基于树莓派和Ardunio的WiFi远程控制 智能家居系统设计

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　　摘要：文中以树莓派（Raspberry Pi）、Ardunio作为主控核心，以语音信号和智能手机作为客户端，设计一款WiFi远程控制智能家居系统。系统中，Raspberry Pi充当服务器端的角色，由C、Python语言构建;手机客户端则采用Java、C++语言编写，并详细介绍智能家居的环境搭建及应用测试，最终通过WiFi实现语音和手机APP对智能家居的远程控制。
　　关键词：智能家居系统;远程控制;环境搭建;应用测试;服务器端;客户端
　　中图分类号：TN915-34：TP391.9
　　文献标识码：A
　　文章编号：1004-373X（ 2019）24-0167-05
　　从计算机的发明到互联网的普及，信息化技术已经彻底改变了人们的日常生活，它所创造的价值已经不可估量，而如今的物联网（Internet of Things，IOT）和人工智能则很有可能成为互联网的下一幕，并且它离人们越来越近，正在以星星之火之势渗透到生活的各个方面。而随着智能家居的普及和发展，使用智能家居产品则成为了生活的主流。但是，当今市场上主要采用ZigBee来实现智能家居的功能控制，ZigBee不仅安装复杂，成本高，而且不能连接用户的手机来进行远程控制。WiFi控制则有效地避免了这些问题，它具有速度快，不需要网桥就可以接人到互联网的特性，并且可以通过将各种通信终端以无线方式互相连接，形成网络，与手机进行通信。在现如今智能手机飞速发展的时代，以WiFi来远程控制智能家居已经成为研究设计的重要方向。本文基于Raspberry Pi和Ardunio的WiFi无线终端系统，實现在WiFi信号热点[1-2]区域，以语音、手机APP对智能家居进行远程控制。该设计将WiFi技术与智能交互相结合开发出具备无线通信的各种智能系统[3-4]。
　　1 系统总体框架设计
　　本文系统的整体框架如图1所示。该系统选用Raspberry Pi，Ardunio为核心，各种家居设备以模块化的形式进行统一管理。Raspberry Pi通过Ardunio控制各种家居所对应的驱动设备，该系统中的Raspberry Pi又起到服务器端的作用，一方面用来接收语音控制信号，将其上传到百度云平台进行分析，并将分析结果返回播放，进而通过Ardunio来控制各种家居设备;另一方面用来接收Android手机客户端发送的控制指令，并且根据不同的指令来改变相对应的家居设备。服务器端和客户端之间采用SSH进行数据通信。
　　另外，为了克服内网与外网之间IP设备无法直接互相传输数据的问题，本文引入了具有外网IP的路由器作为桥梁，起内外网之间访问的通道。首先，手机客户端访问具有外网IP的路由器通过某个固定端口，然后在路由器的配置管理页面设置端口转发，将固定端口的数据转发到Raspberry Pi。所以，手机客户端去访问路由器，路由器再将端口的数据包发给Raspberry Pi，从而完成了Android手机客户端到Raspberry Pi服务器端的数据传输。
　　2 WiFi无线终端系统设计与系统软件平台
　　2.1 系统设计
　　基于Raspberry Pi，Ardunio的WiFi无线终端系统的开发可分为三部分，分别是搭建硬件平台、软件开发平台和设计上层应用程序。
　　在硬件设计中，要设计各个模块，包括元器件型号的选择，电路原理图的设计，硬件电路正确性的检测。本系统的WiFi终端硬件部分的核心是嵌入式技术，结合实验设备相关资源和功能开发的需要，选择具有64位哈佛结构[5]的一款基于Broadcom BCM2837内核的Cortex A53微处理器和AVR处理器，并且搭建所需要的外部设备，构建系统的硬件开发平台，利用该硬件平台所提供的资源模块，开发出系统所需要的功能。ESP8266 WiFi shield模块[6]与Cortex A53，AVR处理器连接，选用USB无线网卡、TL-WN823N构建无线局域网;人机交互模块采用语音信号或者手机与微处理器通过组网互联;电源模块采用锂电池模块进行独立供电。
　　在软件设计部分中，又可划分为搭建软件开发平台和设计上层应用程序两个模块。搭建软件开发平台要选择所需要的操作系统（Linux操作系统），对BCM2837内核根据Linux系统的开发要求做相应的配置，包括支持无线网络连接，语音的识别、上传、解析，指令控制等操作;上层应用程序开发是本系统的核心部分，设计开发基于Qt[7]的电源管理客户端程序和网络配置界面客户端程序，从而实现连接无线网络和降低功耗的功能。最后，各模块进行集成调试，将Linux操作系统移植到硬件开发平台上，保证整个系统能够正确运转，以及智能控制家电功能的实现。系统总体开发的流程图见图2。
　　2.2 系统软件环境搭建
　　2.2.1 树莓派环境的搭建
　　Raspberry Pi运行于Linux操作系统下，RaspberryPi没有固态硬盘，所采用的是SD卡。只需要从Rasp-berrv Pi官网下载最新镜像，通过一张烧写Linux镜像的TF卡即可启动Raspberry Pi。使用secure RT登录Linux系统界面如图3所示。
　　接下来要做的是Raspberry Pi的远程访问。对于远程访问，可以使用两个工具：VNC[8]和XSHELLc9]，如图4所示。VNC的特点是不仅可以远程操作，还可以把Raspberry Pi的桌面窗口映射到本地;而XSHELL更为轻便，只提供一个控制终端，应用底层SSH协议，就可以在里面输入命令实现相应控制。
　　2.2.2 Ardunio环境的搭建
　　Ardunio相比于51单片机的区别在于，它对底层寄存器的配置进行了封装，提供了非常易用的函数接口以及大量的库。更重要的是Ardunio是开源的，可以清楚地查看底层代码，便于进行学习和研究。Ardunio的开发是基于C语言和C++语言，C语言主要是用于开发上层的模块，下层的库大部分是基于C++开发的。对于环境搭建较为简单，到官网下载Arduino的IDE，下载后打开IDE配置下载器、端口号和板子类型。图5是Arduin-oIDE的下载配置界面。 　　3 WiFi技术应用
　　3.1 WiFi技术中智能家居网关
　　与传统智能家居系统所采用的有线布网方式相比，WiFi技术的应用能够减少布线的麻烦，具有更好的移动性与可拓展性。图6是WiFi在智能家居中组网的示意图。该图主要包括智能家居网关以及若干个无线通信子节点。在智能家居网关上有无线发射模块，每个子节点上都含有一个无线网络接收模块，通过这些无线收发模块，数据就能在网络之间进行传送。其中，WiFi智能家居网关就是室内机，是家庭中一个智能化枢纽，通过智能家居网关上的无线射频模块与各子节点进行通信，实现家居的控制;通过Web网络来控制智能家居网关，从而实现对家居的远程控制。智能家居网关作为智能家居的核心设备，起到整个智能家居网络的管理和协调的作用，同时还要处理多媒体数字音频，视频的解码、不同通信协议之间的转换，通过它实现系统信息的采集、输入、输出、远程控制、联动控制等功能。智能家居网关可以充当机顶盒使用，内容方面与爱奇艺合作，也配有基于安卓的智能系统，可以安装其他软件进行使用。同时，适配智能插座、温湿度感应、燃气报警、智能监控、智能门铃等智能电器，实现物联全家智能设备并统一由手机远程管控。
　　3.2 智能语音控制
　　在系统硬件设计中，以Raspberry Pi和Arduino为核心处理器。Raspberry Pi主要负责语音数据的录入、上传、下载;Arduino主要负责接收Raspberry Pi通过串口、网络传来的指令，根据相应的指令做出相应的动作。设计过程为：
　　1）開启录音，用户下达语音指令，然后判断声音是否超过录音阈值，如果没有超过阈值，则返回录音继续判断;如果超过录音阈值，则开始录音保存。
　　2） Raspberry Pi通过HTTP协议将录音上传云端，进行解析，判断结果是普通指令还是对话，如果是普通指令，则指令传递给Arduino，进而控制各类家居;如果是对话指令，则把对话传递到图灵云端进行语义解析，进而播放相应的对话语音。智能语音控制的具体软件流程如图7所示。
　　3.3 手机远程控制及其应用程序
　　3.3.1 远程控制实现过程
　　IOT终端设备初次配置时，相应的设备会通过串口转WiFi模块自动组建一个WiFi网络，从而将服务器配置信息和AP写入到终端设备，完成远程设备的登录。当用户加入到该WiFi网络后，会读取终端设备的信息，获取到相应MAC地址[10]、IP地址、端口号等信息，进行系统的初始化。配置信息的写入可通过Smart-config或者手动方式，配置好对应AP信息、工作模式和服务器信息后。终端设备的信息将通过互联网注册到服务器上，从而实现终端设备连接到互联网服务器上。IOT终端设备配置流程图如图8所示。
　　在手机端远程控制方面，本设计选择Android手机作为实验平台通过RPi-Automation和Raspberry Pi Com-mand手机端APP，实现手机端对树莓派GPIO电平的控制，并且能够实现一键发送预先设置好的指令，来完成负责的操作任务;而且APP具有可编程性，根据需求来修改指令，满足人们的各种需求。通过智能手机端可以远程控制电灯的亮灭、水壶烧水、空调的开启和关闭、窗帘的拉开和关上.从而方便使用者的生活，节约了大量时间，使生活更加智能化。
　　3.3.2 远程控制应用
　　1）灯光模块与电水壶模块。开关相当于对Rasp-berry Pi输入信号，所以要使用GPIO的输入功能，即将Ardunio的GPI0 3与继电器S管脚相连，与此同时，将继电器COM接线口与开关的一端相连，NC接线口与开关的另一端相连。在中断方式下编写Python程序。使用时，运行LEDl.py，即可控制灯的亮灭;而电水壶模块的设计是利用GPIO接口来控制电水壶的开启和关闭。当GPIO接口设置为低电平时，则不会执行烧水功能;当GPIO接口设置为高电平时，电水壶开启，内置电阻开始加热，烧水功能开始执行。利用DS18820 T0-92来检测温度，当温度达到100℃时，GPIO接口自动切换为低电平，电水壶自动关闭，烧水功能停止，保温功能自动打开，并开启报警功能，提醒用户水已经烧开。两个模块接收到语音或手机端控制信号时，通过组网的形式，对各模块进行对应控制，进而实现对其功能的控制。
　　2）空调模块。红外对管包括红外线发射管和接收管。用户通过Android手机发送打开、关闭或者设置相应温度指令时，家庭中的Raspberry Pi接收到控制数据，将对应空调的红外编码数据调至38 kHz的载波上，然后通过红外发射管将调好的信号发射。空调内部设置的红外接收管根据接收到的语音或者Android手机发送的控制信号，解调出对应的控制指令，从而来设定空调的不同工作状态。除上述列举的控制模块之外，还有很多能够远程控制的模块，如窗帘模块、风扇模块、电视模块等，原理上类似。
　　4 测试结果
　　基于Raspberry Pi和Ardunio的WiFi无线终端测试主要包括：人机交互模块测试和无线局域网连接测试。人机交互模块测试包括语音交互测试和Android手机触屏点击测试。语音控制时，启动终端，利用端口扫描软件扫描对应的端口，见图9，然后打开XSHELL软件，查看到正常交换的信息，见图10;智能手机控制时，当家居与手机APP成功连接时，可以从智能手机的用户界面看到人机交互的相应的信息，见图11。
　　在无线局域网模块连接测试时，首先需要将树莓派、Ardunio、智能手机等终端放到WiFi热点区域内，并且要获取到该区域内WiFi热点名称和密码。在WiFi模块配置页面输入对应的名称和密码（名称是mywhite，密码是1234567890），见图12。然后登录，最后通过浏览器实现联网。无线网络配置成功界面见图13。
　　5 结语 　　本文研究的WiFi智能远程控制家居系统是一个物联网和人工智能相结合的实例化，充分证明了语音交互控制和智能手机远程控制在实际中的可行性。随着无线网络技术和语音技术的发展，通过组网的形式，实现家居的智能控制是未来家庭生活的发展趋势，它将改变人类的生活方式，解放人类的肢体。
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　　作者简介：李泽山（1994-），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式及物联网技术应用。
　　郭改枝（1968-），女，教授，硕士生导师，研究方向为嵌入式信息处理。
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