基于树莓派的智能灯光控制系统设计

阳秋光 成建宏

摘要： 随着信息技术和互联网的高速发展，智能化显得极其重要。该系统是基于树莓派为中继控制模块、wifi控制模块、Arduino RGB全彩LED灯模块以及手机APP模块联合的智能灯光控制设计。利用嵌入式开发、Linux编程以及swift语言等主要技术和运用IEEE802.11协议，从而搭建出RGB全彩LED灯光模块的智能控制系统。实验结果表明，该系统是可靠和有效的，并且能够有效地防止他人非法入侵，在现实生活中对空调、窗帘、温湿度等家居系统的智能控制具有潜在的应用价值。

关键词：树莓派；嵌入式开发；Linux系统；swift语言；IEEE802.11

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）29-0220-02

Abstract： With the rapid development of information technology and Internet， intelligence becomes extremely important. The proposed system is a intelligent lighting control design based on Raspberry Pi relay control module， wifi control module， Arduino RGB full-color LED module and mobile APP module. The intelligent control system of RGB full-color LED lighting module is built by using the main technologies of embedded development， Linux programming and swift language， and using IEEE802.11 protocol. The results of experiments show that this system is correct and effective， and can effectively prevent the illegal invasion of others， which has potential application value In real life to intelligently control the home systems such as air conditioners， curtains， temperature and humidity.

Key words： Raspberry Pi； embedded development；Linux system； Swift language； IEEE802.11

随着科技信息化的发展，人类生活越来越离不开智能化。而传统的家居功能越来越不能满足人们的生活需要，物联网下的智能化家居越来越受到人们的关注。1984年美国联合科技公司在康涅狄克州哈特佛市首次建立一套智能家居建筑，从此拉开了智能家居热潮[1]。随着物联网发展，特别是近些年，4G通信技术全面铺开，更加加速了智能家居的发展。如国内公司发布了海尔“e-家庭”和清华同方公司发布的“e-home”产品都是针对智能家居而设计的[2]。国外一些国家已经实现了智能家居的批量化应用，如美国X10智能家居系统[3]、新加坡8X系统[4]、德国的EIB系统[5]等。虽然这些物联网智能家居产品的出现，让人们生活更加便捷[7]，但是经济成本一直制约智能家居的发展。随着当今信息技术的高速发展，信息安全也成为一个非常重要的问题[8]。如上述所说，研究一套即经济又安全的智能家居系统具有非常重要的意义。

1 系统总体方案设计

树莓派作为一个中继点，运用IEEE802.11通信技术协议，将各个硬件模块串接在一起，很好的实现了对灯光亮度变化的控制以及后期拓展到各式电器设备的智能控制。树莓派是通过GPIO口对各类电器设备的进行驱动，从而达到对家居电器设备进行控制。同时，树莓派作为系统控制的核心，接收移动端的发送指令也充当服务器的角色，根据不同的指令发送到相应的电器设备。为了克服内外网无法直接传输数据的问题，该系统通过引入具有外网的IP路由器，能很好衔接内外网的通信问题，其中服务器端跟客户移动端通信采用的Socket进行数据通信。其中，树莓派端采用的C++语言进行编程构建。该系统的总体的框架图如下图1所示：

从系统的框架图可以看出，后续还可以有其他的电器设备进行功能拓展。

1.1 树莓派介绍

树莓派是一种微型的计算机，其大小相当于一张银行卡。选用了树莓派3B型开发板，其包括了四核1.2GHZ Broadom BCM2837 64位CPU，板載了802.11b/g/n wifi和蓝牙4.1，双核Video coreIv多媒体协处理器等。支持linux系统和Windows系统下的开发，具备了 PC的基本功能，其价格低廉，给我们提供了一个理想的开发平台，其中树莓派3B芯片的具有40个GPIO驱动接口。

1.2 三色全彩LED灯模块

该模块可以显示全红、绿和蓝三种基色，输入为5V的电压。通过PWM端口实现对其控制，Arduino PWM接口可直接驱动。使用wiringPI来驱动GPIO口，控制LED灯时，采用了树莓派的GPIO口11、12和13分别控制RGB三个颜色。

2 IEEE802.11协议原理

IEEE802.11其实就是无限局域网，主要包含了ISO协议中物理层和数据链路层。802.11是国际电气和电子工程师协会联合制定的，是第一代无限局域网的标准之一。它规定了物理层和介质访问控制MAC地址的规范，允许无限局域网和无限控制设备在一定空间范围内建立通信。随着信息网络的发展，网络需求也从单一的通信到多方面需求，以往的IEEE802.11通信协议也随着人们需求慢慢发展，先后有IEEE80211a、IEEE80211b、IEEE80211c、IEEE80211d等等[6]。为了实现高带宽和高质量通信，IEEE802.11n协议应用而生。无限局域网通过扫描方式获得信息，其扫描的工作方式主要有两种：主动扫描工作模式和被动扫描工作模式

2.1 WiFi介绍

Wifi通信最大的优点就是不需要布线，在有限的空间范围内可以通过密钥验证连接。Wifi的通信发射的功率不超过100毫瓦，手机发射功率在5瓦左右，wifi通信功率远远低于手机的发射功率，并且不需要随身携带。

2.2 Socket通信

网络上的两个程序之间进行连接通信，需要建立一个双向的TCP连接，连接的一端被称为socket。倘若树莓派的服务器端和手机移动客户端要建立通信，树莓派的服务端要建立一个socket，与此同时手机移动客户端也需要建立一个socket，两者基于TCP协议进行数据通信。两者进行具体的工作流程图如图2所示。

3 嵌入式原理和swift语言

3.1 嵌入式开发基本原理及swift语言

嵌入式系统一般分为四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件[6]。嵌入式是面向用户、面向产品和面向，与具体应用相结合才能体现。以树莓派硬件模块为基础，通过外围硬件设备，通过软件的配置形成一个智能控制灯光的系统。

Swift语言是Apple在WWC2014发布一种ios系统和osx系统开发的语言，基于Objictive-c和C，有意兼容了C和Objictive-c，相比C语言更加简单、灵活。而系统设计采用了Xcode编译器，Swift语言书写。

4 实验原理与仿真

采用了树莓派3B作为嵌入式平台，Arduino RGB全彩LED灯和苹果手机，利用实验室已有的WiFi，通过软硬件结合。使用WiringPI来驱动GPIO管脚，控制LED灯，分别采用了11、12和13管脚分别控制RGB三种颜色。手机端采用Xcode编译器编译命令，通过socket发送指令给嵌入式段，该套接字拥有IP号和Port的功能，通过触摸改变各种参数，其中手机APP程序拥有密码连接功能，防止外来设备侵入。实验仿真图3如下：

系统先通过点击图5中第一张图片上的手机界面配置系统属性，进入图5中第二张图片界面，提示输入端口号和IP号进行连接。连接成功后，有红、绿和蓝三种颜色配置属性界面，该图中关掉了红和蓝两种颜色，只显示了绿色，在Socket在建立连接后，第一次通讯，要求连接方发送密码，这样是为了防止外来设备的侵入，有很好的安全性能。

5 结论

本文基于树莓派设计了一种智能灯光控制系统，其主要优点有以下：

（1）通过Soctet建立通信需要建立连接需要放松密码，具有很好的安全性能。

（2）该系统还可以拓展到对窗帘、烟雾和家庭室内的温湿度控制及監测。

通过实验的验证对比，可以得出该系统设计的正确性和可靠性。对于停电的突发情况，还有通信网络的重启等情况还没有过多考虑，这是下一步研究的重点，力争开发出一套性能更加完善的系统。

参考文献：

[1] 姜超.基于物联网的智能家居系统的设计与实现[D].吉林大学，2014.

[2] 海尔 U-home http：//baike.baidu.com/view/379694.htm.

[3] 徐峰.基于Android平台的智能家居系统的设计与实现[D].北京邮电大学，2012.

[4] 严萍，张兴敢，柏业超.基于物联网技术的智能家居系统[J].南京大学学报（自然科学版），2012，01：26-32.

[5] 吕莉，罗杰.智能家居发展趋势[J].计算机现代化，2007，11：18-23.

[6] Zhang Xuefeng.The application of bluetooth in the control system of the smart home with internet of things.Advanced Materials Research，v 712-715，Advances in Manufacturing Science and Engineering， 2013： 2753-2756.

[7] 陈淑娟.无线智能家居设备控制网络设计及协议研究[D].大连海事大学，2013.

[8] 张蓉.基于大数据的计算机的网络信息安全问题研究[J].信息通信，2017，13：23-26.

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