继电器扩展板遥攀藤PMS5003S是一款可以同时监测空气中颗粒物浓度和甲醛浓度的二合一传感器袁考虑到树莓派的引脚有限袁因此选择二合一的传感器完成室内PM2.5和甲醛值的测量遥颗粒物的浓度的测量基于激光散射原理袁可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数遥甲醛浓度的监测基于电化学原理袁具有高精度尧高稳定性的特点遥PMS5003S的引脚说明如表1所示遥在图2中可以看到PMS5003S与树莓派的连接方式袁一定要将树莓派的引脚PIN1连接树莓派GPIO物理端口2袁因为PMS5003S的风机需要5V的驱动曰PIN2连接树莓派GPIO物理端口6曰PIN5连接树莓派GPIO物理端口12遥DHT11与PMS5003S测得的数据会通过树莓派上传到网络服务器袁手机客户端或PC客户端能够随时访问服务器袁获取家居环境的监测数据袁若温度尧湿度或者室内空气质量超出正常范围袁手机端可以通过树莓派控制继电器上所连接的电器袁从而实现家中空调尧加湿器尧空气净化器等电器的开关遥HC-SRS01可以实时监测是否有人进入监测范围袁若有人非法进入袁树莓派连接的蜂鸣器会发出告警声袁同时会将有人闯入的信息上报到云服务器袁用户通过手机或电脑的客户端能够接收到家中有人闯入的消息袁可以通过远程查看家中的摄像头袁进而确定家中是否有人非法闯入遥4软件开发平台搭建软件开发平台的搭建按照以下步骤完成院渊1冤给树莓派安装操作系统树莓派的操作系统有很多版本可以选择袁这里选择的是官方Raspbian系统袁可以到树莓派的官网上进行下载遥渊2冤库函数安装在树莓派官方推荐的Raspbian系统中RPi.GPIO已经默认装好了遥可以输入下面指令更新RPi.GPIO遥sudoapt-getupdatesudoapt-getupgradesudoapt-getinstallpython-rpi.gpiopython3-rpi.gpio渊3冤树莓派连网设置树莓派3B自带有WiFi功能袁通过无线路由器可以直接连接上网遥通过ifconfig命令袁可以查看树莓派的IP地址遥渊4冤OneNET平台设置OneNET是中国移动的物联网开放平台袁在平台注册后获取APIkey尧设备ID等参数袁采用Python语言编写程序袁将DHT11及PMS5003S测试数据上传到OneNET平台袁在手机端或者PC端随时可以查看数据袁实时监测数据如图3尧图4所示遥表1PMS5003S引脚说明图3室内温湿度监测数据图4室内PM2.5尧甲醛监测数据2520151050温度04-2917:05:0404-2917:05:1104-2917:05:52462525605040302010004-2911:39:4504-2911:42:1204-2911:45:01温度255947PM2.5605040302010004-2912:37:1604-2912:38:0104-2912:39:180.040.030.020.010甲醛04-2912:37:1704-2912:38:0104-2912:39:191612018.06上传采集数据到OneNET平台的代码如下院url='自己申请的设备ID/datapoints'd=time.strftime('%Y-%m-%dT%H:%M:%S')Values={'datastreams':[{id:temperature,data鄄points:[{at:d,value:data}]}]}jdata=json.dumps(values)printjdatarequest=urllib2.Request(url,jdata)request.add_header('api-key',自己设备的APIkey)request.get_method=lambda:'POST'request=urllib2.urlopen(request)渊5冤摄像头启动若想远程查看摄像头的监控视频袁需要先在本地测试摄像头是否能够正常运行遥执行sudoraspi-config命令袁通过修改树莓派配置工具启用摄像头袁完成后重启树莓派遥输入命令sudoraspivid-omytest.h264-t10000如果可看到10秒中的监控视频袁证明摄像头启动成功遥实现远程查看监控功能需要配置mjpg-streamer袁配置步骤如下院渊1冤在命令行输入sudoapt-getinstallcmake袁实现在树莓派上安装C编译器cmake曰渊2冤执行sudoapt-getinstalllibjpeg8-dev在树莓派上安装libjpeg8-dev的jpeg编码库曰渊3冤修改mjpg-streamer的配置文件袁主要是修改input_raspicam.c文件袁根据自己的网络带宽调整监控图像的帧率以及分辨率曰渊4冤编译mjpg-streamer袁将当前路径移动到mjpgstreamer-experimen鄄tal袁使用makecleanall命令进行编译曰渊5冤制作脚本文件袁执行摄像头的监控命令袁将脚本文件设置为开机自动运行遥完成mjpg-streamer配置后重启树莓派袁通过浏览器访问http://树莓派的IP地址院8080即可查看实时监控情况遥如图5所示遥5结语以树莓派为核心开发实现了智能家居的温湿度尧PM2.5尧甲醛等环境参数远程监测以及红外和视频的远程监控功能袁通过OneNET平台实现数据的远程查看尧家电控制等功能袁满足了普通家庭对家居环境空气质量及家居安全监测的需求袁该系统监测数据准确率高袁可扩展性强袁使用便捷袁系统开发成本较低袁开发成产品后面向的用户群体较为广泛遥由于树莓派具有较强的处理能力袁因此该系统平台可扩展性强袁后期可以实现更多的如烟雾报警尧智能门锁尧远程宠物喂养尧远程养花等智能家居监测及控制功能遥参考文献[1]霍兰.RaspberryPi树莓派实作应用[M].人民邮电出版社,2014.[2]王江伟.玩转树莓派RaspberryPi[M].北京航空航天大学出版社,2013.[3]郭亮,叶爱民,林涛,范瑞祥.基于树莓派和Java语言的温湿度远程实时测量系统的设计[J].计算机测量与控制,2017.[4]顾艳华,王闯.基于树莓派的高清视频播放器的设计与实现[J].科技视界,2015.[5]桂龙,戴小鹏,申聪.基于树莓派和OneNET云平台的智能家居系统的设计[J].福建电脑,2018.[6]马旭平,翁培钧,熊小军,孙伊凡.室内空间环境智能监测系统[J].北京信息科技大学学报(自然科学版),2018.[7]郑世珏,徐虹.基于RaspberryPi的远程监测系统的设计与实现[J].微型机与应用,2014,(19).图5远程实时监控视频截图162