摘 要：為了實現(xiàn)人們對環(huán)境智能化管理的需求，設計實現(xiàn)了基于RFID和樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)室內多功能系統(tǒng)。利用RFID技術實現(xiàn)了永久性室內環(huán)境監(jiān)測，利用樹莓派與傳感器實時監(jiān)測室內溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數(shù)，對環(huán)境進行跟蹤管理與監(jiān)控。該系統(tǒng)可實現(xiàn)智能化管理并降低人體在室內的患病風險，在節(jié)約能源的同時提升室內工作與學習效率。經驗證，該系統(tǒng)功耗低，可靠性高，具有一定的創(chuàng)新性和應用價值。

關鍵詞：智能管理；RFID；樹莓派；傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境參數(shù)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.010

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，人們對環(huán)境智能管理的需求也日益增加。在室內，需要對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，實施智能化管理。RFID技術具有快速識別、批量處理、可靠性高等優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)得到了廣泛應用[1]。Raspberry Pi是一種廉價、開放、簡單且易于管理的系統(tǒng)，被廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)領域[2]。二者結合可以實現(xiàn)室內環(huán)境的智能管理，降低人類在室內患疾病的風險，節(jié)省能源，提高室內工作效率。

目前，許多技術人員正在探索RFID技術和Raspberry Pi平臺的使用。例如，汾西礦業(yè)利用無線標簽開發(fā)了煤炭運輸過程中的防盜系統(tǒng)，并建立了相關預防和控制系統(tǒng)，提高了煤炭運輸效率和安全性、完整性[3]。寶雞誠科測繪院開發(fā)了以“樹莓派+云開發(fā)”為核心的變形監(jiān)測系統(tǒng)。將GPRS無線傳輸模塊與變形監(jiān)測儀集成，以樹莓派作為處理單元，完成無線傳輸模塊變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收和顯示，并通過云端開發(fā)創(chuàng)建云端數(shù)據(jù)庫，收集并存儲來自監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)的返回[4]。然而在現(xiàn)階段研究中，RFID技術與Raspberry Pi平臺相結合的應用較少。文中主要介紹了基于RFID和Raspberry Pi的室內多功能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)和RFID技術的基本原理和特性，并在此基礎上詳細討論了結合這兩種技術實現(xiàn)室內環(huán)境智能管理的方法。文中選擇Raspberry Pi平臺作為系統(tǒng)硬件平臺，通過編寫程序實現(xiàn)與RFID識別模塊的交互控制。最后通過實驗檢驗系統(tǒng)的可行性和可靠性，并對系統(tǒng)進行優(yōu)化。

1 系統(tǒng)總體設計

文中提出的基于RFID和Raspberry Pi的多功能室內互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體結構由BCM2711 Raspberry Pi和RFID讀卡器模塊組成。系統(tǒng)包括RFID讀卡器模塊、溫濕度傳感器模塊、紅外傳感器模塊、空氣質量傳感器模塊、樹莓派主控板模塊，用于采集室內溫濕度、空氣質量和分貝數(shù)據(jù)等。圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體結構。

2 硬件設計

2.1 RFID系統(tǒng)

文中使用MFRC522 RFID讀卡器模塊來讀取信息。RFID系統(tǒng)主要由兩部分組成，一是RFID標簽，二是RFID讀寫器。RFID標簽存儲物品的相關數(shù)據(jù)信息，RFID讀寫器負責讀取RFID標簽上的信息。RFID電子標簽進入電磁場后，接收RFID讀寫器發(fā)送的射頻信號，無源RFID電子標簽利用室內產生的電磁場的能量來傳輸被測物體的信息。RFID讀寫器讀取數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)信息通過所連接的網(wǎng)絡傳輸至相應的信息系統(tǒng)。有源電子RFID標簽主動發(fā)射射頻信號，RFID讀寫器進行讀寫操作。RFID系統(tǒng)組成如圖2所示。

讀寫器模塊由天線、射頻收發(fā)器、控制器、處理器和接口組成。

天線（Antenna）用于接收和發(fā)射RFID信號，并利用RFID標簽進行無線通信。

射頻收發(fā)器（RF Transceiver）負責接收和發(fā)送RFID信號，并將其轉換為數(shù)字信號供處理器處理。射頻收發(fā)器支持LF（低頻）、HF（高頻）、UHF（超高頻）等射頻協(xié)議，以適應不同類型的RFID標簽。

控制器用于管理RFID讀寫器模塊的操作和功能。

處理器（Processor）用于執(zhí)行讀卡器模塊的計算和邏輯操作，包括處理、存儲和傳輸RFID標簽數(shù)據(jù)且可對接收的RFID信號進行解碼和處理，并與其他設備或系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建接口，與計算機、控制系統(tǒng)等外部設備通信，傳輸數(shù)據(jù)并與控制命令交互。

系統(tǒng)的RFID讀卡模塊可通過與RFID標簽的無線通信，實現(xiàn)對標簽上信息的非接觸式讀取。RFID讀寫器模塊電路如圖3所示。

2.2 紅外測量

將MLX90614紅外傳感器連接到樹莓派的GPIO引腳，然后進行軟件設置，在樹莓派上安裝所需的軟件庫，并編寫Python腳本使GPIO庫供紅外傳感器讀取和測量。紅外傳感器具有非接觸測量、測量精度高、溫度范圍廣

（-40～+125 ℃）、響應速度快等特點，能夠輔助實現(xiàn)非感知溫度監(jiān)測、快速發(fā)現(xiàn)體溫異常、及早診斷潛在健康問題等功能，對個人和環(huán)境健康管理產生了積極作用[5]。紅外傳感器電路如圖4所示。

2.3 溫濕度測量

將DHT11溫濕度傳感器連接到相應的GPIO引腳，將Adafruit_DHT庫導入代碼中，設置傳感器類型和GPIO引腳編號，然后讀取溫濕度值。該傳感器具有精度高、響應速度快等特點。同時，該傳感器具有節(jié)約能源、提升室內空氣質量等優(yōu)點。溫度傳感器模塊電路如圖5所示[6]。

2.4 空氣質量測量

室內空氣質量監(jiān)測可以使用空氣質量傳感器來完成。將MQ-135空氣質量傳感器連接到樹莓派相應GPIO引腳，并使用杜邦線連接電源和地線。將所需Python庫—RPi.GPIO和time引入代碼中。設置GPIO引腳編號并初始化GPIO，讀取傳感器數(shù)據(jù)并計算AQI空氣質量指數(shù)。該傳感器可以檢測空氣中的多種氣體，例如一氧化碳和二氧化碳。該功能旨在幫助用戶預防健康問題、提高學習和工作效率、改善整體健康狀況[7]。空氣質量傳感器模塊電路如圖6所示。

2.5 分貝測量

將LM358聲音傳感器模塊連接到Raspberry Pi的GPIO端口。該模塊包括一個麥克風和一個LM358電壓比較器芯片，用于檢測環(huán)境中的聲音級別并將結果作為數(shù)字信號輸出到Raspberry Pi。當檢測到聲音時，輸出引腳發(fā)送高電平信號，否則為低電平。通過讀取引腳的狀態(tài)，可以確定是否檢測到音頻事件。傳感器模塊通常有一個可調靈敏度電位器，可用來改變傳感器的聲音檢測靈敏度，以適應不同環(huán)境的需要。其特點是非接觸式測量，即無需與聲源物體直接接觸，便可在較遠的距離檢測聲音。該傳感器還可以實時檢測環(huán)境中的聲音變化，以跟蹤和檢測聲音活動。同時，還可用于安全系統(tǒng)，例如檢測房間內突發(fā)或異常的聲音并觸發(fā)報警[8]。

聲音傳感器模塊電路如圖7所示。

3 軟件設計

文中通過編寫Python程序可讀取溫濕度傳感器和空氣質量傳感器數(shù)據(jù)[9]。

系統(tǒng)軟件設計由傳感器單元程序設計、控制單元程序設計（包含Raspberry Pi控制核心模塊）、WiFi模塊程序設計三部分組成。傳感器單元包含溫度、濕度和分貝值的采集，這些值均從室內環(huán)境中獲得，經過中央處理器處理后轉換成相應的參數(shù)值?？刂茊卧A警和顯示兩部分。設置閾值，當參數(shù)超出此閾值時可觸發(fā)蜂鳴器報警。WiFi模塊將采集的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺并實時顯示。系統(tǒng)軟件總體設計流程如圖8所示。

4 結果分析

該系統(tǒng)包括Raspberry Pi、紅外傳感器等硬件設備，依托物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式服務器終端和阿里服務器終端實現(xiàn)智能家居環(huán)境檢測[10]。作為Raspberry Pi系統(tǒng)的主控模塊，通過無線WiFi網(wǎng)絡搭建服務器，實現(xiàn)智能家居管理和檢測。文中在實驗室搭建了一個小型內部物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以驗證系統(tǒng)的可行性和可靠性。

安裝樹莓派、溫濕度傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器和空氣質量傳感器等，系統(tǒng)上電如圖9所示。

將程序編譯到樹莓派中并啟動數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸至阿里物聯(lián)網(wǎng)云平臺。系統(tǒng)測試包括硬件測試和軟件測試。打開系統(tǒng)后，可以通過按鈕設置煙霧和溫度閾值。系統(tǒng)以60 s

為一個周期，采集煙霧傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，將煙霧數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)顯示在大屏幕上[11]。圖10所示為系統(tǒng)運維大屏顯示圖。

5 結 語

文中討論了基于Raspberry Pi的室內環(huán)境檢測系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)使用各種傳感器收集室內環(huán)境的溫濕度、空氣質量、分貝數(shù)據(jù)。樹莓派將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地服務器，操作簡單，管理方便。它可以監(jiān)測室內環(huán)境，降低患病風險，節(jié)省資源，提高人們學習和工作的效率，具有一定的創(chuàng)新性和實用性。

注：本文通訊作者為王超梁。

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收稿日期：2023-07-24 修回日期：2023-08-31

作者簡介：路皓然，男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術、RFID。

賈雨涵，女，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)定位、無線傳感網(wǎng)。

王超梁，男，講師，研究方向為嵌入式、人工智能、遙感圖像處理。