劉長(zhǎng)俊，朱培根

(解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

基于樹(shù)莓派的負(fù)載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉長(zhǎng)俊，朱培根

(解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

樹(shù)莓派具有眾多潛在價(jià)值，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)?；跇?shù)莓派設(shè)計(jì)了一種能為Android設(shè)備提供訪問(wèn)接口的負(fù)載控制系統(tǒng)。利用安裝了Raspberry Control應(yīng)用的設(shè)備監(jiān)測(cè)負(fù)載的工作狀態(tài)，同時(shí)可通過(guò)相應(yīng)的操作改變樹(shù)莓派引腳的狀態(tài)，達(dá)到驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)連接負(fù)載的控制。該系統(tǒng)通過(guò)編程可以精確統(tǒng)計(jì)連接負(fù)載能耗，并且用戶可以通過(guò)云端服務(wù)器隨時(shí)隨地地獲取負(fù)載能耗數(shù)據(jù)。

樹(shù)莓派；控制系統(tǒng)；負(fù)載；智能家居

0 引言

智能家居系統(tǒng)這個(gè)概念的提出，吸引了大批研究人員投身于其控制系統(tǒng)的研發(fā)，因?yàn)檫@涉及人們生活方式和消費(fèi)方式的改變。在前人的研究成果中不難發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)人們走向智能化和自動(dòng)化的生活的原因是全球老年人口的增長(zhǎng)[1]。近些年來(lái)，伴隨著新技術(shù)的發(fā)展，特別是目前主流的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，智能家居控制系統(tǒng)得到了極大的普及，并且以親民的價(jià)格進(jìn)入銷售市場(chǎng)。智能家居控制系統(tǒng)可以為人們提供更便利的生活、更高的節(jié)能效率以及更好的安全保障[2]。智能家居對(duì)于那些需要照顧的老人和殘疾人來(lái)說(shuō)是福音，同時(shí)還可以協(xié)助護(hù)理人員更好地工作。智能家居早期只是科學(xué)幻想，但隨著半導(dǎo)體行業(yè)日益發(fā)展，這樣的情景已從虛擬變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。當(dāng)前基于藍(lán)牙、GSM、Java和SMS的智能家居已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，例如Google、三星、飛利浦和小米都有銷售智能家居方面的產(chǎn)品，但這些家居的控制系統(tǒng)集成了大量的部件，造成較高的制造成本和較差的性能體驗(yàn)，而設(shè)計(jì)智能家居控制系統(tǒng)的基本原則是提高靈動(dòng)性、增加擴(kuò)展性和擴(kuò)大設(shè)備控制范圍。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，Android設(shè)備的應(yīng)用變得非常廣泛和流行，已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的重要工具。本文提出一種負(fù)載控制系統(tǒng)，用戶可在任何地點(diǎn)將Android設(shè)備作為遙控設(shè)備，經(jīng)Web服務(wù)器對(duì)負(fù)載的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，而不再需要在設(shè)備的中央控制面板前進(jìn)行操作。用戶還可以使用自己的服務(wù)器將能耗數(shù)據(jù)上傳到云端，通過(guò)Android設(shè)備隨時(shí)隨地查看云端數(shù)據(jù)，即時(shí)檢查負(fù)載的工作狀態(tài)，同時(shí)云端可以確保負(fù)載控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易理解和實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 負(fù)載控制系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)的主要目的是改進(jìn)該領(lǐng)域已有方法存在的不足。該負(fù)載控制系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是：采用模塊化的安裝，增加系統(tǒng)的易用性，且?guī)в凶詣?dòng)生成能耗報(bào)告的功能，節(jié)省人力和物質(zhì)資源；系統(tǒng)非常靈活，通過(guò)連續(xù)監(jiān)控負(fù)載狀態(tài)可以有效地提高負(fù)載的壽命。因此該系統(tǒng)具有安全和節(jié)能的特點(diǎn)；系統(tǒng)采用易于控制和管理負(fù)載的協(xié)議，并且在通信方面具有安全性、高效性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1樹(shù)莓派

樹(shù)莓派由Raspberry Pi基金會(huì)開(kāi)發(fā)，它的初衷是以廉價(jià)的硬件價(jià)格，提供給學(xué)校和有興趣學(xué)習(xí)編程的人使用[3]。樹(shù)莓派的外形只有信用卡大小，它可以外接USB、網(wǎng)線、HDMI、音頻設(shè)備等，具備一臺(tái)普通PC的所有基本功能，只是CPU和內(nèi)存稍微小一點(diǎn)而已。如圖2所示是Raspberry Pi電腦板，中文名為樹(shù)莓派。

圖2 樹(shù)莓派

樹(shù)莓派基于ARM架構(gòu)，到目前為止樹(shù)莓派社區(qū)中發(fā)布的操作系統(tǒng)版本已經(jīng)達(dá)到十幾種，包括Fedora、Ubuntu、Windows和官方推薦的Raspbian等。樹(shù)莓派最大的優(yōu)勢(shì)是軟件，其軟件包的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)35萬(wàn)，并形成了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。樹(shù)莓派還支持Python、Java和C語(yǔ)言，這都為后續(xù)的物聯(lián)網(wǎng)軟件開(kāi)發(fā)提供了便利[4]。目前最新的樹(shù)莓派型號(hào)是3代B型，其主要配置見(jiàn)表1。

樹(shù)莓派提供大量的GPIO針腳和SPI總線用于連接各式傳感器和電機(jī)等并對(duì)其進(jìn)行編程，目前已有很多商家推出了擴(kuò)展板為其提供更加豐富的功能，所以完全能夠勝任物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺(tái)這一任務(wù)。

2.2安裝組件

在樹(shù)莓派上進(jìn)行任何工作之前都要安裝必要的組件。將樹(shù)莓派連接到互聯(lián)網(wǎng)后，通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)的軟件安裝命令，樹(shù)莓派就可以像Linux一樣直接從互聯(lián)網(wǎng)下載并安裝相應(yīng)的軟件；通過(guò)更新和升級(jí)命令，樹(shù)莓派可以檢查并更新系統(tǒng)中所有過(guò)期的軟件。樹(shù)莓派的默認(rèn)編程語(yǔ)言是Python，

表1 樹(shù)莓派3代B型配置

因此必須安裝如python、python-dev和python-pip等一些重要Python軟件包，因?yàn)檫@些組件可以為Python編輯器的正常工作提供一個(gè)完全的編程環(huán)境。

樹(shù)莓派的操作引腳GPIO(General Purpose Input Output)的功能是便于用戶在樹(shù)莓派發(fā)送和接收信號(hào)，可以通過(guò)安裝RPi.GPIO軟件包來(lái)使用[5]。除此之外，還要在樹(shù)莓派中安裝如matplotlib、numpy、scipy、pandas和qt4等具有繪制圖形功能的軟件包。

Apache是一個(gè)應(yīng)用廣泛的Web服務(wù)器，用于運(yùn)行Web應(yīng)用程序[6]。Apache連同它需要的腳本語(yǔ)言(PHP)可以通過(guò)以下命令來(lái)安裝：

sudo aptitude install apache2 php5

SSHFS(SSH文件系統(tǒng))是基于客戶端的文件系統(tǒng)。SSH能夠替代傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，可以在不需要遠(yuǎn)程端安裝任何特殊軟件的情況下為SFTP擴(kuò)展提供基礎(chǔ)支持，安裝命令如下：

sudo apt-get install sshfs

2.3云端服務(wù)器

Yeelink能夠同時(shí)完成海量的傳感器數(shù)據(jù)接入和存儲(chǔ)任務(wù)，確保數(shù)據(jù)能夠安全地保存在互聯(lián)網(wǎng)上，先進(jìn)的鑒權(quán)系統(tǒng)和安全機(jī)制能夠確保數(shù)據(jù)只在允許的范圍內(nèi)共享。用戶可以通過(guò)使用Yeelink客戶端或直接訪問(wèn)Yeelink主頁(yè)兩種方式訪問(wèn)存儲(chǔ)在云端的數(shù)據(jù)。Yeelink的一般使用步驟是：(1)在Yeelink主頁(yè)注冊(cè)，按照Yeelink主頁(yè)提供的流程點(diǎn)擊添加設(shè)備，輸入設(shè)備信息，并在地圖中選擇設(shè)備所在地；(2)進(jìn)入到設(shè)備管理界面，設(shè)置設(shè)備圖片后，可以添加數(shù)值型傳感器和開(kāi)關(guān)型傳感器，并設(shè)置傳感器信息；(3)傳感器添加完成之后會(huì)在設(shè)備下面顯示不同傳感器的ID，ID會(huì)在編程中使用；(4)進(jìn)入賬戶找到API密碼，該密碼在進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用。Yeelink設(shè)置基本完成后，其余部分通過(guò)編寫(xiě)程序完成。

2.4繼電器

繼電器具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)之間的互動(dòng)關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)小電流控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器電路可以很容易地通過(guò)樹(shù)莓派的引腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)中負(fù)載電源的控制[7]。例如，一個(gè)四路繼電器可以根據(jù)樹(shù)莓派的引腳控制信號(hào)同時(shí)控制4個(gè)負(fù)載。

2.5控制應(yīng)用

Raspberry Control應(yīng)用可以讓用戶管理樹(shù)莓派并運(yùn)行命令，主要功能包括按需運(yùn)行命令并在窗口內(nèi)獲取輸出內(nèi)容；保存和編輯命令指令來(lái)在任何時(shí)間運(yùn)行命令。樹(shù)莓派上安裝Raspberry Control常用方法是通過(guò)樹(shù)莓派上的控制臺(tái)實(shí)用程序Terminal來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要步驟是：(1)執(zhí)行命令下載軟件包；(2)解壓下載的tar.gz文件；(3)運(yùn)行安裝腳本，并重新啟動(dòng)樹(shù)莓派。通過(guò)WiFi將樹(shù)莓派連接到服務(wù)器后，服務(wù)器將為樹(shù)莓派分配一個(gè)固定的IP地址，可以在Terminal中輸入命令進(jìn)行查看。

Android設(shè)備安裝Raspberry Control應(yīng)用后，為順利將樹(shù)莓派和設(shè)備進(jìn)行連接，必須將樹(shù)莓派和Android設(shè)備連接在同一個(gè)服務(wù)器中。啟動(dòng)設(shè)備上的Raspberry Control應(yīng)用，并輸入樹(shù)莓派提供的IP地址后可以建立連接，隨后Raspberry Control會(huì)顯示其所有的功能。此時(shí)，用戶可以通過(guò)Raspberry Control進(jìn)行觸摸操作改變樹(shù)莓派的操作引腳狀態(tài)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的控制。

2.6效果

負(fù)載控制系統(tǒng)還可以為用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)連接負(fù)載能耗的統(tǒng)計(jì)。使用Python代碼連續(xù)記錄操作系統(tǒng)時(shí)間和對(duì)應(yīng)的負(fù)載能耗，這些數(shù)據(jù)以字符串的形式按照一定的時(shí)間間隔存儲(chǔ)在樹(shù)莓派上，通過(guò)繪圖軟件可將這些字符串值繪制成圖表，并以圖片文件的形式存儲(chǔ)在指定的文件夾。Yeelink可將指定路徑的數(shù)據(jù)上傳到云端，用戶可通過(guò)客戶端和網(wǎng)站主頁(yè)隨時(shí)隨地查看負(fù)載的實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本文建立的負(fù)載控制系統(tǒng)是一個(gè)基于云的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，它具有很大潛在靈活性、擴(kuò)展性和安全性。負(fù)載控制系統(tǒng)不是一個(gè)新的概念，因?yàn)榍叭艘呀?jīng)通過(guò)藍(lán)牙、GSM、Java和SMS等協(xié)議做出了大量的工作，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)Android設(shè)備和微控制器的聯(lián)合使用。樹(shù)莓派集成了WiFi模塊后具有很強(qiáng)的易用性和靈活性，它可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)按用戶需求實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的監(jiān)控。本文建立的系統(tǒng)化工作模塊實(shí)現(xiàn)了Android設(shè)備與樹(shù)莓派的潛在優(yōu)勢(shì)的融合，對(duì)于未來(lái)智能設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Design of load control system based on Raspberry Pi

Liu Changjun, Zhu Peigen

(National Defense Engineering Institute, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Raspberry Pi has become a popular paradigm because of the numerous advantages and is suitable for academic research. This paper proposes a method for an implementation of Raspberry Pi based load control system which can provide access interface for Android device. The operating pins of Raspberry Pi can be controlled by the corresponding touch screen operation in the Raspberry control application. And the relay can control the power connection of the load through the state of the pins. The power consumption profile across the connected load is measured accurately through programming, and users can access the graph of total power consumption anytime and anywhere using their cloud drive.

Raspberry Pi; control system; load; smart home

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.022

劉長(zhǎng)俊，朱培根.基于樹(shù)莓派的負(fù)載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：78-80.

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015AA050401)

2017-04-15)

劉長(zhǎng)俊(1993-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：地下工程通風(fēng)空調(diào)節(jié)能技術(shù)。E-mail：tyutlcj@163.com。朱培根(1964-)，男，博士后，教授，主要研究方向：地下工程除濕與節(jié)能技術(shù)。