基於樹莓派的智慧家居系統設計與實現論文
隨著物聯網技術的不斷髮展，智慧化、個性化的智慧家居產品需求越來越大，但當前智慧家居產品之間裝置介面、通訊協議等多種多樣，尚未形成統一標準，這些因素制約著智慧家居產品的推廣與普及。文章提出一種以開源硬體樹莓派系統為中心，相容多協議的智慧科技閘道器設計，旨在解決當前異構網路中不同協議與不同介面的相容問題。
1 概述
智慧家居閘道器作為智慧家居系統的中心控制裝置，承擔著智慧家居中所有感測器資訊的匯聚、分析與控制，應滿足安全高效、智慧化與個性化的需求。本文針對智慧家居系統的使用者需求，在物聯網基礎上提出一種以樹莓派系統為中心閘道器，綜合採用WIFI技術、Zigbee技術，並支援多協議、多網路混合的智慧家居系統。系統設計採用模組化、智慧化設計，具有穩定性、擴充套件性與操控性等特點，並可以透過APP終端實現對智慧家居系統的遠端控制。
2 系統整體結構設計
本系統的設計主要由三大部分組成：(1)感應控制層主要由智慧家居的各種感測器裝置組成，收集家居中如溫度、溼度與可燃氣體等各種資訊以及接收由閘道器傳達的各種命令;(2)網路通訊層主要是負責網路通訊，包括智慧閘道器、資訊伺服器、路由器與GPRS、WIFI網路、ZigBee網路、 Internet、紅外網路等。閘道器作為智慧家居系統的中心控制裝置，承擔著各層裝置之間的訊號傳輸與控制命令轉發解析等任務，使用者使用手機發送訊號到資訊伺服器，資訊伺服器處理資訊後再傳送到閘道器，由閘道器控制各種感測器與家庭裝置;(3)應用層包括電腦PC機、手機終端裝置，如Android與IOS裝置、遙控器等紅外手持裝置等，手機端可透過因特網或GPRS網路與閘道器通訊，以無線方式管理智慧家居各節點的裝置終端，支援多使用者登入系統進行管理，實現節點裝置遙控等功能，從而實時監測與控制家居環境。透過手機端的APP，連線區域網或GPRS網路，實現遠端控制智慧家居的各種裝置。系統結構圖如圖1所示。
2.1 感應控制層
感應控制層由感測器終端與控制終端組成，感測器終端主要負責收集家庭環境的各種資料，包括室內溫度、溼度、煙霧濃度等，控制終端的主要作用是對家庭裝置如照明、電視機、空調、窗簾與其他電器的.控制。感測器終端與控制終端並不是嚴格分離，如照明調節，需要由感測器終端收集房間的光線亮度引數，然後由控制終端進行控制電燈的亮度。
感測器終端都採用模組化的設計方案，在微處理器單元的基礎上，新增感測器與WIFI模組或ZigBee模組，感測器終端透過WIFI或 ZigBee網路與智慧閘道器連線。WIFI模組由於具有穩定性高、傳輸速度快、傳輸距離遠等特點，因此被廣泛應用在各類傳輸通訊裝置中。而ZigBee具有功耗極低、組網靈活、傳輸穩定等特點，因此可以應用在廚房等連線電源不方便的可燃氣體檢測裝置裡，在一個紐扣電池供電的情況下，可以工作6～24個月。
感測器終端的微處理晶片主要由微控制器與外圍電路組成，是該終端的核心元件，負責執行處理由WIFI、ZigBee等通訊模組傳送過來的指令。電源模組與LED等模組主要由電源燈與呼吸燈組成，當終端處於工作狀態，會顯示出不同的燈光組合，增加美感與識別功能。WIFI通訊模組與ZigBee模組是一個通訊模組，焊接在基礎模組上，透過此通訊模組，終端裝置實現了可以無線連線家用路由器的，與智慧閘道器通訊的能力。透過此通訊模組，終端裝置接收來自智慧閘道器的命令，執行並反饋結果。
2.2 網路通訊層
由圖1可見，網路通訊層包括智慧閘道器、路由器、網路伺服器、WIFI網路和Internet等，其中，閘道器作為智慧家居的核心裝置，負責整個智慧家居網路的管理與協調，處理不同的通訊協議之間的轉換，同時還要處理家庭多媒體娛樂的音影片解碼等，除需保證其滿足安全性、穩定性和可靠性外，還要考慮到其效能。綜合考慮上述因素，選擇開源硬體樹莓派作為閘道器裝置，該硬體具有新一代Broadcom BCM2836 800MHz ARM Cortex-A7四核處理器，採用1GB的RAM儲存器，帶VideoCore IV雙核GPU，最高支援HD 1080p影片輸出，複合影片(PAL/NTSC)輸出，立體聲音訊輸出，提供10/100 BaseT RJ45乙太網插座，HDMI 1.3和1.4影片/音訊插座，3.5mm 4極音訊/複合影片輸出插孔插座，4個USB 2.0插座，15路MPI CSI-2聯結器，用於Raspberry Pi高畫質攝像機(775～7731)，15路顯示序列介面聯結器，MicroSD卡插座，從MicroSD卡啟動，執行Linux新作業系統版本，GPIO和序列匯流排的40引腳管座，透過MicroUSB插座，整塊硬體具有整合度非常高、執行速度快、效能高、外設豐富、二次開發方便等優點。
智慧閘道器的作用主要有以下三個方面：
2.2.1 協議解析與轉換。考慮到各種感測器的功耗等特點，本設計採用了多網路融合的模式進行組網，系統內包含WIFI與ZigBee網路。ZigBee協議與網際網路中的TCP/IP協議並不相容，要把基於Zigbee協議的網路接入到TCP/IP協議網路內，需要進行協議轉換。透過樹莓派系統的擴充套件板或通用介面(GPIO)外接ZigBee模組，在感測器終端多微晶片電路板上也焊接ZigBee模組，然後在樹莓派系統內分配網路ID號和網路地址，網路節點上電後，初始化內部資源，然後傳送掃描訊號請求連線，從而完成連線。藉助z-stack協議棧，由ZigBee網路傳送過來的ZigBee協議幀的解析就由 Linux系統完成，Linux系統解析完成後，將有效的資料存入指定記憶體空間中，供WIFI網路使用，這樣就實現了多網融合。
2.2.2 資料收集與儲存。樹莓派提供豐富的外設介面，其中包括USB介面HDMI高畫質影片介面。在樹莓派系統上安裝多媒體服務中心，將閘道器打造成一臺可以播放高畫質影視的多媒體伺服器，透過USB介面，可以讀取到儲存在行動硬碟上的影片檔案。透過HDMI介面連線電視機，實現在電視上播放網路影片。此外，智慧家居系統傳送的各種資訊，都可以透過樹莓派上的資料庫儲存下來。
2.2.3 資訊伺服器承擔起內網與外網聯通的橋樑作用。其主要功能是負責溝通使用者手機APP應用端與智慧閘道器的通訊。由於閘道器處於內網，使用者在Internet上無法直接連線閘道器，因此，搭建一個MQ資訊佇列伺服器連線內網與外網就成了很關鍵的一個步驟。從使用者手機APP端發出的命令，透過MQ伺服器，傳到內網的智慧閘道器，再由智慧閘道器轉發給各感測器終端，從而實現控制家居裝置。
2.3 應用層
智慧家居透過使用者的手機APP進行控制家用裝置，手機端APP應用包括Android版本與IOS版本，介面設計與功能基本一致。如圖2所示為手機的應用介面圖，使用者輸入賬號與密碼資訊後，進入到系統內可以瀏覽到智慧家居的資訊。
3 結語
本文分析了智慧家居的結構、功能與組成，採用以閘道器為中心，結合多網融合的方式，設計實現了以樹莓派系統為中心閘道器的智慧家居系統，透過手機終端對智慧家居的遠端控制與集中控制。實際使用效果證明，該系統具有很高的穩定性、可靠性與擴充套件性，兼具成本低廉、操作簡單等特點，具有一定的市場推廣與參考。
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