基于樹莓派的物聯網應用

南京大學計算機科學與技術系 劉繼元

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基于樹莓派的物聯網應用

南京大學計算機科學與技術系 劉繼元

【摘要】隨著社會經濟的發展，互聯網也已經接入了千家萬戶，物聯網概念逐漸興起。文章主要討論了通過樹莓派實現的物聯網的應用場景如家庭、企業和社會組織等，也討論了物聯網發展面臨的挑戰與可行的解決方案。

【關鍵詞】樹莓派；物聯網；智能家居

互聯網是當今信息社會信息傳播的主要載體，隨著互聯網對社會的影響日漸加深，把現實中的實物接入互聯網，使其信息化的想法便自然而然的誕生了。人們通過電子標簽將真實的物體接入網絡，這樣就能通過網絡統一地對設備進行集中管理、控制，最終對收集來大數據進行分析處理，更能使許多重大改變成為可能，如更精準的局部天氣預測、犯罪防治和疾病監控等。市面上有很多廉價易得的設備可以實現物聯網的需求，而且實現起來非常簡便，如 Arduino、樹莓派等。本文主要介紹的是基于樹莓派所實現的物聯網。

1　樹莓派簡介與應用優勢

樹莓派（英語：Raspberry Pi）是英國的樹莓派基金會開發的小型電腦，其最初目的是為學校的計算機教育提供廉價的設備，但是因為它便宜的價格，信用卡般的大小和強大的性能，迅速被極客所看中，在其基礎上搭建了各種平臺以實現他們的創意。對于物聯網應用，樹莓派的優勢可以分為兩大方面：硬件方面和軟件方面。

1.1硬件優勢

樹莓派目前已發展到第三代，因此在這里用最新的樹莓派3的B版來介紹樹莓派的硬件優勢。眾所周知，硬件設備是一切的基礎，一切創意均無法脫離硬件來實現。而樹莓派設計之初是作為一臺變成用個人電腦所設計的，所以有相當強大的性能。樹莓派3的CPU 為1.2GHz的64位4核的ARM Cortex-A53，相比于第一代樹莓派性能提升了十倍，而其他的物聯網設備一般鮮有搭載主頻超過600MHz 的CPU。強大的處理器性能使得樹莓派具有更強的數據處理能力，能夠流暢地執行的多線程任務，從而滿足用戶的多種需求。樹莓派提供100M網口和4個USB 2.0接口，使其能夠輕松地接入數據網絡，而第三代樹莓派更是集成了Wi-Fi芯片和藍牙芯片，這更為樹莓派接入無線網絡，搭建物聯網提供了便利。作為一個物聯網設備，其還提供了大量的GPIO針腳和SPI總線用于連接各式傳感器和電機等并對其進行編程，提供了攝像頭和TFT顯示器接口，有HDMI視頻接口和3.5英寸音頻接口等，不一而足。此外，還有很多商家推出了擴展板為其提供更加豐富的功能。綜上所述，樹莓派擁有著非常強勁的性能和多種多樣的接口，而其價格并不昂貴，所以完全能夠勝任物聯網硬件平臺這一任務。

1.2軟件優勢

任何平臺的勝出都脫離不開軟件的支持，而樹莓派最大的優勢正是軟件上的 。到目前為止樹莓派社區中發布的操作系統版本已經達到幾十種，包括Fedora，Ubuntu Mate，Windows IoT等，而作為其官方默認推薦的操作系統 Raspbian 是開源Linux操作系統的發行版Debian的分支，其軟件庫里的軟件包數量已經超過了35萬，已經形成了一個生態系統。這其中自然包括對Python、Java、C等廣泛應用的語言的支持，這無疑為后續的物聯網軟件開發提供了便利。

2　基于樹莓派的物聯網應用場景

任何物聯網的應用都是需要與具體的場景相結合的，不同的應用場景可能需要不同的物聯網接入方式，而樹莓派作為一個簡易通用的物聯網接入，更適合那些小型的應用場景，例如家庭、企業研發展示和社會組織等。

2.1家庭應用

目前而言，大公司所生產的智能家居設備大多價格昂貴而且功能相對簡陋，而基于樹莓派所自定義的智能家居在這種情況下便成為了可行的替代。

家庭的物聯網首先可以應用于室內環境的監控，室內環境的監控自然包括可以安裝攝像頭進行視頻監控，例如安裝了攝像頭和開源軟件motion之后，樹莓派可以錄制監控畫面的變化，motion提供事件腳本允許用戶自定義發現畫面時的動作，這樣這些異常就可以通過郵件、軟件推送等形式通知業主，從而達到防盜的目的。室內環境監控也包括亮度、溫度、濕度、空氣質量傳感器獲得的數據等，這些數據將用于接下來的智能家居的自動化控制。例如，可以通過溫度傳感器獲得的家庭的溫度來判斷是否需要開啟空調，同理也可以監測濕度控制加濕器，監測空氣質量來啟動空氣凈化器等，在其基礎上，更可以結合上面提到的視頻監控，從而達到有人的時候才開始工作的節能這一目標。

基于樹莓派的自定義家居更能滿足個性化需求。筆者曾基于樹莓派搭建了一個家用小車型機器人，可以跟著使用手機等無線設備的人移動，提供更好的Wi-Fi信號。大致的構造是將樹莓派置于一個四電機小車上，小車的電機由L298N電機驅動板驅動，樹莓派的GPIO對驅動板進行控制。因為使用的是樹莓派二代，所以需要額外的無線網卡，然后通過無線網卡完成家里無線寬帶的橋接。在這之后就可以編寫程序，識別接入這個小車AP的無線信號的強弱，根據信號強弱自主移動，實現信號的最優化。之后還加裝了紅外傳感器用于避障，攝像頭用于遠程監控，這樣就打造了一個簡易的小車機器人。

2.2企業應用

在物聯網時代，線上與線下相結合成為了企業需要認真考慮的重要問題。樹莓派可以幫助企業打造新型的產品，作為一個小型的可接入網絡的硬件實體，為線上與線下相結合提供了可能，憑借其靈活性和可擴展性成為物聯網產品研發的助力。通過樹莓派，企業可以容易地驗證設計方案，便捷地做出試驗作品，這使得產品在研發階段的時間成本大大地降低了 。

對于不生產物聯網設備的企業，同樣也可作為企業展示的一部分使用。樹莓派擁有體積小易于布置的特點，可以為企業搭建可以移動的展示平臺。例如汽車經銷商在車展上可以通過樹莓派所搭建的系統來追蹤試乘試駕車，記錄行車參數，同時為試駕人員進行語音通知提醒、車輛介紹等，每個樹莓派接入互聯網之后有自己唯一的IPv6地址用以區分，而樹莓派發回來的信息只需要一臺筆記本電腦就可以進行統合。在一臺車輛出售后，這些樹莓派也可以簡單地移動到另一臺車輛上繼續服務。

2.3社會組織應用

教育組織自然可以利用樹莓派進行相關的計算機科學普及教育活動，這是樹莓派的本業就不再贅述了。此外，樹莓派還可以被環境保護組織用于環境的監控，并通過這些小型氣象站獲得的信息更精確的進行天氣預測，目前也有很多關于用樹莓派搭建氣象站的相關文獻。

樹莓派也可以被社會福利機構所用于社區服務，例如現在隨著社會的老齡化，空巢老人已經成為了一個急需解決的社會熱點問題，當獨居老人發生意外，社區很難及時發現，因此社區需要一個對空巢老人的護理方案。樹莓派是這一問題的一種可行的解決方案，樹莓派可以作為一個護理者進駐老人家中，將老人的住所接入互聯網，通過語音識別和視頻圖像分析實時守護老人。在平時老人可以與樹莓派進行語音交互，老人通過語音想樹莓派發出指示，樹莓派幫助老人管理老人不擅長操作的高科技電子產品，而當老人出現意外時，樹莓派可以通過圖像識別及時發現異常狀態，并通知到社區中心，使得老人獲得及時的救助 。

3　物聯網面臨的挑戰和可能的解決方案

物聯網作為一個發展中的事物，尚有很多亟待改善的地方。在筆者看來，物聯網目前主要有下面三個方面的問題：可靠性問題、安全問題以及標準不統一問題。

3.1可靠性問題

可靠性是物聯網需要解決的重要問題，不解決可靠性問題，物聯網設備永遠無法被市場所認可。對于個人電腦上軟件的不穩定性，因為沒有直接的損失人們大可以一笑置之，而物聯網設備則有所不同，物聯網與將實物接入了網絡，所以一旦發生問題可能會即時地影響人們周圍的環境，例如曾經多次發生過Nest讓家里變成冰窖的事故。Nest是美國的一款智能恒溫器，能夠自動學習人們設定溫度的習慣從而代替人們來調溫度，然而這款產品曾多次出現故障導致錯誤的溫度調整，發生一覺醒來房間變成冰窖或者變成火爐的事故 。智能家居看起來很美好，但是容錯率極低，非常小的失敗就足以摧毀人們的使用信心 。

物聯網設備的可靠性應該向交通工具看齊，并且全部依靠程序自己解決是十分危險的，故需要能夠便捷切換到備用手動解決方案。前文所提到的Nest恒溫器為了外觀設計上的流暢美觀減少了實體按鈕，所以導致解決問題會變得繁瑣，為了重啟Nest需要九步操作。如果一個智能設備的故障率高于其他同類非智能設備，解決故障的難度又高于非智能同類設備，那這款智能家具還不應該投入市場。現階段而言，智能設備的故障率想要低于同類非智能設備還很難做到，但是至少應該讓人能夠便捷地接管失控的設備，即可以作為同類的非智能設備使用，以恒溫器為例的話就是應該要做到能夠手動調節開關、溫度、風速等而不會被程序自動更改。

3.2安全性問題

人們能通過物聯網獲取更多的信息，然而這些信息的失竊必然會帶來極大損失。黑客可能通過物聯網設備來獲取地理位置，監控視頻資料等隱私信息，甚至可能侵入設備，最終造成無法預料的損失，所以網絡安全也是物聯網發展的重中之重。

目前的物聯網設備管理過于分散，各個廠家的設備均要直接接入互聯網，終歸有質量差強人意易被攻破的，所以筆者認為安全問題的一個基本解決思路就是將物聯網設備統合之后在本地進行管理，盡量減少不必要的互聯網接入。如果需要互聯網接入也應該由本地的控制中心統一接入的，從而將分散的安全問題集中起來，只需要加強接入網絡的控制中心的安全防御即可。因此，筆者認為使用路由器充當智能家居的控制中心是一個很好的選擇，路由器是所有智能設備網絡的核心，智能路由器近幾年也在逐漸發展，所以這一解決方案有很強的可行性。但目前智能路由器仍不具備較強的實用性，可以暫時將控制中心同互聯網分離開來，由路由器充當第一層防火墻，而其他設備如樹莓派在路由器后充當控制中心，在其上增加完善的安全防御措施，并統合管理其他物聯網設備。

3.3標準不統一問題

標準不統一是指當前物聯網設備接入網絡的方式各不相同，設備標記方法也不同，進行通信的方式更是千差萬別，這無疑為物聯網設備的統一控制增加了難度，從而降低了系統整體的安全性和可維護性。對于標記方法，通過IPv6地址對物聯網設備進行統一編制是一個很好的選擇，IPv6技術正在慢慢普及，其地址的數量足夠為所有物聯網設備分配唯一的地址。而對于通信標準這一點，雖然已經有一些組織和公司發布了自己的協議，但是大多是自說自話，得到相對廣泛應用的也只有ZigBee這些網絡層協議，所以只能寄希望于權威組織能夠早日發布應用層的協議標準，解決目前的各個廠家各自為戰的混亂局面，為用戶減輕管理負擔。

4　總結

本文對基于樹莓派的物聯應用場景進行了論述并簡要的分析了當前物聯網所面臨的挑戰與可能的解決方案。根據分析，基于樹莓派的物聯網可以適應多種應用場景，能夠滿足用戶個性化的物聯網需求。而對于物聯網的前景，其雖面領諸多挑戰，但是可以預見這些是能夠預防或者解決。相信在將來物聯網一定會得到普及，推動社會信息化，提高社會生產力。

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劉繼元（1995—），男，遼寧沈陽人，南京大學計算機科學與技術系大學本科在讀，研究方向：計算機工程。

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