基于樹莓派+云服務器的網(wǎng)絡監(jiān)控及家居控制系統(tǒng)的研究與實際應用

郝林煒+梁穎

摘 要：樹莓派（Raspberry Pi）卡片電腦原本是為學生計算機編程教育而設計開發(fā)的，自從其面世以來，樹莓派由于其強大的可擴展性及其優(yōu)異的性能在Geek圈以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)受到廣泛關注。而目前“云計算”、“云存儲”等“云”是當下IT行業(yè)發(fā)展的方向。將這二者結(jié)合而開發(fā)出的遠程實時監(jiān)控以及遠程家居控制系統(tǒng)不論是從成本上，還是從其功能上都具有相當大的優(yōu)勢，同時還能給用戶帶來良好的用戶體驗。文中將使用目前相當流行的編程語言Java與Python來說明如何實現(xiàn)遠程實時影像監(jiān)控、室內(nèi)溫濕度檢測及監(jiān)控、家居電器控制等。

關鍵詞：樹莓派；云服務器；智能家居；云

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0045-03

0 引 言

在國內(nèi)，智能家居、智能電器等新產(chǎn)品大量上市。而普通民用的物聯(lián)網(wǎng)設備往往需要購買昂貴的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設備，這極大地阻礙了物聯(lián)網(wǎng)走向普通人家的道路。由于目前可用的互聯(lián)網(wǎng)設備以及它們所采用的軟件系統(tǒng)還有很多不人性化的細節(jié)及集成度不高等缺點，往往需要多個獨立設備結(jié)合使用。因此，價格低廉且開發(fā)、擴展方便的樹莓派便成為智能家居系統(tǒng)開發(fā)用機的不二選擇。

1 硬件簡介

1.1 樹莓派簡介

樹莓派由英國慈善組織“Raspberry Pi基金會”開發(fā)，原本是為學生計算機編程而設計的一種價格低廉的卡片電腦，但由于其使用開源易擴展的Linux操作系統(tǒng)，性能較強，接口豐富，因此常用于物聯(lián)網(wǎng)等自動控制設備方面。本文將以樹莓派2代B型機作為開發(fā)機，它采用了Broadcom BCM2836作為其SOC（片上系統(tǒng)），CPU基于ARM Cortex-A7架構(gòu)，共四個核心，運行頻率為9 00 MHz，具有1 GB LPDDR2 RAM。在接口方面，樹莓派擁有15-針頭MIPI相機 （CSI）界面，可被樹莓派相機 （無紅外線版）使用；4個USB2.0規(guī)范接口；MicroSD卡槽；17個GPIO及HAT規(guī)格鋪設。

1.2 其他使用到的硬件

考慮到智能家居需要靈活布置，因此樹莓派連接網(wǎng)絡使用USB無線網(wǎng)卡。在傳感器方面，使用溫濕度傳感器DHT11。在視頻監(jiān)控方面，使用樹莓派帶紅外線版CSI接口攝像頭。除此之外，使用繼電器控制家居的開關。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)總體設計方案

整個系統(tǒng)包含服務器端與樹莓派客戶端。服務器負責存儲數(shù)據(jù)、提供數(shù)據(jù)查詢接口、提供控制家居的接口。樹莓派客戶端負責讀取傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)送從攝像頭獲得的圖像以及對家居（開/關）的控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 硬件設計方案

硬件設計方案主要將傳感器、繼電器與樹莓派的GPIO接口相連，樹莓派讀取傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并通過控制繼電器的開/關來控制家電的開關狀態(tài)。樹莓派GPIO接口定義如圖3所示。

DHT11接線示意圖如圖4所示。將DHT11傳感器的2號針腳（DATA針腳）與樹莓派GPIO針腳相連以進行數(shù)據(jù)傳輸；1號針腳（VCC針腳）與樹莓派3 V正極供電連接；4號針腳接樹莓派GND作為地線。

3 軟件設計方案

樹莓派端主要使用Python編程語言。使用基于Linux的Raspbian操作系統(tǒng)中的Rpi.GPIO Python庫來對傳感器、繼電器等連接在GPIO接口的設備進行讀取和控制；使用MySQLdb庫讀取云數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并將傳感器數(shù)據(jù)寫入云數(shù)據(jù)庫。遠程監(jiān)控方面使用C語言編寫的mjpg-streamer將攝像頭獲取的畫面進行編碼并建立可訪問的服務器，使用戶通過http協(xié)議訪問獲得監(jiān)控畫面。

服務器端使用開源的MariaDB作為數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫作為MySQL的開源版本，應用廣泛。服務器使用Tomcat，服務器端的編寫使用Java語言，運用SSH框架實現(xiàn)服務器端的軟件功能。

4 云服務器端軟件實現(xiàn)

4.1 云服務器環(huán)境框架

服務器端采用Tomcat+MariaDB架構(gòu)，使用目前流行的SSH（Struts，Spring，Hibernate）框架搭建服務器端的軟件。MariaDB負責存儲整個系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、家居的開關狀態(tài)及樹莓派的IP地址等。SSH框架負責系統(tǒng)的邏輯處理并提供REST風格的接口供客戶端調(diào)用。

4.2 REST風格的API

即提供訪問功能的URI（如開燈），客戶端使用GET方法請求http：//example.com/smart/openlight此URI即可，方便客戶端的使用及編碼，因此在服務器中采用REST風格的API是實現(xiàn)客戶端與服務器端交互的不二之選。使用Struts2框架提供的action機制編寫對應的action操作控制數(shù)據(jù)庫中的家居狀態(tài)標識，樹莓派通過輪詢機制監(jiān)測家居狀態(tài)的更改進而做出相應的動作。

5 樹莓派端軟件實現(xiàn)

5.1 安裝操作系統(tǒng)

從Raspberry Pi官方網(wǎng)站下載最新的Raspbian鏡像解壓得到img文件。將空白SD卡插入電腦，使用diskutil list命令確定SD卡的路徑，然后使用dd命令將img文件寫入SD卡，鏡像路徑為/Users/pi/Downloads/2016-03-18-raspbian-jessie.img，SD卡路徑為/dev/disk2，在終端中使用如下命令寫入磁盤鏡像：

將已寫入系統(tǒng)的SD卡插入樹莓派的SD卡插槽并通電開機，在終端使用如下命令安裝Python操作MySQL數(shù)據(jù)庫的必要組件python-mysqldb：

5.2 溫濕度傳感器軟件實現(xiàn)

DHT11是一款數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其信號如圖6所示。每個DHT11出廠前都會在校驗室中校準，校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中。DHT11的原理圖以及在樹莓派上使用Python讀取DHT11信號關鍵代碼如下：

j+=1

5.3 家居控制軟件實現(xiàn)

使用繼電器控制家居的開關。樹莓派通過輪詢方式每隔一定時間便會查詢云服務器數(shù)據(jù)庫家居狀態(tài)表，如果查詢到有相應的開關變化，通過控制與繼電器相連的GPIO輸出電平的高低來控制繼電器的開關以達到控制家居開關的目的。

5.4 視頻監(jiān)控軟件實現(xiàn)

樹莓派上提供了專供攝像頭使用的CSI接口，使得基于樹莓派的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為可能，我們只需將攝像頭與樹莓派上的CSI接口相連并在系統(tǒng)設置raspconfig中開啟支持攝像頭的選項，攝像頭就可以正常使用了。

由于遠程監(jiān)控需要通過互聯(lián)網(wǎng)遠程查看攝像頭所捕獲的畫面，因此我們還需要使用一款開源軟件——mjpg-streamer。mjpg-streamer從webcam攝像頭采集圖像，并將圖像以流的形式通過基于IP的網(wǎng)絡傳輸?shù)骄W(wǎng)絡瀏覽器。由于大部分編碼工作都是由攝像頭完成的，因此mjpg-streamer僅需要很少的CPU和內(nèi)存資源就可以工作，非常適用于功耗較低的樹莓派。

mjpg-streamer使用C語言編寫，因此首先需要使用如下命令在樹莓派上安裝C編譯器cmake：sudo apt-get install cmake。除此之外，mjpg-streamer還需要jpeg編碼庫libjpeg8-dev的支持，同理，使用sudo apt-get install libjpeg8-dev在樹莓派上安裝該支持庫。

要配置mjpg-streamer需經(jīng)過如下幾個步驟：

（1）將mjpg-streamer的壓縮包解壓；

（2）修改mjpg-streamer的配置文件，在樹莓派上用文本編輯器修改mjpg-streamer-master/mjpg-streamer-experimental/plugins/input_raspicam下的input_raspicam.c文件，根據(jù)自己的網(wǎng)絡帶寬調(diào)整監(jiān)控圖像的幀率（fps）以及分辨率（width和height）；

（3）編譯mjpg-streamer，將當前路徑移動到mjpg-streamer-experimental，使用make clean all命令進行編譯；

（4）制作啟動腳本，方便開啟監(jiān)控，新建一個sh文件，將cd mjpg-streamer-master/mjpg-streamer-experimental./mjpg_streamer -i “./input_raspicam.so” -o “./output_http.so -w ./www”這兩條命令寫入文件并保存，使用 chmod 744命令賦予該文件可運行的權(quán)限；

（5）將運行該腳本的命令加入/etc/init.d文件，使其開機自動運行。

完成上述步驟后重啟樹莓派，通過瀏覽器訪問http：//樹莓派的ip：8080即可查看實時監(jiān)控情況。

6 結(jié) 語

基于樹莓派+云服務器的解決方案能較好地實現(xiàn)從公網(wǎng)遠程控制智能家居及遠程實時視頻監(jiān)控，樹莓派的功耗和發(fā)熱極低，即使長時間運行也不會出現(xiàn)故障，而又因樹莓派采用Linux操作系統(tǒng)，可擴展性高，易于在其基礎上開發(fā)出更多的功能模塊，且系統(tǒng)設計簡單、搭建方便、成本低廉，是普通家庭采用智能家居方案的絕佳選擇。

參考文獻

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