树莓派家居控制系统设计

摘 要：本系统以树莓派为核心，实现了语音交互、电器控制、智能安防、环境信息监控、数据通信等功能，并将多个物联传感节点组网，为家庭创造了一个安全舒适、便捷高效的居住环境。为便于用户实时了解环境质量情况，服务器可将所采集的环境参数绘制成数据曲线。在人与系统的交互上摒弃传统的界面交互而使用了语音交互，通过语音识别技术来实现系统的功能选定和切换。

关键词：物联网;树莓派;家居控制

现代社会经济的发展程度越来越高，人们对家居生活品质的要求也越来越高，舒适化、安全化，人性化、智能化是新的一轮需求。现代物联网化的家居系統因此应运而生，它可以帮助用户轻松的管理家居电器和设备，使家居生活更安全、更便捷、更舒适，也满足了环保节能的时代要求。

在经历了计算机、互联网的发展浪潮后，“物联网”已经被公认为世界信息产业的新浪潮，美国、欧盟、日本等发达国家都正投入大量人力与财力资源来研究和发展物联网，近些年，我国也施行了“感知中国”发展战略，全力推动物联网技术与产业的发展和应用，国家和地方各级相关部门也陆续出台了多项扶持政策，为物联网的应用开启“绿色通道”。尤其在当前疫情的持续影响下，全球经济遭受了严重冲击与下滑，物联网将成为全球经济复苏的强大动因之一。

1 物联网家居系统组成

以第三代ARM微型电脑树莓派为核心，实现语音交互、电器控制、环境信息监控、数据通信等功能，并将多个物联传感节点组网，为家庭创造了一个安全舒适、便捷高效的居住环境。

各个传感器通过Wi-Fi模块ESP8266与树莓派通信，物联网系统与公网服务器间的通信采用了“轻量级”通讯协议CoAP进行通信。

系统的总体设计框图如图1所示：

为便于用户实时了解环境质量情况，服务器可将所采集的环境参数绘制成数据曲线。在人与系统的交互上摒弃传统的界面交互而使用了语音交互，通过语音识别技术来实现系统的功能选定和切换。机器人则采用了Blue-Tooth进行通信，机器人通过手机端APP进行操控。

2 物联网家居机器人系统的实现

2.1 语音识别

摒弃传统的用户可视界面方式而使用了语音交互方式，用户只需通过语音即可与物联网智能机器人交互。由于语音的识别与转换涉及大量数据处理，这对于树莓派来说负担过于繁重，为了系统能够稳定运行，将这些处理工作转移到了性能更好的专用服务器上，而树莓派只需完成上传和下载语音数据文件。其中，语音识别模块包括语音和文字转换模块、语义解释模块、DLAN模块等。

2.2 电器控制

Wi-Fi模块ESP8266是每个控制节点的核心，负责着家居电器的联网。主节点ESP8266开启AP模式，每个子节点启动后会自动与主节点的ESP8266相应端口建立TCP连接，从而加入网络，这样就使得每一个家居电器都实时可控，并降低控制器的功耗。

2.3 智能安防

以MQ-5可燃气气敏传感器监测家居空气中是否出现可燃气泄漏，当检测数据达到阈值时，智能机器人会自动启动报警功能提醒当前家居环境空气存在危险应及时排查。

2.4 环境监测

设定两个环境监控节点，一个用于采集家居环境的温湿度，另一个用于检测当前人们关注度较高的PM2.5。湿度和温度数据将通过CoAP协议上传至专用服务器以生成实时温湿度曲线图，用户则可以通过手机或电脑等终端设备进行比较直观的查看。

2.5 机器人

物联网家居智能机器人使用Blue-Tooth通信技术与手机连接，打开APP即可控制机器人动作，树莓派通过自带的Wi-Fi模组连接到公网与服务器进行通信。树莓派同时又通过RS232与主节点的ESP8266通信，主节点的ESP8266用来处理树莓派的指令调度和协调各个节点的数据采集。温湿度数据以JSON数据格式通过CoAP协议发布到指定主题，使用CoAP+JSON比传统的基于文档的HTTP协议更切合物联网通信轻而快的需求。

3 结束语

文中所提出以树莓派为核心的系统结构，采用了较主流的软、硬件技术，具备一定的参考价值。但基于物联网的智能家居远不只包含以上概述的几种技术，物联网的技术发展日新月异，在创建一个复杂的、综合性的工程时，需要从系统的各个角度考虑，如网络、生态及其他方面。物联网家居系统的设计必须具有前瞻性，把握当前的技术发展方向，才能够确保所设计的结构、采用的技术具有扩展性和更长的生命周期。

参考文献：

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资助：湖南文理学院校级课题（18ZD08物联网架构下智能家居系统的研究与设计）

作者简介：杨峰（1983-），男，湖南常德人，研究生，讲师，研究方向：嵌入式系统。