基于树莓派的智能家居系统设计与实现

　　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。

　　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6～24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(775～7731)，15路显示串行接口连接器，MicroSD卡插座，从MicroSD卡启动，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，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。