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基于树莓派的智能家居环境监控系统设计
Xinlong Wen1 ,Yunliang Wang1,2
1.School of Electrical and Electronic Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384 E-mail:18202666878@163.com
2. Tianjin Key Laboratory for Controlamp;Applications in Complicated Industry Systems Tianjin 300384
摘要:基于树莓派ARM Cortex-A53内核，B/S(浏览器/服务器)架构服务，ESH (智能家居)项目平台，无线网络技术的智能家居环境监控系统设计。该系统由智能家居控制器、EnOcean/Wi-Fi无线传感器控制网络、微型家庭电脑客户端组成。系统完成了智能家居控制器的硬件和软件设计；移植基于ARM平台的嵌入式Linux操作系统；配置无线Wi-Fi网卡驱动程序；完成了对EnOcean无线传感器控制网络的控制节点和终端节点的程序设计，开发数据通信协议;采用B/S架构设计客户端。测试结果表明，该传感器性能良好。网络中的节点可以将检测到的信息传输给控制器，智能家居客户端可以对其进行监控。通过智能家居控制器实现家居环境监控。
关键词:智能家居环境监控;智能家居控制器;EnOcean无线传感器控制网络;B / S架构;数据通信协议
- 简介
随着对高品质生活的不断探索，人们对生活环境的要求越来越趋向于更安全、舒适、自动化和智能[1]。当前的环境监测系统的研究分为两类:第一类包括一个分布式的基于CAN总线和RS-485总线的温度与湿度环境监测系统;第二个是无线类，包括GSM、ZigBee和蓝牙技术可穿戴智能环境参数采集系统。智能家居系统是指利用先进的计算机技术、网络通讯技术，智能控制无线传感器网络技术把各种家居设备有机地结合起来为人们提供高效的家居环境[2]。基于ARM Cortex-A53内核的树莓派，B/S架构和无线网络技术，这篇论文设计了智能家居环境监控系统，该系统由智能家居控制器、EnOcean/Wi-Fi无线传感器控制网络，智能家庭客户端组成，使用户可以连接到智能家用控制器与客户端PC等。该系统通过EnOcean和Wi-Fi无线网络实现了家居环境的实时工作状态查询，对达成智能家庭环境有一定的实际意义[3]。
1.智能家居系统总体工程
基于ARM架构的智能家居环境监测系统以智能家居控制器为核心搭建平台，EnOcean组件的无线传感器控制网络作为家庭网络，采用B/S架构设计智能家居客户端，如图1所示。该系统分为家庭内部网络和家庭外部网络。内部网是指无线传感器控制通过EnOcean协议建立网络。它控制着家电和家居环境节点到收集传感器节点。外网指Wi-Fi热点与因特网络，智能家居客户端与智能家居家庭控制器通过外部网络连接[4]。内部网络与外部网络之间由智能家居连接控制器与信息交换相连接。
1.1智能家居控制器功能设计
智能家居控制器是一个家庭内部网关，主要由EnOcean连接形成传感器控制网络、Internet网络、异构网络数据之间的转发和控制协议分析[5]。智能家居无线传感网络传感器收集的数据被传输到智能家居控制器，PC客户端通过IP地址和端口接入智能家居控制器，获取用户需要的家庭信息，或发送指令到通过控制器控制的无线网络中的设备和家电。智能家居设计的控制器包括以下模块:树莓派最小系统，触摸屏模块，EnOcean控制协议收发模块，因特网接入模块，数据存储模块。
图1 智能家居环境监控总体框图
1.2智能家居内网设计
家庭环境监控网络利用EnOcean来形成家中的传感器控制网络，适用于使用Wi-Fi热点或因特网的客户端来实现用户家庭环境的连接监控。EnOcean终端节点可配置常用的控制设备和传感器模块(如窗帘、人体红外传感器、温度传感器、湿度传感器、光传感器)、由基于EnOcean的无线传感器控制网络组成。
2.智能家居控制器硬件框图与软件设计
2.1智能家居控制器硬件电路图
智能家居控制器的硬件设计主要包括控制器系统的设计、电源模块电路、USB接口电路、闪存电路和LCD触摸屏电路。树莓派是一种基于ARM的微型计算机主板，自带SD/MicroSD卡，用于存储硬盘驱动器，卡主板周围有1/2/4的USB接口和一个10/100以太网接口，可以连接到键盘、鼠标和连接线，也有视频模拟信号电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上组件均为集成在一个略大于信用卡上主板，具备PC机的所有基本功能。只需要打开电视和键盘，它就能做到如编辑电子表格，文字处理，玩游戏，玩高清视频和许多其他功能[6]。树莓派内部集成的片上资源非常丰富，具体的硬件结构如图2所示。
图2 树莓派外围硬件结构
2.2智能家居控制器Linux操作系统移植
系统使用开源U-Boot作为boot引导加载程序。U-Boot在引导内核之前完成初始化并完成相关硬件加载并传递内核所需的参数通过相关的机制引导到内核。U-Boot源目录结构分为与芯片相关的代码目录和独立于芯片的代码目录，移植U-Boot需要在前者的代码（包含单板目录和CPU目录）中修改源文件。
2.3智能家居控制器驱动设计
USB无线网卡驱动程序从实际应用角度看，包括两部分:USB驱动和网卡驱动程序。这个设计使用了更新的内核Linux-3.4.2，已经包含了常用的无线网卡驱动程序;为了提高效率开发，选择TP-LINK的TL-WN721无线卡VID 0x148f, PID 0x3070，所以不必启动从头开始编写无线网卡驱动程序，只需要配置Linux内核，这样就可以了支持无线网卡。在配置内核之前，您需要配置开发环境以便物理机、主机和目标机分别为同一IP网段。使用开源无线网络配置工具wpa_supplant进行测试和配置无线网卡。
2.4 EnOcean采集器单元
EnOcean采集单元使用能量采集获得所需电能的技术。如图3所示，其组成主要包括采集模块、能量管理模块、传感器模块，微控制器模块，射频模块和无线模块。
图3 EnOcean采集单元结构
传感器模块转换的温度、湿度与室内环境中的光强成正比电信号，并输入采集到的电信号向微处理器发送信号。微处理器在无线模块过滤后采集数据发送到路由器再最后传输到服务器。能量转换模块对采集到的数据进行转换环境能转化为电能，然后供给储存的能量通过能量传递给其他模块管理模块。图4是EnOcean能源采集单元的几种类型的物理图。
图4 几个EnOcean能量收集模块
3.智能家居无线传感器网络的设计
EnOcean网络架构由物理层、数据链路层、网络层和应用程序层。前三层是基于它的国际标准ISO/IEC 14543-3-10，应用层由EnOcean Open开发联盟[7]开发。
ISO/IEC 14543-3-101标准定义：
（1）物理层：使用315MHz或868.3MHz无线电频带，ASK调制方法有效传输速率为125Kbit/s，标准通讯距离为室内30m，室外30m300[7]。
（2）数据链路层：负责管理子消息时间机制和数据完整性测试。为了保证传输的可靠性，发送将使用“预监控”机制，除此之外每条消息将基于一个特定的时间算法发送3次[7]。
（3）网络层：负责数据包转换，数据包转发和潜在的数据包定位[7]。
每个EnOcean设备都有一个独特的32位硬件通信时用于识别设备的地址。EnOcean通信模块使用EnOcean的一体化模块TCM310，带双向TCM310有串口和射频通信接口通信接口，无线通信使用的频率为868MHz。在TCM310内部集成时钟模块、天线模块和收音机频率SOC芯片EO3000I。EO3000I是一个基于16MHz 8051内核的低功耗射频SOC，拥有315/868MHz RF 传输器和32KB闪存，内部有2KB RAM，带有10位精确的AD和8位精确DA接口。EO3000I非常低功耗和在睡眠模式只有0.2mu;A。
TI的WiFi使用的WiFi通信模块嵌入式芯片CC3000，用于为电子设备提供因特网链接功能，本芯片包含一个完成TCP/IP协议栈和WiFi驱动程序支持标准套接字编程，带有IEEE802.11b / g无线网卡功能。在IEEE802.11b / g工作模式，传输功耗190毫安，接收功率消耗92毫安。
4. B / S架构系统软件设计
4.1服务器的建立
B/S架构的服务器有很多种，系统选择了Tomcat服务器。Tomcat服务器是由Apache开源组织和维护开发的，支持JSP和Servlet的开发使用。通过集成Myeclipse Tomcat，您可以调试由Myeclipse发布的WEB项目，直接将项目部署到服务器上。至此，服务器的B/S架构建立成功。
4.2动态网站开发
本设计基于JSP (Java Server Pages)技术。在Web服务器、应用服务器、交易系统和开发工具供应商的广泛支持和合作下，Sun微型系统集成了支持Java编程环境的现有技术和工具，从而产生了一个新的、基于开发的Web应用程序技术[8]。
4.3 B/S架构的动态网站操作机制
设计B/S架构的环境监测系统流程，首先要了解B/S架构的运行机制，B/S架构操作机理见图5[8]。
本系统采用SQLite数据库进行数据存储，前台使用JSP进行数据显示，脚本语言使用Jquery进行页面布局操作，后台程序采用轻量级框架Jfinal设计。
5.智能家居环境监控系统测试
5.1监控页面
如图6所示，采用B/S架构设计的软件系统将采集到的温度、湿度、光照强度数据显示在浏览器上。
B/S三层架构采用三层客户/服务器结构。它添加了一层数据管理和用户界面层结构，称为中间件，将整个体系结构分为三层。三层结构是伴随着中间件技术的成熟而兴起的。其核心概念是利用中间件将应用程序分为表示层、业务逻辑层和数据存储层三个不同的处理层。这三个层次的划分是逻辑划分，具体的物理划分可以有多种组合。中间件作为构建三层应用系统的基础平台，主要负责客户端与服务器、服务器与服务器之间的连接与通信。
图5 B / S架构的运行机制
在火狐浏览器地址栏中输入地址:localhost: 8080/SmartHome/，即可进入环境监控界面。环境监测界面分为标题上方、实时数据列表左侧和实时数据曲线右侧三个部分。
图6 监控界面
为了使采集到的数据更加准确，本系统设计采用了多点采集的方式，在三个地方分别安装了湿度传感器和湿度传感器，在三个地方安装了光强传感器。温度传感器和湿度传感器分别安装在左窗、右窗和门上，光线传感器安装在右窗上。传感器采集到的数据实时显示在左侧的数据列表中。图7为实时数据曲线图，默认初始显示为右侧窗口温度实时数据。轴的横轴表示时间，纵轴表示数据类型值。
图7实时数据图
5.2监控数据显示
这里我们以窗口右侧收集数据为例。在实时数据图中，横轴为时间，纵轴为采集到的数据值，虚线为平均值。水平轴的时间轴随当前时间值向右移动，并实时更新。图8为右侧窗口温度实时数据曲线。
图8右侧窗口显示的实时数据曲线
图9为右侧窗口湿度实时数据曲线。
图9 窗口右侧实时数据湿度图
图10为右侧窗口灯光实时数据曲线
图10 右侧窗口光照实时数据曲线
6.结论
本文设计并完成了一个基于EnOcean技术的智能家居环境监控系统。该系统采用自供能EnOcean无线采集单元对室内温度、湿度、光照强度等数据进行采集，并发送给智能家居控制器，再由控制器通过WiFi与服务器通信，最后通过PC在浏览器中实时监控显示。本系统软件部分采用B/S架构，并使用Tomcat服务器和经典的MVC模型进行整体设计。
与传统的环境监控系统相比，该系统具有以下优点:系统完善，温度、湿度和光照数据实时采集。其次，系统直观，操作简单，布线少，维护和改造方便，节约资源和能源。最后，根据实际应用需求，本系统采用了web浏览器和EnOcean无线采集模块，提高了系统的智能化程度，增强了系统的实用性。它有非常广泛的应用。
参考文献
[1] Hongyu Xu,Wu Cheng,Bo Zhang. 基于ARM和Android的智能家居控制系统设计[J].微型计算机及其应用，2017,36:29-32.
[2] Yun Deng,Chaoqing Li. 基于物联网的智能家居无线无线监控系统设计[J].计算机应用，2017,37:159-165.
[3] Jianjun S
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