基于树莓派的智能家居控制系统设计论文参考指南

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目录

论文简述

摘要

随着科技的进步，人们生活水平的也在不断变好，人们对居住环境的要求也不再局限于传统的居住方式，而是越来越多地朝着智能家居的方向发展进行选择。智能家居系统不仅可以让人们更好的享受到生活中，还大大的增强了家居的安全性，更好的保护了用户的人身安全和财产安全。因此本毕设以树莓派作为主要开发平台，并采用Linux操作系统，设计了一款智能家居控制系统。

首先，根据毕设任务要求以及我国现行的能家居行业标准，对该系统的整体设计和有关的功能进行了方案选择。在此基础上，根据各功能的需求进行了软硬件的设计与开发，并在最后进行验证和测试。
在系统中树莓派对云平台的访问选择了HTTPS协议，而树莓派与手机的通信则选用了TCP协议。在系统的硬件设计中，选择了LD3320语音识别模块、433M射频收发模块、OV5647摄像头模块、Risym火焰传感器、HC-SR501人体红外感应传感器、SW-18010P高灵敏震动传感器、DHT11温湿度传感器、有源低电平触发式蜂鸣器、ST027风扇模块、LY-03小型电磁锁、继电器组、LED灯珠等器件。在软件开发中分别选用了Visual Studio Code、Keil uVision5、Eclipse进行树莓派程序开发、语音识别程序开发和手机APP安卓开发。
最后，进行了系统功能测试。分别提供语音、遥控、手机APP对家居系统进行了控制，所有控制指令均得到了实现。对火灾报警、震动报警、人体感应报警进行了测试，均做出了正确的报警处理，并在手机APP上进行了视频监控画面的正常显示和家居状态的实时显示。

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题背景

科学技术的进步，使得人民的生活质量得到了很大的改善。人们在购买和使用家电时，也从单一的功能选择，逐渐向着更加智能化的方向进行选择。信息与网络技术的发展，使得智能家居成为了现实。通过信息技术与家用电器控制相结合，将现代家居变得更加信息化、智能化，可以让人们更好的去享受生活。随着家庭信息化进程的加快，远程监控和智能家居已经成为一种可以提高人们生活水平的方式。
实际上，在发达国家，人们已经实现了智能住房。就拿美国、德国、新加坡、英国、日本等国家来说，其技术都已经很成熟。1998年，新加坡举行了家用电器国际博览会，以现场模拟的方式，向大家介绍了“智能家居”。该系统具备有线电视、视频监控心、可视通话、家电控制、安防报警等智能家居的控制功能[1]。
采用智能家庭管理系统，可实现对家庭的更多智能控制，使家务变得更快捷、更便捷。另外，该系统还具有健康、舒适的居住条件，通过对传感器的设置，还可以实现对室内的湿度、亮度、温度的监控，并对空调、窗帘、照明等进行控制，使居住环境更适合于居住。除此之外，各种安全感应器的应用，使人们能够更好地对突发事件进行及时的检测和处置。当家居拥有互联网接入后，家居的远程监测将会变得更强大，让使用者有一种从未有过的安全感，可以安心的工作和生活，改善使用者的生活品质。
从人们对生活的便捷性、安全性、舒适性等方面的需要出发，结合智能住宅技术的发展趋势，未来的智能住宅将呈现如下特征：
(1)将采用功耗更低、功能更强的微控制器，并利用嵌入式操作系统平台，将其打造成一个集安防、家电控制、数字家居于一体的智能家居；
(2)通信系统将逐渐向多网融合，安全、门禁、抄表等方面逐渐实现以太网互联。多网融合能够降低网络建设和维护工作的复杂性，提高网络的可靠性；
(3)从有线到无线的逐渐转变。无线传输的灵活性、流动性和可扩展性是有线所不能比拟的。

1.1.2 研究意义

尽管目前的智能家居已经有了一定的发展，相关的产品已经在市场上陆续推出，但是整体的发展却并不尽如人意，特别是缺乏统一的标准和权威的产品，已成为制约我国住宅智能化发展的主要障碍。随着社会经济、科学技术的进步，人民的生活水平不断提高，生活质量得到了极大的提高。住宅智能化控制系统的开发和建设是今后国民经济和国家发展的必然趋势。
通过对家居控制器进行分析，能够实现对家居进行智能化的控制，从而提高对家居的管理水平，减少对家庭日常生活中的不必要的能源消耗。在这个讲究环保的时代，空气湿度、温度都会自动调节，保证居民的安全。同时，智能家庭控制器还可以根据客户的需求，进行相应的应急处置、应急救援等应急控制，使其真正实现“客户所需，即为本”的服务理念。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外智能家居的发展状况

“智能家居”这个术语最早起源于美国，自从美国第一栋智能房子诞生后，在美国、欧洲和澳大利亚等高收入的国家就已经着手进行开发。现在，在美国，德国，日本，已经有大量的智能家居诞生。目前，英特尔，摩托罗拉，爱立信，
IBM, LG等企业都在大力发展智能家庭。 目前，国外的智能家庭管理体系有以下几个方面： (1)
NEYWELL智能家居：通过控制面板、手机或联网电脑，对智能家居的警报、灯光、智能电器、智能温控装置进行监测。 (2) HAL的
NI系列：公司主要生产OMNILT,
OMNIPRO系列，这种产品适合普通家庭、高级住宅和办公室。可以控制灯光、温度、安全等。OMNI的所有产品都具有一个内部的串口，连接到INTERNET。使用者可以透过HAl公司的网站，联机设定控制器。
(3)
HAL的ALDeluxe智能家居：由电灯，空调，安全，互联网、家庭影院等组成。使用者可以在任何位置使用声音控制。因为也可以在电脑上传送指令，所以不需要再连接。
(4) Vantage （旺帝）的 Vantage家用自动化系统：
Vantage在智能家居领域已有30年的历史，是全球首批智能化家居企业。是目前为止，唯一一个与惠普，INTER，微软公司共同开发的智能家居品牌。它的住宅控制系统是把被控设备群视为一个有机的整体，对它们进行单独的控制和整合。因此，它的性能很好，品质也很好。该系统具有结构灵活、易于升级、可扩充性好、性价比高等特点。
(5) LG的“LG HomNet”智能家庭：LG家庭网基于LnCP
(LnCP)，主要应用于空调机、电子设备、照明、幕布、安全、防灾、出入控制、远距离读表。另外，本系统扩展能力强。在系统建成后，可以根据技术发展和人们的生活习惯，对其进行相应的扩充和修改。
(6) 三星家庭电器控制解决方案：一整套系统包括门禁系统、远程抄表解决方案、
VolP视频电话解决方案、家电产品控制方案、监控方案、安全防范方案。该工程提供了方便、安全的居住环境。采用网关控制器，将智能终端与核心设备相结合，降低了对小区的控制，减少了建筑面积，减少了建筑费用。

1.2.2 国产智能家居的发展状况

20世纪90年代后期，智能住宅的数量在不断增加。众所周知，广州和深圳等沿海大城市已经开始建设智能化房屋，并且逐渐进入内陆地区。同时，上海中皇广场还获得了中国科学技术协会颁发的香港第一个“智慧家庭示范项目”的称号。1999年，由建设部勘察设计、建设部住宅产业化办公室联合组织实施了住宅小区智能化技术示范工程[2]。在信息技术普及到千家万户的今天，国家经贸委牵头成立了“家庭信息化技术委员会”，将“信息网络”技术和产品列入了国家重点项目。根据建设部的规划，到2010年，全国互联网覆盖率要达到70%以上，大中城市要有50%以上住房实现智能化[3]。
我国的智能家居发展较晚，目前还没有制定相关的国家标准。目前，我国大多数的企业都是从国外引进技术，也有些则是在自主研发中，主要有： (1)
e家（海尔），使用海尔手机作为电子控制器。海尔和微软有技术上的合作，微软的
WindMe，海尔的互联网设备，“e家庭”已初见成效，现已拥有网路洗衣机、网路微波炉、网路冷气、网路电冰箱等网路家电。 (2)
清华大学同方电子同方公司，根据国际、国内的技术规范，基于嵌入式软硬件技术，提供网络、网络节点和终端设备。公司根据国外的先进标准，开发了各种功能模块。它的智能家庭控制系统包括三大模块：
A：满足 EIB标准，适用于中高端住宅小区. B系列：适用于中型住宅小区的X-10家庭控制系统. 易氏第三代：家庭电控设备的集合。
目前，由于产品的使用复杂，实用性差，产品价格昂贵，国内的软件和硬件企业都在积极研究和开发更符合市场需求的产品。

1.2.3 现阶段智能家居发展中的问题
1.2.3.1 智能性能有待提高

当然，智能化住宅的智能化，也是不可或缺的，现在的智能住宅，功能更加的智能化，更加的安全，更加的舒适，更加的方便。比如，用户可以在家里遥控，或者通过手机、座机等方式，进行远程控制。灯光等。此外，在原有的基础上，还做了一些改进。
目前，智能家居系统中的某些智能化功能，为人们的生活带来了很好的保障。在智能家居中，除了报警、对讲等安全系统之外，还有其他智能化的功能，这也是目前人们所需要的。在室内温度、湿度、能耗等方面实现智能化控制，属于典型的家用智能控制。尼科科技（上海）业务总监陈鹏说，目前很多家庭和别墅的业主，不但要智能地控制灯光、窗帘，而且要有一套人性化的管理体系。
目前，存在一种节能降耗的“电子鼻”专用控制系统。使用者可以提前设定温度、湿度、灯光、空调等参数，当这些电器的工作指标超出设定值时，“电子鼻”就会通过感应器探测到超标的数据，然后由控制器将超标的数据与设定的数据进行比对，并根据设定的数据发送给相应的设备，将温度和能耗调整到可以接受的范围。它就像是一种智能的感知系统，保证了使用者在家中拥有一个舒适的居住环境[4]。
虽然智能家居在智能功能方面已经取得了一定的成就，但是在实践中还有很多需求，需要不断完善和发展。视得安罗格朗公司总工程师张达勇，认为“老人看护”是一种很有实际意义的智能设备，它的作用就是开发一种复杂的监控系统，因为人体的身体位置很难掌握，很难分辨出老人是否摔倒，如果做出错误的判断，很容易导致误判，给自己带来不必要的麻烦。目前我国的技术尚不具备实现的条件，而美国也在开发捕获系统，但预计将需要更长的时间，其原因主要有三点：
(1) 日益增加的个人化需要； (2) 不能忽略的娱乐功能； (3) 强大的网络特性需求。

1.2.3.2 市场产业链协作有待加强

智能家庭是一项新兴的产业，正被众多的业界人士所青睐。国内外各大家电厂商纷纷对网络家电进行了积极的推广，中国网络企业也纷纷推出“家庭网络共享”、“电视点播与整合”等。这也是“蓬勃”发展起来的智能家庭。当更多更有影响力的公司加入后，该市场将会更加迅速、更完善、更成熟。然而，我们发现，以上提到的一些有影响的公司并没有在智能家居方面进行持续的投资，而是采取了观望态度。主要有以下四个方面：
(1) 资金不足； (2) 两个层次的产品； (3) 必须强化渠道建设； (4) 需要改进工程师的服务。

1.3 主要研究内容

智能家居系统强调了使用者的便捷性、安全性和舒适性。因此，该系统在日常生活中不仅要包括家居的基本功能，同时也要体现其智能与创新。因此，本文针对这一问题，设计并研制了一种智能化的家居监控系统。除了基本的照明控制，这个智能家居控制系统还包括语音识别、手机APP远程控制、人脸识别解锁、防盗预警、火灾预警、地震预警等。它不仅涵盖了家居系统的基本功能，还拓展了其创新性的功能，使其具有更高的安全性和舒适度。为实现上述功能的设计和开发，本文确定了如下工作内容：
(1) 在功能要求的基础上，选用适当的传感器及功能模块，以确保其在功能上的精确度和经济性； (2) 完成整个硬件电路的设计与布局； (3)
完成传感器节点的软件开发，以达到精确、及时的监控； (4)
熟练运用语音识别模块，并利用树莓派与语音识别模块进行通讯，以达到对家居系统的语音控制； (5) 利用云平台和摄像头来实现面部识别； (6)
完成对家居系统的遥控控制，确保在无网络的情况下，依然可以对家居系统进行控制。 (7)
完成手机APP与家居的通讯，并通过手机APP来控制家居系统及进行视频监控。 (8) 通过相关传感器模块，完成家居系统的消防、安防功能的开发。

第二章 系统方案设计

2.1 系统整体功能设计

2.1.1 系统整体框架设计
（我是从输入设备和被控设备进行分类的）

本系统整体功能可从树莓派、输入设备、被控设备三个方面进行设计，其系统整体框架如图2.1所示。

图2.1 系统整体框架

树莓派：作为系统的主体部分，拥有数据接收、数据处理、视频监控、设备控制等功能。通过其自身携带的WiFi模块，在其搭载的Linux系统下可进行WiFi自主连接，无需通过程序操控连接。
输入设备：该部分由语音识别、手机APP、遥控器、温湿度检测等组成。语音识别设备会将识别到的指令通过串口发送给树莓派，树莓派会根据指令做出不同反应。手机APP拟通过TCP协议与树莓派进行通信，可通过手机
APP发送控制命令，而树莓派则会根据命令而作出相应的反应，同时APP也承担了视频监控和温湿度检测的显示功能。遥控器拟采用射频接收的方式与树莓派进行信号传递，遥控器不同的按键对应不同的控制功能，当响应按键被按下时，遥控器会向树莓派发送相应指令，树莓派随后做出对应反应。温湿度检测部分会将实时数据通过单总线发送给树莓派，树莓派在对数据进行解析后转化到手机APP上进行显示。
被控设备：该部分由灯光、电风扇、摄像头、消防安防报警等组成。灯光和电风扇作为家居的基本用电设备，摄像头在本系统中为视频监控和人脸识别开锁提供硬件支持，消防安防报警则通过相应传感器和蜂鸣器完成，并将报警信息实时发送到手机APP进行显示。

2.3 硬件模块选择

（这里的硬件选型是比较重要的部分，要从功能要求，经济性价比，精度等方面考虑）例如：

2.3.1 语音识别模块选择 目前市场上的语音识别模块种类也较为丰富，选取了几个常见的语音识别模块，对其进行了对比和筛选。 方案一：LD3320语音识别模块。LD3320是一款用于语音识别的非专用芯片，也就是声音控制芯片。最多可以识别50条预装指令，足以满足功能所需。LD3320语音识别模块可通过串口直接烧入程序，并且可以通过串口和主控板直接进行通信，使用起来更为方便。
方案二：Gravity:
I2C语音识别模块。本模块搭载的是一款非特定人声语言识别芯片LD3320。该模块除了支持Arduino系列主机控制系统，还支持
mind+程序设计，它采用了GravityI2C通讯模式，与大多数的主控系统兼容，是连接教学应用的理想选择。此芯片可设置50个指令，每个指令最多10个汉字，也就是79个字节。
方案三：M08B+语音识别模块。本模块利用LD3320的语音识别芯片，对非特定人进行语音识别，并利用串行接口将识别结果输出给用户，最多可识别50条内置指令。相对于I2C，它支持更多类型的芯片，有多种输出类型，支持MP3模块扩展。采用低底噪的LDO，使用钽电容滤波，提升识别率和稳定性。
由上述方案比较可知，三款模块均搭载的LD3320语音识别芯片，且都满足毕设系统所需，但LD3320语音识别模块在价格方面相对其他两款更为经济，故选择LD3320语音识别模块。

第三章 硬件设计

3.1 硬件总体设计

（这里要介绍清楚硬件的功能、优势及如何使用）例如：

根据系统需求完成硬件的设计及连接，图3.1为系统硬件总体连接图。

图3.1 硬件总体连接图
遥控模块和语音模块在本系统中起主要控制作用，其中语音模块通过串口与树莓派进行连接。摄像头通过树莓派上的SCI接口与其相连，摄像头在本系统除了作为人脸识别拍照所需之外，还将为视频监控提供硬件支持。蜂鸣器主要承担系统的报警功能，在不同的情况下，可以用不同的报警模式来区别报警。震动传感器、火焰传感器、人体红外传感器、温湿度传感器等模块将承担系统的消防、安防功能，及向用户提供室内的温湿度数据。电风扇和继电器组所控制的部分，将承担起家居系统的基本功能所需。

3.2 主控模块树莓派（raspberry）

这是一个嵌入式系统的核心，起中央主控和决策的作用。在本系统中，需要搭载Linux操作系统，为此，选用树莓派3代作为嵌入式开发板。树莓派又被称之为卡片式电脑，就像它的名字一样，它能装上操作系统，还能连接屏幕和鼠标键盘，可以使用Python或C语言进行编程和运行。树莓派拥有强大的社区资源，更有助于学习和使用，并且市场上有着众多的树莓派配件，具有很好的开发优势。相对于树莓派二代，第三代处理器的CPU由32位A7提升至64位A53，主频由900
MHz提升至1.2 GHz。CPU内核没有变化，只是从250 MHz提高到了400
MHz。在功能方面，加入了WiFi/BLE，便于智能产品的研发。电源线路被提升至2.5
A@5V，可以扩大更多的模块。树莓派引脚如图3.2所示，树莓派实物如图3.2所示。

图3.2 树莓派引脚图 图3.3 树莓派实物图

3.3 输入控制部分

3.3.1 语音识别模块 Ld3320语音识别模块采用的是一种非特定的语音识别芯片LD3320。该芯片采用了高精度的A/D、D/A接口，无需 RAM和
Flash就能实现语音识别、人机交互和语音控制，[7]。另外，识别的关键字清单可以被动态地编辑。LD3320已广泛用于各种电子产品，即使是最基础的51处理器，也能轻易地完成语音、声音、人机对话等功能[8]。
语言识别模块与树莓派之间是通过串口进行连接的，再对该模块进行使用时，需要预先设置内置词条指令，最多可设置50条，词条命令在程序中都是拼音是形式，修改拼音即可修改词条。模块在接收到语音信息后会将其与内置词条指令一一进行逐字对比，最后，以最接近的命令作为识别结果。当与所有内置词条指令进行对比以后，没有相似度超过50%的，则不进行相似度最高输出，认为该条语音不是内置词条指令。语音识别模块引脚连接如图3.5所示，语音识别模块实物如图3.6所示。

第四章 软件设计

（这里要先说明开发中使用到的开发软件并说明优势。后面最重要的是要把程序设计流程说明白，可以用流程图来辅助解释）例如：

4.1开发环境简介

用于树莓派程序开发的编程软件是Visual Studio
Code。这款代码编辑器是微软研发的，支持Windows、Linux和MacOS，并且支持开源，支持Git版本控制，同时具备代码补全、代码片段和代码重组等开发环境。
用于语音识别模块开发的编程软件是Keil
uVision5。这是是一个专门的、实用的C语言开发系统，它提供编译、编译、安装和调试追踪，主要添加了包管理器的功能，并且支持 LWIP，其
SWD下载速度是KEIL4的5倍。该系统采用了一个全新的、灵活的窗口管理系统，可以让用户通过多个监控设备，实时地看到设计中的各种问题。
用于手机APP安卓应用开发的软件是Eclipse。这是一款知名的IDE，是一种开放源码的跨平台集成开发环境。起初是在Java开发中使用，现在也有一些人使用了插件来开发C++、Python、PHP等。Eclipse本身只是一个体系结构的平台，但由于大量的插件提供了更好的灵活性，因此很多软件开发者都将它作为自己的 IDE开发工具[15]。

4.2 主程序设计

本系统通过树莓派的开机执行脚本完成开机自启动，其中主程序主要完成各个功能模块的初始化，及功能模块所对应线程的启动。主程序流程如图4.1所示。

图4.1 主程序流程图 部分重要代码如下：

4.3 语音控制程序设计

4.3.1 语音识别程序设计

语音识别首先需要通过程序设置内置指令，在语音模块接收到语音信号后，会将其与内置指令进行对比来判断是否为有效指令。当接收到有效指令后，再将指令数据通过串口发送给树莓派。语音识别程序流程如图4.2所示。

图4.2 语音识别程序流程图 部分重要代码如下：

4.3.1 树莓派语音指令接收程序

树莓派的语音指令接收程序，首先在完成初始化的准备工作以后，会循环读取语音识别模块通过串口发来的数据，若所接收的数据为有效指令，则去执行相应的程序实现该指令对应的功能。语音指令接收程序流程如图4.3所示。

图4.3 语音指令接收程序流程图 部分重要代码如下：

第五章 功能测试

（这里要展示最终的完成成果，及记录的测试结果是否满足设计要求）例如：
5.1 实物成品
图5.1 为家居系统最终效果实物图。在该效果图中，打开了所有灯光。

5.1 家居系统效果实物图
5.2 系统初始化
由于家居运行效果无法展示，通过将家居系统状态进行实时打印，在通过终端进行监控，即可获得家居系统的实时状态。图5.2为系统初始化状态图，通过树莓派终端打印获得，有图可知各个模块的初始化均成功。

5.2 系统运行状态图
5.3 语音控制
图5.3为语音控制终端显示图，在依次说出：“开全部灯”、“开卧室灯”、“关客厅灯”、“关浴室灯”后，通过终端显示可知，这四段指令均被语音识别模块识别成功，并将指令发送给了树莓派。图5.4为该4段指令执行后的实物效果图，由此可知，语音控制功能正常。


5.3 语音控制终端显示图 5.4 语音控制实物效果图

第六章 总结

（这里是结尾部分，说明一下你的毕设内容是否还有需要或者可以继续完善的地方，和你从中学到了什么）例如：

6.1 已完成任务

本次毕设完成了对家居的语音控制、遥控控制、手机APP控制、安全报警、人脸识别开锁、温湿度采集，并在手机APP上进行了视频监控画面和家居状态的正确显示。
在此次系统设计中，我首先学习掌握了TCP协议和HTTPS协议，为系统的通信做好准备，并实现了树莓派与手机APP的通信和对云平台的访问。通过利用翔云人工智能平台所提供的人脸对比服务，实现了人脸识别开锁功能。通过学习对第三方包的使用，完成了网页视频监控画面的生成及手机APP对视频监控网页的访问。最后根据系统的需求，完成了对相关模块的选型及使用。通过对多种传感器的使用，完成了消防、安防报警及温湿度数据检测。

6.2 结论与展望

基于树莓派的智能家居控制系统，使用树莓派3代搭载了Linux操作系统，通过与翔云平台、手机APP、语音识别等各个模块进行综合设计，基本完成了智能家居系统的功能需求。通过家居的智能控制，可以使人们更好的享受到生活中去。家居的安全监控报警功能则可以更好的保护人们的人身及财产安全，家居中的视频监控和温湿度检测功能则可以帮助人们更好的掌握家居的实时状况。经测试证明该系统的软硬件功能可靠，识别准确，响应及时，各功能均正常运行，较好的实现了人们对智能家居的功能需求。
由于本次毕设时间有限，且开发时间较短、开发任务过重，可能存在一些问题问题没有得到更好的优化。系统的功能和稳定性需要在今后继续完善，根据人们的需求增加更多的功能，可以使人们可以更好的享受到生活中。未来将进行传感器产品和设备的增加，从而使我们的家庭生活的各个方面都实现自动化[16]。希望在未来通过不断完善后，家居系统可以实现对所有家居的智能控制并且可以实现智能决策，为人们带来不一样的更为智能的家居体验。智能家庭是一个不断发展的领域，是许多高科技发展的产物。人们把家的美好生活寄托在智能家居上，对它寄予了厚望[17]。