基于樹莓派的多功能智能家居系統

何靜如

摘 要：為了打造更舒適安全的家居環境，解決普通智能家居用品功能集成度低的問題，并降低購買成本，文中設計了一種以樹莓派作為控制終端，通過多種傳感器采集信息，實現集室內溫濕度調節、人臉識別門鎖、紅外感應夜燈、實時監控多種功能于一體的智能家居系統。該系統可對室內溫濕度進行調控，增大家居環境的安全系數，并滿足節能便利的生活需求。整個系統功能集成度高，成本低廉，具有一定的應用價值與市場前景。

關鍵詞：樹莓派；智能家居；多功能集成；室內溫濕度調節；人臉識別門鎖；紅外感應夜燈；實時監控

中圖分類號：TP273；TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

家居環境的安全性與人們的生活息息相關。在濕熱的環境下，人體的散熱功能受到抑制，易導致煩躁、中暑、精神紊亂；而干冷的環境易使人體的皮膚干燥，同時也會誘發呼吸系統病癥。此外，空氣濕度過大或過小時，都有利于一些細菌和病毒的繁殖和傳播。因此，保持室內合理的溫濕度尤為重要。

由于人的面部特征具有唯一性[1]，在傳統門鎖中加入人臉識別系統，并實時監控，可大大增加家居環境的安全系數并方便出行。另外，根據光線情況與是否有人，燈具可自動變換開關狀態，滿足了節能與便利的需求。

隨著物聯網技術的發展，各種智能家居設備應運而生，普通智能家居用品功能單一，集成度低。單獨購買智能家居用品往往花費較高，樹莓派作為一款基于ARM的微型電腦主板，具有成本低，可擴展性強等優點[2]，并擁有視頻模擬信號的輸出接口，若將其作為控制終端，可設計出集多種功能于一體的智能家居系統。

1 整體結構設計

系統以樹莓派作為控制終端，通過多種傳感器采集信息，采用相應的硬件連接與軟件支持，使用Python編程，可實現集室內溫濕度調節、人臉識別門鎖、紅外感應夜燈、實時監控等功能于一體的智能家居系統。各功能以及相關軟硬件示意如圖1所示。

（1）室內溫濕度調節：根據DHT11溫濕度傳感器測得室內溫濕度，加濕器與風扇自動開關；將插座與連接樹莓派的繼電器相連，可使用樹莓派控制插座上電器的開關狀態。

（2）人臉識別門鎖：當觸摸傳感器感應到有人觸碰時，500 W像素樹莓派攝像頭將拍攝照片，并啟動人臉識別功能，通過Face++云平臺實現人臉圖像的識別處理，根據人臉識別判斷的結果控制電磁鎖的開關。

（3）紅外感應夜燈：通過光敏傳感器與HC-SR501人體紅外傳感器感應信息，在天黑且有人的情況下，LED燈將自動打開。

（4）實時監控：利用Motion軟件通過局域網將攝像頭的實時監控情況呈現在Web網頁上。

系統主要由控制終端、感應單元、受控單元及云服務四個部分組成：控制終端為樹莓派；感應單元由各種傳感器組成；受控單元包括各種家具器件及繼電器；云服務主要指Face++云平臺。

感應單元將傳感器采集的信息數據傳遞給控制終端樹莓派，其中，部分信息直接在本地處理，部分信息上傳至云端，云端對圖像信息進行處理后，將結果返回給樹莓派。根據處理后的結果，樹莓派發出相應控制指令到受控單元，控制相連的各器件。系統整體的信息數據流向方式如圖2所示。

2 系統的設計與實現

2.1 控制核心

系統對數據傳輸能力要求較高，在視頻數據與圖像數據上需要保證流暢及穩定性，普通的單片微控制器[3]（如Arduino）難以實現?？紤]到成本與功能需求，該系統采用樹莓派Raspberry Pi 3b作為控制終端。

樹莓派Raspberry Pi 3bBroadcom BCM2837為片上系統，其運行頻率為1.2 GHz，擁有四核ARM處理器， 1 GB RAM存儲器，與40個GPIO引腳，CSI攝像頭接口，HDMI接口，4個USB 2.0端口，10/100以太網端口，RAC av端口，USB電源接口，DSI顯示連接器，搭載藍牙和WiFi模塊。

樹莓派的GPIO 引腳定義如圖3所示。GPIO引腳的編號方式有三種，分別為BCM編號方式（如圖3中BCM列所示）；BOARD編號方式（如圖3中Physical列所示）；wiringPi編號方式（如圖3中wPi列所示）。圖3中的Mode列為引腳的輸入/輸出狀態，可通過編程設定[4]。

2.2 室內溫濕度調節

根據DHT11溫濕度傳感器所測得的室內溫度與濕度數據，在樹莓派中對數據信息進行分析與處理。根據當前溫濕度情況，通過二路繼電器控制風扇或加濕器的打開與關閉。相關硬件連接如圖4所示。

加濕器采用額定電壓為DC 5 V、額定功率約2 W的小型加濕器；風扇采用供電電壓為DC 5 V、輸出電流為1 A、功率約3 W的小型風扇。小型加濕器與風扇可使用樹莓派供電。若考慮功率更大的加濕器或風扇，可將加濕器或風扇插在與樹莓派相連的插座上，通過220 V交流電源供電。

由于樹莓派的GPIO引腳在Output狀態默認為0，因此采用高電平觸發的5 V二路繼電器。樹莓派提供5 V電源引腳與繼電器的常開（No1、No2）觸點相連，在常態（不通電）下處于斷開狀態，風扇與加濕器處于關閉狀態。

DHT11溫濕度傳感器含有電阻式感濕元件與NTC測溫元件，可輸出經過校驗后的溫度與濕度數字信號[5]，適用于室內溫濕度的測量。其濕度測量范圍為20%～95%；溫度測量范圍為0～50℃。

利用DHT11溫濕度傳感器的檢測數據控制加濕器與風扇的開關狀態，每隔5 min判斷一次。由于人體適宜的濕度為45%～65%[6]，因此在濕度小于45%的情況下打開加濕器，濕度大于65%的情況下關閉加濕器；溫度大于27℃時風扇打開，溫度小于23℃時，風扇關閉。該功能實現的程序流程如圖5所示。endprint

2.3 人臉識別門鎖

實現人臉識別門鎖功能的硬件連接圖如圖6所示。通過220 V交流電壓轉12 V直流變壓器，將電壓轉換為12 V直流電磁鎖所需要的電壓。當需要被檢測時，觸碰觸摸傳感器，此時啟動樹莓派攝像頭拍照，根據人臉識別結果，通過樹莓派控制5 V繼電器來控制電磁鎖電流的通斷，即開鎖或關鎖。

觸摸傳感器是一個基于觸摸檢測IC（TTP223B）的電容式點動型觸摸開關模塊[7]。常態下，模塊輸出低電平；當有人觸摸相應位置時，輸出高電平。該模塊可安裝在非金屬材料如塑料、玻璃表面，也可將薄紙片等非金屬材料覆蓋在模塊表面，隱藏在墻壁等位置。

由于樹莓派的GPIO引腳在Output狀態默認為0，因此采用高電平觸發5 V繼電器，變壓器的V+與繼電器的常開（No）觸點相連，在常態（不通電）下處于斷開狀態，電磁鎖不通電，處于關鎖狀態。

人臉識別功能基于Face++云平臺，其API以Http請求的方式進行調用[8]，所使用的接口及其功能描述見表1所列。

首先判斷是否有人需要被檢測，當有人需要被檢測時，將在本地的人臉圖像及相關信息上傳至Face++云平臺，存入FaceSet中，建立人臉數據庫，再判斷拍攝的待識別圖像中是否有人臉。若有，則與FaceSet中的人臉圖像進行對比，當相似度大于80%時，則打開門鎖。程序流程如圖7所示，主要步驟（使用Python編程語言）如下：

（1）采用BOARD編號方式，GPIO2設置為Input狀態，GPIO29設置為Output狀態：

GPIO.setmode（GPIO.BOARD）

GPIO.setup（13，GPIO.In）

GPIO.setup（40，GPIO.Out）

（2）判斷是否有人需要被檢測，觸碰了觸摸傳感器。

while True：

if GPIO.Input（13）==True：

...

time.sleep（2）

（3）若有人需要被檢測，啟動攝像頭拍攝：

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

（4）創建人臉集合FaceSet

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

（5）將本地圖片上傳：

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）將本地圖片的FaceTocken存入FaceSet中上傳：

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

face_tokens= Picture.itervalues（））

（7）得到拍攝圖像的face_token：

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

（8）判斷是否檢測到了人臉：

if（len（customer_pic ["faces"]）==0）：

//未檢測到人臉，刪除

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

else：

//在 FaceSet 中尋找與所拍攝人臉最相似的，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%，則開鎖：

if judge > 80 ：

GPIO.Output（40， True）

time.Sleep（3）

GPIO.Output（40， False）

2.4 紅外感應夜燈

紅外感應夜燈的硬件組成為光敏傳感器與HC-SR501人體紅外傳感器。

光敏傳感器利用半導體的光電效應判斷光線強弱，隨著入射光線的增強，其電阻值減小，將光信號轉換為電信號[9]。當光線強度小于設定的閾值時，DO端輸出高電平；當光線強度大于設定的閾值時，DO端輸出低電平。

通過HC-SR501人體紅外傳感器可判斷是否有人。若人進入其感應范圍，則輸出高電平；若人離開感應范圍，則自動延時關閉高電平，輸出低電平。HC-SR501有以下兩種觸發方式[10]（可跳線選擇）：

（1）不可重復觸發方式（L）：在感應到有人輸出高電平后，不再進行感應判斷，延時時間結束后，輸出低電平；

（2）可重復觸發方式（H）：在感應到有人輸出高電平后，仍然進行感應判斷，以最后一次感應到有人的時間為延時的起始時間。endprint

這里采用可重復觸發方式（H）。

為了防止HC-SR501的針腳處于懸浮狀態，出現輸出電平狀態不穩定的情況，接入10 kΩ下拉電阻，使其處于明確的低電平狀態。硬件連接如圖8所示。

紅外感應夜燈在天黑且有人的情況下自動打開。功能實現的關鍵代碼（使用Python編程語言）如下：

light = 12 //LED燈與樹莓派相連的GPIO引腳編號

infrared = 25 //人體紅外傳感器與樹莓派相連的GPIO引腳編號

photosen = 16 //光敏傳感器與樹莓派相連的GPIO引腳編號

GPIO.setmode（GPIO.BCM） //采用BCM的編號方式

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） //天黑且有人的情況下，開啟燈30 s

else：

GPIO.Output（light，GPIO.LOW） //否則，關燈

time.sleep（5）

2.5 實時監控

攝像頭與樹莓派的CSI攝像頭接口通過15芯的排線連接，利用Motion軟件，通過局域網實現實時監控。

（1）在終端中使用如下命令安裝Motion軟件：

sudo apt-get install motion

（2）配置motion daemon守護進程，使其在后臺運行：

sudo nano/etc/default/motion

start_motion_deamon=yes

（3）修改motion的配置文件，將deamon off 改成 on，設置分辨率，關閉localhost的限制：

sudo vim /etc/motion/motion.conf

deamon on

width 800

height 600

webcam_localhost off

（4）運行motion：

sudo motion

（5）查看樹莓派IP地址：

ifconfig

（6）在同一局域網下，訪問樹莓派IP的8081端口，即可獲取實時監控的視頻數據：

http：//[Raspberry Pi IP]：8081

3 結 語

本文介紹了通過樹莓派實現多功能智能家居系統的可行性，設計了各功能的硬件連接圖與軟件實現方案。以樹莓派作為控制終端，可實現室內溫濕度調節、通過人臉識別開閉門鎖、紅外感應夜燈、實時監控。對各項功能進行實驗與操作，已全部達到預期效果。系統功能集成度較高，設計易于搭建，相關硬件成本低廉，具有廣闊的應用市場與發展前景。

參考文獻

[1] 邱麗華.人臉信息認證系統基于設計模式的設計與實現[D].武漢：華中科技大學， 2008.

[2] Rushi Gajjar.樹莓派+傳感器：創建智能交互項目的實用方法、工具及最佳實踐[M]. 胡訓強，張欣景，譯.北京：機械工業出版社，2016.

[3] 張毅剛，劉旺，鄧立寶.單片機原理及接口技術[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[4] Alex Bradbury， Ben Everard.樹莓派Python編程指南[M].王文峰，譯.北京：機械工業出版社，2015.

[5] Tero Karvinen，Kimmo Karvinen，Ville Valtokari.傳感器實戰全攻略[M].于欣龍，李澤，譯.北京：人民郵電出版社，2016.

[6]眭晉華，史紅梅，眭廣瑞.空氣濕度及其影響[J].山西科技，2011，26（3）：143-144.

[7]來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

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

[9]王琦，阮淑云.光敏電阻傳感器的特性研究[J].都市家教（上半月），2014（6）：188.

[10]李萌.智能樓道照明節電控制系統的設計[J].電子制作，2014（10X）：49-50.endprint