基于树莓派的多功能智能家居系统

何静如

摘 要：为了打造更舒适安全的家居环境，解决普通智能家居用品功能集成度低的问题，并降低购买成本，文中设计了一种以树莓派作为控制终端，通过多种传感器采集信息，实现集室内温湿度调节、人脸识别门锁、红外感应夜灯、实时监控多种功能于一体的智能家居系统。该系统可对室内温湿度进行调控，增大家居环境的安全系数，并满足节能便利的生活需求。整个系统功能集成度高，成本低廉，具有一定的应用价值与市场前景。

关键词：树莓派；智能家居；多功能集成；室内温湿度调节；人脸识别门锁；红外感应夜灯；实时监控

中图分类号：TP273；TP212 文獻标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

家居环境的安全性与人们的生活息息相关。在湿热的环境下，人体的散热功能受到抑制，易导致烦躁、中暑、精神紊乱；而干冷的环境易使人体的皮肤干燥，同时也会诱发呼吸系统病症。此外，空气湿度过大或过小时，都有利于一些细菌和病毒的繁殖和传播。因此，保持室内合理的温湿度尤为重要。

由于人的面部特征具有唯一性[1]，在传统门锁中加入人脸识别系统，并实时监控，可大大增加家居环境的安全系数并方便出行。另外，根据光线情况与是否有人，灯具可自动变换开关状态，满足了节能与便利的需求。

随着物联网技术的发展，各种智能家居设备应运而生，普通智能家居用品功能单一，集成度低。单独购买智能家居用品往往花费较高，树莓派作为一款基于ARM的微型电脑主板，具有成本低，可扩展性强等优点[2]，并拥有视频模拟信号的输出接口，若将其作为控制终端，可设计出集多种功能于一体的智能家居系统。

1 整体结构设计

系统以树莓派作为控制终端，通过多种传感器采集信息，采用相应的硬件连接与软件支持，使用Python编程，可实现集室内温湿度调节、人脸识别门锁、红外感应夜灯、实时监控等功能于一体的智能家居系统。各功能以及相关软硬件示意如图1所示。

（1）室内温湿度调节：根据DHT11温湿度传感器测得室内温湿度，加湿器与风扇自动开关；将插座与连接树莓派的继电器相连，可使用树莓派控制插座上电器的开关状态。

（2）人脸识别门锁：当触摸传感器感应到有人触碰时，500 W像素树莓派摄像头将拍摄照片，并启动人脸识别功能，通过Face++云平台实现人脸图像的识别处理，根据人脸识别判断的结果控制电磁锁的开关。

（3）红外感应夜灯：通过光敏传感器与HC-SR501人体红外传感器感应信息，在天黑且有人的情况下，LED灯将自动打开。

（4）实时监控：利用Motion软件通过局域网将摄像头的实时监控情况呈现在Web网页上。

系统主要由控制终端、感应单元、受控单元及云服务四个部分组成：控制终端为树莓派；感应单元由各种传感器组成；受控单元包括各种家具器件及继电器；云服务主要指Face++云平台。

感应单元将传感器采集的信息数据传递给控制终端树莓派，其中，部分信息直接在本地处理，部分信息上传至云端，云端对图像信息进行处理后，将结果返回给树莓派。根据处理后的结果，树莓派发出相应控制指令到受控单元，控制相连的各器件。系统整体的信息数据流向方式如图2所示。

2 系统的设计与实现

2.1 控制核心

系统对数据传输能力要求较高，在视频数据与图像数据上需要保证流畅及稳定性，普通的单片微控制器[3]（如Arduino）难以实现。考虑到成本与功能需求，该系统采用树莓派Raspberry Pi 3b作为控制终端。

树莓派Raspberry Pi 3bBroadcom BCM2837为片上系统，其运行频率为1.2 GHz，拥有四核ARM处理器， 1 GB RAM存储器，与40个GPIO引脚，CSI摄像头接口，HDMI接口，4个USB 2.0端口，10/100以太网端口，RAC av端口，USB电源接口，DSI显示连接器，搭载蓝牙和WiFi模块。

树莓派的GPIO 引脚定义如图3所示。GPIO引脚的编号方式有三种，分别为BCM编号方式（如图3中BCM列所示）；BOARD编号方式（如图3中Physical列所示）；wiringPi编号方式（如图3中wPi列所示）。图3中的Mode列为引脚的输入/输出状态，可通过编程设定[4]。

2.2 室内温湿度调节

根据DHT11温湿度传感器所测得的室内温度与湿度数据，在树莓派中对数据信息进行分析与处理。根据当前温湿度情况，通过二路继电器控制风扇或加湿器的打开与关闭。相关硬件连接如图4所示。

加湿器采用额定电压为DC 5 V、额定功率约2 W的小型加湿器；风扇采用供电电压为DC 5 V、输出电流为1 A、功率约3 W的小型风扇。小型加湿器与风扇可使用树莓派供电。若考虑功率更大的加湿器或风扇，可将加湿器或风扇插在与树莓派相连的插座上，通过220 V交流电源供电。

由于树莓派的GPIO引脚在Output状态默认为0，因此采用高电平触发的5 V二路继电器。树莓派提供5 V电源引脚与继电器的常开（No1、No2）触点相连，在常态（不通电）下处于断开状态，风扇与加湿器处于关闭状态。

DHT11温湿度传感器含有电阻式感湿元件与NTC测温元件，可输出经过校验后的温度与湿度数字信号[5]，适用于室内温湿度的测量。其湿度测量范围为20%～95%；温度测量范围为0～50℃。

利用DHT11温湿度传感器的检测数据控制加湿器与风扇的开关状态，每隔5 min判断一次。由于人体适宜的湿度为45%～65%[6]，因此在湿度小于45%的情况下打开加湿器，湿度大于65%的情况下关闭加湿器；温度大于27℃时风扇打开，温度小于23℃时，风扇关闭。该功能实现的程序流程如图5所示。endprint

2.3 人脸识别门锁

实现人脸识别门锁功能的硬件连接图如图6所示。通过220 V交流电压转12 V直流变压器，将电压转换为12 V直流电磁锁所需要的电压。当需要被检测时，触碰触摸传感器，此时启动树莓派摄像头拍照，根据人脸识别结果，通过树莓派控制5 V继电器来控制电磁锁电流的通断，即开锁或关锁。

触摸传感器是一个基于触摸检测IC（TTP223B）的电容式点动型触摸开关模块[7]。常态下，模块输出低电平；当有人触摸相应位置时，输出高电平。该模块可安装在非金属材料如塑料、玻璃表面，也可将薄纸片等非金属材料覆盖在模块表面，隐藏在墙壁等位置。

由于树莓派的GPIO引脚在Output状态默认为0，因此采用高电平触发5 V继电器，变压器的V+与继电器的常开（No）触点相连，在常态（不通电）下处于断开状态，电磁锁不通电，处于关锁状态。

人脸识别功能基于Face++云平台，其API以Http请求的方式进行调用[8]，所使用的接口及其功能描述见表1所列。

首先判断是否有人需要被检测，当有人需要被检测时，将在本地的人脸图像及相关信息上传至Face++云平台，存入FaceSet中，建立人脸数据库，再判断拍摄的待识别图像中是否有人脸。若有，则与FaceSet中的人脸图像进行对比，当相似度大于80%时，则打开门锁。程序流程如图7所示，主要步骤（使用Python编程语言）如下：

（1）采用BOARD编号方式，GPIO2设置为Input状态，GPIO29设置为Output状态：

GPIO.setmode（GPIO.BOARD）

GPIO.setup（13，GPIO.In）

GPIO.setup（40，GPIO.Out）

（2）判断是否有人需要被检测，触碰了触摸传感器。

while True：

if GPIO.Input（13）==True：

...

time.sleep（2）

（3）若有人需要被检测，启动摄像头拍摄：

os.system（'raspistill -w 480 -h 360 -o customer.jpg -t 2000'）

（4）创建人脸集合FaceSet

api.faceset.create（outer_id='SetTest'）

（5）将本地图片上传：

Picture = {}

save1 = api.detect（image_file=facepp.File（/test/test1.jpg））

Picture ['name1'] = save1 ["faces"][0]["face_token"]

save2 = api.detect（image_file=facepp.File（/test/test2.jpg））

Picture ['name2'] = save2 ["faces"][0]["face_token"]

（6）將本地图片的FaceTocken存入FaceSet中上传：

api.faceset.addface（outer_id='SetTest'，

face_tokens= Picture.itervalues（））

（7）得到拍摄图像的face_token：

customer_pic = api.detect（image_file=facepp.File（customer.jpg））

（8）判断是否检测到了人脸：

if（len（customer_pic ["faces"]）==0）：

//未检测到人脸，删除

api.faceset.delete（outer_id='SetTest'， check_empty=0）

else：

//在 FaceSet 中寻找与所拍摄人脸最相似的，返回相似度

result = api.search（face_token= customer_pic ["faces"][0]["face_token"]， outer_id='SetTest'）

（9）得到相似度：

similarity = result ["results"]

judge=int（similarity [0]['confidence']）

（10）若相似度大于80%，则开锁：

if judge > 80 ：

GPIO.Output（40， True）

time.Sleep（3）

GPIO.Output（40， False）

2.4 红外感应夜灯

红外感应夜灯的硬件组成为光敏传感器与HC-SR501人体红外传感器。

光敏传感器利用半导体的光电效应判断光线强弱，随着入射光线的增强，其电阻值减小，将光信号转换为电信号[9]。当光线强度小于设定的阈值时，DO端输出高电平；当光线强度大于设定的阈值时，DO端输出低电平。

通过HC-SR501人体红外传感器可判断是否有人。若人进入其感应范围，则输出高电平；若人离开感应范围，则自动延时关闭高电平，输出低电平。HC-SR501有以下两种触发方式[10]（可跳线选择）：

（1）不可重复触发方式（L）：在感应到有人输出高电平后，不再进行感应判断，延时时间结束后，输出低电平；

（2）可重复触发方式（H）：在感应到有人输出高电平后，仍然进行感应判断，以最后一次感应到有人的时间为延时的起始时间。endprint

这里采用可重复触发方式（H）。

为了防止HC-SR501的针脚处于悬浮状态，出现输出电平状态不稳定的情况，接入10 kΩ下拉电阻，使其处于明确的低电平状态。硬件连接如图8所示。

红外感应夜灯在天黑且有人的情况下自动打开。功能实现的关键代码（使用Python编程语言）如下：

light = 12 //LED灯与树莓派相连的GPIO引脚编号

infrared = 25 //人体红外传感器与树莓派相连的GPIO引脚编号

photosen = 16 //光敏传感器与树莓派相连的GPIO引脚编号

GPIO.setmode（GPIO.BCM） //采用BCM的编号方式

GPIO.setup （light，GPIO.Out）

GPIO.setup （infrared，GPIO.In）

GPIO.setup （photosen，GPIO.In）

While True：

if（GPIO.Input（infrared） ==True and GPIO.input（photosen） ==True）：

GPIO.Output（light，GPIO.HIGH）

time.sleep（30） //天黑且有人的情况下，开启灯30 s

else：

GPIO.Output（light，GPIO.LOW） //否則，关灯

time.sleep（5）

2.5 实时监控

摄像头与树莓派的CSI摄像头接口通过15芯的排线连接，利用Motion软件，通过局域网实现实时监控。

（1）在终端中使用如下命令安装Motion软件：

sudo apt-get install motion

（2）配置motion daemon守护进程，使其在后台运行：

sudo nano/etc/default/motion

start_motion_deamon=yes

（3）修改motion的配置文件，将deamon off 改成 on，设置分辨率，关闭localhost的限制：

sudo vim /etc/motion/motion.conf

deamon on

width 800

height 600

webcam_localhost off

（4）运行motion：

sudo motion

（5）查看树莓派IP地址：

ifconfig

（6）在同一局域网下，访问树莓派IP的8081端口，即可获取实时监控的视频数据：

http：//[Raspberry Pi IP]：8081

3 结 语

本文介绍了通过树莓派实现多功能智能家居系统的可行性，设计了各功能的硬件连接图与软件实现方案。以树莓派作为控制终端，可实现室内温湿度调节、通过人脸识别开闭门锁、红外感应夜灯、实时监控。对各项功能进行实验与操作，已全部达到预期效果。系统功能集成度较高，设计易于搭建，相关硬件成本低廉，具有广阔的应用市场与发展前景。

参考文献

[1] 邱丽华.人脸信息认证系统基于设计模式的设计与实现[D].武汉：华中科技大学， 2008.

[2] Rushi Gajjar.树莓派+传感器：创建智能交互项目的实用方法、工具及最佳实践[M]. 胡训强，张欣景，译.北京：机械工业出版社，2016.

[3] 张毅刚，刘旺，邓立宝.单片机原理及接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[4] Alex Bradbury， Ben Everard.树莓派Python编程指南[M].王文峰，译.北京：机械工业出版社，2015.

[5] Tero Karvinen，Kimmo Karvinen，Ville Valtokari.传感器实战全攻略[M].于欣龙，李泽，译.北京：人民邮电出版社，2016.

[6]眭晋华，史红梅，眭广瑞.空气湿度及其影响[J].山西科技，2011，26（3）：143-144.

[7]来清民.传感器与单片机接口及实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[8] face++ API文档[EB/OL].https：//console.faceplusplus.com.cn/documents/4887579.

[9]王琦，阮淑云.光敏电阻传感器的特性研究[J].都市家教（上半月），2014（6）：188.

[10]李萌.智能楼道照明节电控制系统的设计[J].电子制作，2014（10X）：49-50.endprint