基于树莓派的智能家居系统设计与实现.docx

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1、基于树莓派的智能家居系统设计与实现基于树莓派的智能家居系统设计与实现 本文关键词：智能家居，设计，系统，树莓派基于树莓派的智能家居系统设计与实现 本文简介：随着物联网技术的不断发展，智能化、个性化的智能家居产品需求越来越大，但当前智能家居产品之间设备接口、通讯协议等多种多样，尚未形成统一标准，这些因素制约着智能家居产品的推广与普及。文章提出一种以开源硬件树莓派系统为中心，兼容多协议的智能科技网关设计，旨在解决当前异构网络中不同协议与不同接口的兼容问题。基于树莓派的智能家居系统设计与实现 本文内容：随着物联网技术的不断发展，智能化、个性化的智能家居产品需求越来越大，但当前智能家居产品之间设备接口

2、、通讯协议等多种多样，尚未形成统一标准，这些因素制约着智能家居产品的推广与普及。文章提出一种以开源硬件树莓派系统为中心，兼容多协议的智能科技网关设计，旨在解决当前异构网络中不同协议与不同接口的兼容问题。1 概述智能家居网关作为智能家居系统的中心控制设备，承担着智能家居中所有传感器信息的汇聚、分析与控制，应满足安全高效、智能化与个性化的需求。本文针对智能家居系统的用户需求，在物联网基础上提出一种以树莓派系统为中心网关，综合采用WIFI技术、Zigbee技术，并支持多协议、多网络混合的智能家居系统。系统设计采用模块化、智能化设计，具有稳定性、扩展性与操控性等特点，并可以通过APP终端实现对智能家居

3、系统的远程控制。2 系统整体结构设计本系统的设计主要由三大部分组成：(1)感应控制层主要由智能家居的各种传感器设备组成，收集家居中如温度、湿度与可燃气体等各种信息以及接收由网关传达的各种命令;(2)网络通信层主要是负责网络通信，包括智能网关、信息服务器、路由器与GPRS、WIFI网络、ZigBee网络、 Internet、红外网络等。网关作为智能家居系统的中心控制设备，承担着各层设备之间的信号传输与控制命令转发解析等任务，用户使用手机发送信号到信息服务器，信息服务器处理信息后再传送到网关，由网关控制各种传感器与家庭设备;(3)应用层包括电脑PC机、手机终端设备，如Android与IOS设备、遥

4、控器等红外手持设备等，手机端可通过因特网或GPRS网络与网关通信，以无线方式管理智能家居各节点的设备终端，支持多用户登录系统进行管理，实现节点设备遥控等功能，从而实时监测与控制家居环境。通过手机端的APP，连接局域网或GPRS网络，实现远程控制智能家居的各种设备。系统结构图如图1所示。2.1 感应控制层感应控制层由传感器终端与控制终端组成，传感器终端主要负责收集家庭环境的各种数据，包括室内温度、湿度、烟雾浓度等，控制终端的主要作用是对家庭设备如照明、电视机、空调、窗帘与其他电器的控制。传感器终端与控制终端并不是严格分离，如照明调节，需要由传感器终端收集房间的光线亮度参数，然后由控制终端进行控制

5、电灯的亮度。传感器终端都采用模块化的设计方案，在微处理器单元的基础上，添加传感器与WIFI模块或ZigBee模块，传感器终端通过WIFI或 ZigBee网络与智能网关连接。WIFI模块由于具有稳定性高、传输速度快、传输距离远等特点，因此被广泛应用在各类传输通信设备中。而ZigBee具有功耗极低、组网灵活、传输稳定等特点，因此可以应用在厨房等连接电源不方便的可燃气体检测设备里，在一个纽扣电池供电的情况下，可以工作624个月。传感器终端的微处理芯片主要由单片机与外围电路组成，是该终端的核心组件，负责执行处理由WIFI、ZigBee等通信模块传送过来的指令。电源模块与LED等模块主要由电源灯与呼吸灯

6、组成，当终端处于工作状态，会显示出不同的灯光组合，增加美感与识别功能。WIFI通信模块与ZigBee模块是一个通信模块，焊接在基础模块上，通过此通信模块，终端设备实现了可以无线连接家用路由器的，与智能网关通信的能力。通过此通信模块，终端设备接收来自智能网关的命令，执行并反馈结果。2.2 网络通信层由图1可见，网络通信层包括智能网关、路由器、网络服务器、WIFI网络和Internet等，其中，网关作为智能家居的核心设备，负责整个智能家居网络的管理与协调，处理不同的通信协议之间的转换，同时还要处理家庭多媒体娱乐的音视频解码等，除需保证其满足安全性、稳定性和可靠性外，还要考虑到其性能。综合考虑上述因

7、素，选择开源硬件树莓派作为网关设备，该硬件具有新一代Broadcom BCM2836 800MHz ARM Cortex-A7四核处理器，采用1GB的RAM存储器，带VideoCore IV双核GPU，最高支持HD 1080p视频输出，复合视频(PAL/NTSC)输出，立体声音频输出，提供10/100 BaseT RJ45以太网插座，HDMI 1.3和1.4视频/音频插座，3.5mm 4极音频/复合视频输出插孔插座，4个USB 2.0插座，15路MPI CSI-2连接器，用于Raspberry Pi高清摄像机(7757731)，15路显示串行接口连接器，MicroSD卡插座，从MicroSD卡

8、启动，运行Linux新操作系统版本，GPIO和串行总线的40引脚管座，通过MicroUSB插座，整块硬件具有集成度非常高、运行速度快、性能高、外设丰富、二次开发方便等优点。 智能网关的作用主要有以下三个方面：2.2.1 协议解析与转换。考虑到各种传感器的功耗等特点，本设计采用了多网络融合的模式进行组网，系统内包含WIFI与ZigBee网络。ZigBee协议与互联网中的TCP/IP协议并不兼容，要把基于Zigbee协议的网络接入到TCP/IP协议网络内，需要进行协议转换。通过树莓派系统的扩展板或通用接口(GPIO)外接ZigBee模块，在传感器终端多微芯片电路板上也焊接ZigBee模块，然后在树

9、莓派系统内分配网络ID号和网络地址，网络节点上电后，初始化内部资源，然后发送扫描信号请求连接，从而完成连接。借助z-stack协议栈，由ZigBee网络传送过来的ZigBee协议帧的解析就由 Linux系统完成，Linux系统解析完成后，将有效的数据存入指定内存空间中，供WIFI网络使用，这样就实现了多网融合。2.2.2 数据收集与存储。树莓派提供丰富的外设接口，其中包括USB接口HDMI高清视频接口。在树莓派系统上安装多媒体服务中心，将网关打造成一台可以播放高清影视的多媒体服务器，通过USB接口，可以读取到存储在移动硬盘上的视频文件。通过HDMI接口连接电视机，实现在电视上播放网络视频。此外

10、，智能家居系统发送的各种信息，都可以通过树莓派上的数据库保存下来。2.2.3 信息服务器承担起内网与外网联通的桥梁作用。其主要功能是负责沟通用户手机APP应用端与智能网关的通信。由于网关处于内网，用户在Internet上无法直接连接网关，因此，搭建一个MQ信息队列服务器连接内网与外网就成了很关键的一个步骤。从用户手机APP端发出的命令，通过MQ服务器，传到内网的智能网关，再由智能网关转发给各传感器终端，从而实现控制家居设备。2.3 应用层智能家居通过用户的手机APP进行控制家用设备，手机端APP应用包括Android版本与IOS版本，界面设计与功能基本一致。如图2所示为手机的应用界面图，用户输

11、入账号与密码信息后，进入到系统内可以浏览到智能家居的信息。3 结语本文分析了智能家居的结构、功能与组成，采用以网关为中心，结合多网融合的方式，设计实现了以树莓派系统为中心网关的智能家居系统，通过手机终端对智能家居的远程控制与集中控制。实际使用效果证明，该系统具有很高的稳定性、可靠性与扩展性，兼具成本低廉、操作简单等特点，具有一定的市场推广与参考。作者简介：何海燕(1974-)，女，广东雷州人，广东石油化工学院实验教学部讲师，硕士，研究方向：计算机基础教学。 本文来源：网络收集与整理，如有侵权，请联系作者删除，谢谢！第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页