基于树莓派4B的智能家居系统的设计与实现

任建新 REN Jian-xin；王一鸣 WANG Yi-ming；梁杰 LIANG Jie；孙琳 SUN Lin；闫肃 YAN Su

（内蒙古工业大学信息工程学院，呼和浩特 010080）

0 引言

随着科技的发展和社会的进步，物联网开始蓬勃发展，人们越来越看重生活的质量。智能化设备给我们生活提供了很多便利，生活中各式各样的智能设备方便了我们日常的操作，传统的住宅模式已经不能满足生活的需求，居民已经趋向于选择智能家宅，智能家居也因此不断飞速发展。智能家居实现了用户在公司，在出差时便可以通过网络实时了解到家庭内的各种环境参数，以此为依据可操作家庭内相关设备，实现远程监控。这样可以做到更加安全，更加便利的居家方式。现在人们的生活节奏也因时代而逐步加快，大多数居民不再愿意选择传统住宅的居家方式，智能家居系统可以为居民带去安全，环保，舒适和便捷的体验，是未来家居发展的方向。本研究为基于树莓派4B的智能家居系统设计，该系统总体包括以下具体功能，简单控制功能、继电器控制功能、人体红外探测功能、家庭温湿度检测功能、烟雾检测功能、拍照摄像功能、数据库存储功能。系统运行稳定可靠，测试良好，符合预期设计目标，具有一定的实用价值。

1 智能家居系统总体方案设计

1.1 总体功能设计

1.1.1 系统总体功能设计

该设计系统主要包括控制和终端两个部分。智能家居模块，主要由温湿度检测模块、烟雾检测模块、蜂鸣器报警模块、LED灯光控制模块、继电器控制模块、拍照摄像模块及安防检测模块组成，用于满足智能家居的日常需求。同时，为了便于用户实现对采集到的数据进行分析和操作，系统需要加入数据存储部分（DBMS），系统总体组成如图1所示。

图1 总体功能流程图

1.1.2 系统实物图连接

系统实物图主要由树莓派4B、液晶触摸屏、PC机及一系列传感器组成，树莓派4B及传感器完成数据采集，PC机提供远程终端控制功能，树莓派4B在树莓派3B的基础上得到了极大的改进，不仅支持更大的运行内存，CPU、GPU和输入/输出也显著增强了。实物图见图2。

图2 系统连接实物图

1.2 功能模块功能设计

1.2.1 温湿度模块

通过温湿度传感器和继电器配合实现对家庭空调和加湿器的控制，并在树莓派控制页面上显示当前温湿度以及继电器的开关状态，用户可以根据获得的室内温湿度值，进行自主调节，选择打开空调或者加湿器，同时调整前后的数据上传到数据库。

1.2.2 烟雾检测模块

这一模块的实现主要利用烟雾检测传感器，该功能可以在发生火灾或有烟雾出现的时候精准检测到其位置，并且判定是真正的火灾还是正常操作下的火种，同时提示用户加以检查，确保安全（打开窗户、打开喷淋水阀）。如果有火灾发生这时系统就会发出报警信息来通知用户同时还会将相关的火灾情况以及报警信息打印出来，方便消防员灭火时了解情况。同时在软件页面部分，可以随时在界面上观察火灾探测器的工作状态，便于用户每个火灾探测器进行管理。

1.2.3 蜂鸣器报警模块

这一模块主要是配合温湿度模块、烟雾检测模块、案防检测模块实现的，当检测到室内温湿度大于某一预设值，蜂鸣器进行报警；当火灾发生，烟雾检测模块工作的同时，蜂鸣器进行报警；当有外人侵入，红外对射传感器工作的同时，蜂鸣器发出报警信号，警示入侵人员。

1.2.4 继电器控制模块

继电器模块的设计，主要是为了用户根据实时情况完成对家中电器设备的操作，如打开风扇、打开窗户、打开喷淋水阀等，继电器控制功能主要由硬件部分实现，程序方面只是将接受到的指令转换成控制引脚的高低电平。当收到打开电源指令，则将控制引脚置低电平，三极管导通从而继电器接通。当收到关闭电源命令的时候，将控制引脚置高电平，三极管截止从而继电器断开通过上面的步骤来实现电源的打开和关闭操作。

1.3 数据存储模块设计

1.3.1 温湿度数据采集表——DHT11Result

温湿度实体具有日期（Date）、时间（Time）、温度（Temperature）、湿度（Humidity）等属性，其中时间（Time）做主键，不能为空，E-R图见图3。

图3 温湿度实体及属性

1.3.2 红外检测存储表——RpiResult

红外检测实体具有日期（Date）、时间（Time）、状态（State）、地点（Place）等属性，其中时间（Time）做主键，不能为空。E-R图见图4。

图4 红外检测实体及属性

1.3.3 烟雾检测存储表——Mq2Result

烟雾检测实体具有日期（Date）、时间（Time）、状态（State）、地点（Place）等属性，其中时间（Time）做主键，不能为空。E-R图见图5。

图5 烟雾检测实体及属性

2 智能家居系统实现

2.1 继电器控制功能实现效果图

系统设计过程中，继电器对电器的功能主要通过模拟控制的方式实现，代替实物，按下控制按键，在当前UI界面显示电器的工作状态，比如单击“打开风扇”按键，UI界面显示出风扇转动图像，单击“关闭风扇”按键，风扇停止转动。同样，打开窗户功能，烧水功能也是采用模拟的方式实现，实现效果图如图6所示。

图6 继电器模拟实现电器控制

2.2 家居温湿度采集功能效果图

家庭温湿度采集功能主要使用DHT11温湿度传感器，该传感器具有超小体积、极低功耗的特点，适用于对精度和实时性要求不高的温湿度测量场合。在系统设计中，当温湿度大于设定值，UI界面显示温湿度的同时，将以模拟电器工作的方式，模拟打开风扇和打开窗户。当温湿度数据没有大于预设定的数值，UI界面进行显示即可，效果图如图7所示。

图7 采集温湿度效果图

2.3 烟雾检测功能效果图

烟雾检测功能，主要采用MQ2烟雾传感器实现，当检测到烟雾产生，UI界面显示着火信息，包括“警告Smoke、地点、时间”等信息，同时UI界面模拟电器工作，如风扇旋转、窗户打开，同时将信息保存在数据库“Mq2Result”表中，效果图如图8所示。

图8 检测到烟雾产生效果图

2.4 拍照摄像功能效果图

拍照摄像功能主要用来配合其他功能实现，比如检测到入侵、检测到烟雾，拍照摄像功能将打开，以供人员进行查看，拍照摄像功能主要提供了图像查看、图像捕获、图像保存、图像预览功能，人员可以时刻查看实时家庭情况，效果图如图9所示。

图9 捕获的图像预览保存

3 总结

本系统是基于嵌入式技术设计的智能家居系统，该系统的实现可以满足日常家居需求，使家居更加舒适、智能、安全。系统主要包括UI控制界面和模块功能两部分，主要实现了以下的功能，简单的控制功能，包括打开、关闭蜂鸣器和全彩LED；继电器控制功能，用于控制家庭部分电器的工作；人体红外探测功能，用于检测是否有人入侵；家庭温湿度检测功能；烟雾检测功能，用于检测是否发生火灾；家庭拍照摄像功能，用于用户实时查看家庭情况；数据存储功能。该系统所实现的功能并不是简单的单一功能，而是多个模块功能协同配合，满足用户的实际需求，如烟雾检测功能同时会配合报警功能、继电器控制功能和数据存储功能同时工作，既可以方便用户解决问题，也可以便于用户查看信息，该系统可以满足用户日常需求。