松原職業(yè)技術(shù)學(xué)院　張永安

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基于樹(shù)莓派的智能家居系統(tǒng)

松原職業(yè)技術(shù)學(xué)院張永安

隨著信息化、智能化的發(fā)展，智能家居這一概念逐漸成為了主流名詞。本文是以樹(shù)莓派為載體和中繼的智能家居系統(tǒng)作品設(shè)計(jì)。在作品中，我們圍繞樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板，運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)，基于Linux系統(tǒng)，運(yùn)用Python語(yǔ)言，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制燈的開(kāi)關(guān)、窗簾的升降和GPIO口的使用，收聽(tīng)豆瓣FM，以及報(bào)警系統(tǒng)等等。

樹(shù)莓派；智能家居；Linux；可控?zé)簦豢煽卮昂?；可控電源；可控FM；報(bào)警系統(tǒng)

前言

家居自動(dòng)化的目標(biāo)是讓居家生活更加充滿樂(lè)趣和效率，而智能家居技術(shù)正在通過(guò)引入“智能化”讓這一切變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。充分利用了樹(shù)莓派的開(kāi)源特性，選擇Linux作為底層系統(tǒng)。使用Python語(yǔ)言，充分利用了其便捷的語(yǔ)言特性。樹(shù)莓派是一個(gè)完美的中繼點(diǎn)，運(yùn)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)遠(yuǎn)程控制電燈，遙控窗簾，遙控開(kāi)關(guān)從而給電水壺供電燒水，播放音樂(lè)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的娛樂(lè)功能，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，體現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的安全性。

基于樹(shù)莓派的智能家居系統(tǒng)開(kāi)發(fā)充分利用底層系統(tǒng)的開(kāi)源性來(lái)完成每一個(gè)細(xì)微的任務(wù)，將每一個(gè)細(xì)微的功能交互成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到智能化的要求。

一、走進(jìn)樹(shù)莓派

樹(shù)莓派，是只有信用卡大小的卡片式電腦，基于Linux。開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選用樹(shù)莓派的B型版，一款基于ARM的微型電腦主板，包括了一個(gè)ARM1176JZF-s 700Mhz 的處理器，一塊Video Core IV GPU， 512M RAM，以SD卡為存儲(chǔ)系統(tǒng)，有兩個(gè)USB接口和一個(gè)網(wǎng)口，可連接電源、鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有HDMI視頻輸出接口，整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備PC的基本功能。 樹(shù)莓派外部接口豐富，處理器、存儲(chǔ)設(shè)備不夠強(qiáng)大，但其價(jià)格低廉，為我們提供了一個(gè)理想的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

二、智能家居系統(tǒng)

1.燈光模塊

（1）電腦命令行控制

將燈的正極接在樹(shù)莓派的Pin 22（GPIO 25）上，負(fù)極接Pin 6（GND），使用python語(yǔ)言控制GPIO 25電平的高低，進(jìn)而燈光的亮滅。

（2）開(kāi)關(guān)控制

開(kāi)關(guān)是對(duì)樹(shù)莓派輸入信號(hào)，因此要使用GPIO的輸入功能，即將燈的正極與樹(shù)莓派的GPIO 25相連，負(fù)極與地相連，同時(shí)，將開(kāi)關(guān)的一端與Pin 1（3.3V）相連，開(kāi)關(guān)的另一端與pin 18（GPIO 24）相連。在中斷方式下編寫python程序。使用時(shí)，運(yùn)行l(wèi)edstatus2.py，即可利用開(kāi)關(guān)控制燈的亮滅。按下開(kāi)關(guān)時(shí)，燈亮，再按一下開(kāi)關(guān)，燈滅。

（3）使用WEBIO控制

用瀏覽器打開(kāi)IP地址訪問(wèn)管理界面，若樹(shù)莓派的ip地址為192.168.137.13，則打開(kāi)http://192.168. 137.13:8000/webiopi/

（4）手機(jī)終端控制

通過(guò)手機(jī)終端軟件來(lái)控制燈的亮滅

2.窗簾模塊

本模塊采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制窗簾的升降。通過(guò)GPIO口控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及速度。

步進(jìn)電機(jī)采用的驅(qū)動(dòng)芯片是ULN2003A，因此可用ULN2003A設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板上有4個(gè)輸入口：IN1～I(xiàn)N4，這4個(gè)口用來(lái)接樹(shù)莓派的4個(gè)GPIO口，我們將樹(shù)莓派上的GPIO 17、18、21、22口分別接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的IN1、IN2、IN3、IN4口，利用Pin 2給步進(jìn)電機(jī)提供5V電源。依次把驅(qū)動(dòng)板的IN1～I(xiàn)N4置為高電平，就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，也就是說(shuō)，要把樹(shù)莓派的4個(gè)GPIO輸出口依次置為高電平。

通過(guò)終端發(fā)送運(yùn)行指令，來(lái)完成一次拉開(kāi)或關(guān)閉窗簾的動(dòng)作。

3.電水壺模塊

利用GPIO接口控制電水壺開(kāi)關(guān)的通斷。當(dāng)GPIO接口為高電平時(shí)，電水壺開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電水壺的電阻加熱，電水壺執(zhí)行燒水功能，利用DS18B20檢測(cè)溫度，當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí)，GPIO接口自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，電水壺開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，停止燒水，執(zhí)行保溫功能，并啟動(dòng)報(bào)警功能，提醒主人水已燒開(kāi)。當(dāng)GPIO接口為低電平時(shí)，則不執(zhí)行燒水功能。

4.音樂(lè)模塊

本模塊借助GitHub上的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目修改而來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)利用豆瓣FM播放音樂(lè)，操作簡(jiǎn)單，把樹(shù)莓派作為一個(gè)低功耗音樂(lè)電臺(tái)使用，為家庭生活增添歡樂(lè)氣息。

5.報(bào)警模塊

本模塊采用人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501，本模塊的核心器件是人體紅外熱釋電傳感器，將紅外熱釋電傳感器與蜂鳴器連成如下電路：

運(yùn)行python程序后，紅外感應(yīng)模塊每隔一定時(shí)間檢測(cè)，如有人靠近，蜂鳴器則發(fā)出報(bào)警聲，并在屏幕打印提示有人靠近，人若離開(kāi)，則停止鳴叫，屏幕上顯示沒(méi)有人靠近。

6.遠(yuǎn)程控制

鑒于現(xiàn)在市面上Android手機(jī)比較普遍，在手機(jī)端遠(yuǎn)程控制方面，我們選擇Android手機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)樹(shù)莓派 Command 和RPi_Automation手機(jī)端APP，可以輕松實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對(duì)樹(shù)莓派GPIO電平的控制，并且實(shí)現(xiàn)一鍵發(fā)送預(yù)先設(shè)置好的指令，以完成復(fù)雜任務(wù)。并且這些APP具有可編程性，可以根據(jù)自身需求來(lái)修改指令，從而滿足不同人的不同需求。

通過(guò)手機(jī)端，可以遠(yuǎn)程控制電燈的亮滅，控制窗簾拉開(kāi)或者關(guān)上，播放豆瓣FM，或者是控制熱水壺?zé)?，從而大大方便了使用者的生活，解放了雙腿，使生活更智能化。

三、軟件源

樹(shù)莓派搭載Debian系統(tǒng)形成的Raspbian系統(tǒng)，是官方推薦樹(shù)莓派的首選操作系統(tǒng)。Python語(yǔ)言具有完全免費(fèi)、面向?qū)ο?、?jiǎn)單易學(xué)、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件底層的訪問(wèn)和控制，是基于樹(shù)莓派控制硬件的不二選擇。

四、總結(jié)

本文充分展現(xiàn)了家居智能化的概念，總體來(lái)說(shuō)，我們成功搭建了一個(gè)智能家居模型和軟件平臺(tái)。在硬件方面，我們做到了以樹(shù)莓派為控制器，以電腦和手機(jī)等不同終端的控制方式，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈光、窗簾、電水壺的控制，并且實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)播放功能和報(bào)警功能，將智能家居的理念做到了實(shí)處。在軟件方面，我們以python語(yǔ)言為工具，以Linux系統(tǒng)和樹(shù)莓派為平臺(tái)，通過(guò)編寫python程序成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件的控制。實(shí)踐證明，我們的理論是正確的，可行的。

［1］陳建皓.樹(shù)莓派入門指南［M］.北京:人民郵電出版社，2014.

［2］Brendan Horan. 樹(shù)莓派樹(shù)莓派實(shí)作應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2014.

［3］李龍棋，方美發(fā)，唐曉騰.樹(shù)莓派平臺(tái)下的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［J］.閩江學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（05）.

［4］鄭世玨，徐虹.基于樹(shù)莓派的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2014（19）.

［5］Simon Monk.樹(shù)莓派 Python編程入門［M］.北京:科學(xué)出版社，2014.

［6］https://github.com/turingou/douban.fm.

［7］http://shumeipai.nxez.com/2015/02/09/run-python-scriptwhen-the-raspberry-pi-start.html.