基于樹莓派和Ardunio的WiFi遠程控制 智能家居系統設計

李澤山 郭改枝

摘要：文中以樹莓派（Raspberry Pi）、Ardunio作為主控核心，以語音信號和智能手機作為客戶端，設計一款WiFi遠程控制智能家居系統。系統中，Raspberry Pi充當服務器端的角色，由C、Python語言構建;手機客戶端則采用Java、C++語言編寫，并詳細介紹智能家居的環境搭建及應用測試，最終通過WiFi實現語音和手機APP對智能家居的遠程控制。

關鍵詞：智能家居系統;遠程控制;環境搭建;應用測試;服務器端;客戶端

中圖分類號：TN915-34：TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019）24-0167-05

從計算機的發明到互聯網的普及，信息化技術已經徹底改變了人們的日常生活，它所創造的價值已經不可估量，而如今的物聯網（Internet of Things，IOT）和人工智能則很有可能成為互聯網的下一幕，并且它離人們越來越近，正在以星星之火之勢滲透到生活的各個方面。而隨著智能家居的普及和發展，使用智能家居產品則成為了生活的主流。但是，當今市場上主要采用ZigBee來實現智能家居的功能控制，ZigBee不僅安裝復雜，成本高，而且不能連接用戶的手機來進行遠程控制。WiFi控制則有效地避免了這些問題，它具有速度快，不需要網橋就可以接人到互聯網的特性，并且可以通過將各種通信終端以無線方式互相連接，形成網絡，與手機進行通信。在現如今智能手機飛速發展的時代，以WiFi來遠程控制智能家居已經成為研究設計的重要方向。本文基于Raspberry Pi和Ardunio的WiFi無線終端系統，實現在WiFi信號熱點[1-2]區域，以語音、手機APP對智能家居進行遠程控制。該設計將WiFi技術與智能交互相結合開發出具備無線通信的各種智能系統[3-4]。

1 系統總體框架設計

本文系統的整體框架如圖1所示。該系統選用Raspberry Pi，Ardunio為核心，各種家居設備以模塊化的形式進行統一管理。Raspberry Pi通過Ardunio控制各種家居所對應的驅動設備，該系統中的Raspberry Pi又起到服務器端的作用，一方面用來接收語音控制信號，將其上傳到百度云平臺進行分析，并將分析結果返回播放，進而通過Ardunio來控制各種家居設備;另一方面用來接收Android手機客戶端發送的控制指令，并且根據不同的指令來改變相對應的家居設備。服務器端和客戶端之間采用SSH進行數據通信。

另外，為了克服內網與外網之間IP設備無法直接互相傳輸數據的問題，本文引入了具有外網IP的路由器作為橋梁，起內外網之間訪問的通道。首先，手機客戶端訪問具有外網IP的路由器通過某個固定端口，然后在路由器的配置管理頁面設置端口轉發，將固定端口的數據轉發到Raspberry Pi。所以，手機客戶端去訪問路由器，路由器再將端口的數據包發給Raspberry Pi，從而完成了Android手機客戶端到Raspberry Pi服務器端的數據傳輸。

2 WiFi無線終端系統設計與系統軟件平臺

2.1 系統設計

基于Raspberry Pi，Ardunio的WiFi無線終端系統的開發可分為三部分，分別是搭建硬件平臺、軟件開發平臺和設計上層應用程序。

在硬件設計中，要設計各個模塊，包括元器件型號的選擇，電路原理圖的設計，硬件電路正確性的檢測。本系統的WiFi終端硬件部分的核心是嵌入式技術，結合實驗設備相關資源和功能開發的需要，選擇具有64位哈佛結構[5]的一款基于Broadcom BCM2837內核的Cortex A53微處理器和AVR處理器，并且搭建所需要的外部設備，構建系統的硬件開發平臺，利用該硬件平臺所提供的資源模塊，開發出系統所需要的功能。ESP8266 WiFi shield模塊[6]與Cortex A53，AVR處理器連接，選用USB無線網卡、TL-WN823N構建無線局域網;人機交互模塊采用語音信號或者手機與微處理器通過組網互聯;電源模塊采用鋰電池模塊進行獨立供電。

在軟件設計部分中，又可劃分為搭建軟件開發平臺和設計上層應用程序兩個模塊。搭建軟件開發平臺要選擇所需要的操作系統（Linux操作系統），對BCM2837內核根據Linux系統的開發要求做相應的配置，包括支持無線網絡連接，語音的識別、上傳、解析，指令控制等操作;上層應用程序開發是本系統的核心部分，設計開發基于Qt[7]的電源管理客戶端程序和網絡配置界面客戶端程序，從而實現連接無線網絡和降低功耗的功能。最后，各模塊進行集成調試，將Linux操作系統移植到硬件開發平臺上，保證整個系統能夠正確運轉，以及智能控制家電功能的實現。系統總體開發的流程圖見圖2。

2.2 系統軟件環境搭建

2.2.1 樹莓派環境的搭建

Raspberry Pi運行于Linux操作系統下，RaspberryPi沒有固態硬盤，所采用的是SD卡。只需要從Rasp-berrv Pi官網下載最新鏡像，通過一張燒寫Linux鏡像的TF卡即可啟動Raspberry Pi。使用secure RT登錄Linux系統界面如圖3所示。

接下來要做的是Raspberry Pi的遠程訪問。對于遠程訪問，可以使用兩個工具：VNC[8]和XSHELLc9]，如圖4所示。VNC的特點是不僅可以遠程操作，還可以把Raspberry Pi的桌面窗口映射到本地;而XSHELL更為輕便，只提供一個控制終端，應用底層SSH協議，就可以在里面輸入命令實現相應控制。

2.2.2 Ardunio環境的搭建

Ardunio相比于51單片機的區別在于，它對底層寄存器的配置進行了封裝，提供了非常易用的函數接口以及大量的庫。更重要的是Ardunio是開源的，可以清楚地查看底層代碼，便于進行學習和研究。Ardunio的開發是基于C語言和C++語言，C語言主要是用于開發上層的模塊，下層的庫大部分是基于C++開發的。對于環境搭建較為簡單，到官網下載Arduino的IDE，下載后打開IDE配置下載器、端口號和板子類型。圖5是Arduin-oIDE的下載配置界面。

3 WiFi技術應用

3.1 WiFi技術中智能家居網關

與傳統智能家居系統所采用的有線布網方式相比，WiFi技術的應用能夠減少布線的麻煩，具有更好的移動性與可拓展性。圖6是WiFi在智能家居中組網的示意圖。該圖主要包括智能家居網關以及若干個無線通信子節點。在智能家居網關上有無線發射模塊，每個子節點上都含有一個無線網絡接收模塊，通過這些無線收發模塊，數據就能在網絡之間進行傳送。其中，WiFi智能家居網關就是室內機，是家庭中一個智能化樞紐，通過智能家居網關上的無線射頻模塊與各子節點進行通信，實現家居的控制;通過Web網絡來控制智能家居網關，從而實現對家居的遠程控制。智能家居網關作為智能家居的核心設備，起到整個智能家居網絡的管理和協調的作用，同時還要處理多媒體數字音頻，視頻的解碼、不同通信協議之間的轉換，通過它實現系統信息的采集、輸入、輸出、遠程控制、聯動控制等功能。智能家居網關可以充當機頂盒使用，內容方面與愛奇藝合作，也配有基于安卓的智能系統，可以安裝其他軟件進行使用。同時，適配智能插座、溫濕度感應、燃氣報警、智能監控、智能門鈴等智能電器，實現物聯全家智能設備并統一由手機遠程管控。

3.2 智能語音控制

在系統硬件設計中，以Raspberry Pi和Arduino為核心處理器。Raspberry Pi主要負責語音數據的錄入、上傳、下載;Arduino主要負責接收Raspberry Pi通過串口、網絡傳來的指令，根據相應的指令做出相應的動作。設計過程為：

1）開啟錄音，用戶下達語音指令，然后判斷聲音是否超過錄音閾值，如果沒有超過閾值，則返回錄音繼續判斷;如果超過錄音閾值，則開始錄音保存。

2） Raspberry Pi通過HTTP協議將錄音上傳云端，進行解析，判斷結果是普通指令還是對話，如果是普通指令，則指令傳遞給Arduino，進而控制各類家居;如果是對話指令，則把對話傳遞到圖靈云端進行語義解析，進而播放相應的對話語音。智能語音控制的具體軟件流程如圖7所示。

3.3 手機遠程控制及其應用程序

3.3.1 遠程控制實現過程

IOT終端設備初次配置時，相應的設備會通過串口轉WiFi模塊自動組建一個WiFi網絡，從而將服務器配置信息和AP寫入到終端設備，完成遠程設備的登錄。當用戶加入到該WiFi網絡后，會讀取終端設備的信息，獲取到相應MAC地址[10]、IP地址、端口號等信息，進行系統的初始化。配置信息的寫入可通過Smart-config或者手動方式，配置好對應AP信息、工作模式和服務器信息后。終端設備的信息將通過互聯網注冊到服務器上，從而實現終端設備連接到互聯網服務器上。IOT終端設備配置流程圖如圖8所示。

在手機端遠程控制方面，本設計選擇Android手機作為實驗平臺通過RPi-Automation和Raspberry Pi Com-mand手機端APP，實現手機端對樹莓派GPIO電平的控制，并且能夠實現一鍵發送預先設置好的指令，來完成負責的操作任務;而且APP具有可編程性，根據需求來修改指令，滿足人們的各種需求。通過智能手機端可以遠程控制電燈的亮滅、水壺燒水、空調的開啟和關閉、窗簾的拉開和關上.從而方便使用者的生活，節約了大量時間，使生活更加智能化。

3.3.2 遠程控制應用

1）燈光模塊與電水壺模塊。開關相當于對Rasp-berry Pi輸入信號，所以要使用GPIO的輸入功能，即將Ardunio的GPI0 3與繼電器S管腳相連，與此同時，將繼電器COM接線口與開關的一端相連，NC接線口與開關的另一端相連。在中斷方式下編寫Python程序。使用時，運行LEDl.py，即可控制燈的亮滅;而電水壺模塊的設計是利用GPIO接口來控制電水壺的開啟和關閉。當GPIO接口設置為低電平時，則不會執行燒水功能;當GPIO接口設置為高電平時，電水壺開啟，內置電阻開始加熱，燒水功能開始執行。利用DS18820 T0-92來檢測溫度，當溫度達到100℃時，GPIO接口自動切換為低電平，電水壺自動關閉，燒水功能停止，保溫功能自動打開，并開啟報警功能，提醒用戶水已經燒開。兩個模塊接收到語音或手機端控制信號時，通過組網的形式，對各模塊進行對應控制，進而實現對其功能的控制。

2）空調模塊。紅外對管包括紅外線發射管和接收管。用戶通過Android手機發送打開、關閉或者設置相應溫度指令時，家庭中的Raspberry Pi接收到控制數據，將對應空調的紅外編碼數據調至38 kHz的載波上，然后通過紅外發射管將調好的信號發射。空調內部設置的紅外接收管根據接收到的語音或者Android手機發送的控制信號，解調出對應的控制指令，從而來設定空調的不同工作狀態。除上述列舉的控制模塊之外，還有很多能夠遠程控制的模塊，如窗簾模塊、風扇模塊、電視模塊等，原理上類似。

4 測試結果

基于Raspberry Pi和Ardunio的WiFi無線終端測試主要包括：人機交互模塊測試和無線局域網連接測試。人機交互模塊測試包括語音交互測試和Android手機觸屏點擊測試。語音控制時，啟動終端，利用端口掃描軟件掃描對應的端口，見圖9，然后打開XSHELL軟件，查看到正常交換的信息，見圖10;智能手機控制時，當家居與手機APP成功連接時，可以從智能手機的用戶界面看到人機交互的相應的信息，見圖11。

在無線局域網模塊連接測試時，首先需要將樹莓派、Ardunio、智能手機等終端放到WiFi熱點區域內，并且要獲取到該區域內WiFi熱點名稱和密碼。在WiFi模塊配置頁面輸入對應的名稱和密碼（名稱是mywhite，密碼是1234567890），見圖12。然后登錄，最后通過瀏覽器實現聯網。無線網絡配置成功界面見圖13。

5 結語

本文研究的WiFi智能遠程控制家居系統是一個物聯網和人工智能相結合的實例化，充分證明了語音交互控制和智能手機遠程控制在實際中的可行性。隨著無線網絡技術和語音技術的發展，通過組網的形式，實現家居的智能控制是未來家庭生活的發展趨勢，它將改變人類的生活方式，解放人類的肢體。

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作者簡介：李澤山（1994-），男，碩士研究生，研究方向為嵌入式及物聯網技術應用。

郭改枝（1968-），女，教授，碩士生導師，研究方向為嵌入式信息處理。