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(jī)作為客戶端，設(shè)計一款WiFi遠(yuǎn)程控制智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)中，Raspberry Pi充當(dāng)服務(wù)器端的角色，由C、Python語言構(gòu)建;手機(jī)客戶端則采用Java、C++語言編寫，并詳細(xì)介紹智能家居的環(huán)境搭建及應(yīng)用測試，最終通過WiFi實(shí)現(xiàn)語音和手機(jī)APP對智能家居的遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：智能家居系統(tǒng);遠(yuǎn)程控制;環(huán)境搭建;應(yīng)用測試;服務(wù)器端;客戶端

中圖分類號：TN915-34：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019）24-0167-05

從計算機(jī)的發(fā)明到互聯(lián)網(wǎng)的普及，信息化技術(shù)已經(jīng)徹底改變了人們的日常生活，它所創(chuàng)造的價值已經(jīng)不可估量，而如今的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）和人工智能則很有可能成為互聯(lián)網(wǎng)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(fā)展，使用智能家居產(chǎn)品則成為了生活的主流。但是，當(dāng)今市場上主要采用ZigBee來實(shí)現(xiàn)智能家居的功能控制，ZigBee不僅安裝復(fù)雜，成本高，而且不能連接用戶的手機(jī)來進(jìn)行遠(yuǎn)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(wǎng)橋就可以接人到互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，與手機(jī)進(jìn)行通信。在現(xiàn)如今智能手機(jī)飛速發(fā)展的時代，以WiFi來遠(yuǎn)程控制智能家居已經(jīng)成為研究設(shè)計的重要方向。本文基于Raspberry Pi和Ardunio的WiFi無線終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在WiFi信號熱點(diǎn)[1-2]區(qū)域，以語音、手機(jī)APP對智能家居進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該設(shè)計將WiFi技術(shù)與智能交互相結(jié)合開發(fā)出具備無線通信的各種智能系統(tǒng)[3-4]。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本文系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。該系統(tǒng)選用Raspberry Pi，Ardunio為核心，各種家居設(shè)備以模塊化的形式進(jìn)行統(tǒng)一管理。Raspberry Pi通過Ardunio控制各種家居所對應(yīng)的驅(qū)動設(shè)備，該系統(tǒng)中的Raspberry Pi又起到服務(wù)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(jìn)行分析，并將分析結(jié)果返回播放，進(jìn)而通過Ardunio來控制各種家居設(shè)備;另一方面用來接收Android手機(jī)客戶端發(fā)送的控制指令，并且根據(jù)不同的指令來改變相對應(yīng)的家居設(shè)備。服務(wù)器端和客戶端之間采用SSH進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

另外，為了克服內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間IP設(shè)備無法直接互相傳輸數(shù)據(jù)的問題，本文引入了具有外網(wǎng)IP的路由器作為橋梁，起內(nèi)外網(wǎng)之間訪問的通道。首先，手機(jī)客戶端訪問具有外網(wǎng)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(shè)置端口轉(zhuǎn)發(fā)，將固定端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Raspberry Pi。所以，手機(jī)客戶端去訪問路由器，路由器再將端口的數(shù)據(jù)包發(fā)給Raspberry Pi，從而完成了Android手機(jī)客戶端到Raspberry Pi服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳輸。

2 WiFi無線終端系統(tǒng)設(shè)計與系統(tǒng)軟件平臺

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

基于Raspberry Pi，Ardunio的WiFi無線終端系統(tǒng)的開發(fā)可分為三部分，分別是搭建硬件平臺、軟件開發(fā)平臺和設(shè)計上層應(yīng)用程序。

在硬件設(shè)計中，要設(shè)計各個模塊，包括元器件型號的選擇，電路原理圖的設(shè)計，硬件電路正確性的檢測。本系統(tǒng)的WiFi終端硬件部分的核心是嵌入式技術(shù)，結(jié)合實(shí)驗設(shè)備相關(guān)資源和功能開發(fā)的需要，選擇具有64位哈佛結(jié)構(gòu)[5]的一款基于Broadcom BCM2837內(nèi)核的Cortex A53微處理器和AVR處理器，并且搭建所需要的外部設(shè)備，構(gòu)建系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺，利用該硬件平臺所提供的資源模塊，開發(fā)出系統(tǒng)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(wǎng)卡、TL-WN823N構(gòu)建無線局域網(wǎng);人機(jī)交互模塊采用語音信號或者手機(jī)與微處理器通過組網(wǎng)互聯(lián);電源模塊采用鋰電池模塊進(jìn)行獨(dú)立供電。

在軟件設(shè)計部分中，又可劃分為搭建軟件開發(fā)平臺和設(shè)計上層應(yīng)用程序兩個模塊。搭建軟件開發(fā)平臺要選擇所需要的操作系統(tǒng)（Linux操作系統(tǒng)），對BCM2837內(nèi)核根據(jù)Linux系統(tǒng)的開發(fā)要求做相應(yīng)的配置，包括支持無線網(wǎng)絡(luò)連接，語音的識別、上傳、解析，指令控制等操作;上層應(yīng)用程序開發(fā)是本系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計開發(fā)基于Qt[7]的電源管理客戶端程序和網(wǎng)絡(luò)配置界面客戶端程序，從而實(shí)現(xiàn)連接無線網(wǎng)絡(luò)和降低功耗的功能。最后，各模塊進(jìn)行集成調(diào)試，將Linux操作系統(tǒng)移植到硬件開發(fā)平臺上，保證整個系統(tǒng)能夠正確運(yùn)轉(zhuǎn)，以及智能控制家電功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總體開發(fā)的流程圖見圖2。

2.2 系統(tǒng)軟件環(huán)境搭建

2.2.1 樹莓派環(huán)境的搭建

Raspberry Pi運(yùn)行于Linux操作系統(tǒng)下，RaspberryPi沒有固態(tài)硬盤，所采用的是SD卡。只需要從Rasp-berrv Pi官網(wǎng)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(tǒng)界面如圖3所示。

接下來要做的是Raspberry Pi的遠(yuǎn)程訪問。對于遠(yuǎn)程訪問，可以使用兩個工具：VNC[8]和XSHELLc9]，如圖4所示。VNC的特點(diǎn)是不僅可以遠(yuǎn)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(yīng)用底層SSH協(xié)議，就可以在里面輸入命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制。

2.2.2 Ardunio環(huán)境的搭建

Ardunio相比于51單片機(jī)的區(qū)別在于，它對底層寄存器的配置進(jìn)行了封裝，提供了非常易用的函數(shù)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(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。Ardunio的開發(fā)是基于C語言和C++語言，C語言主要是用于開發(fā)上層的模塊，下層的庫大部分是基于C++開發(fā)的。對于環(huán)境搭建較為簡單，到官網(wǎng)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(shù)應(yīng)用

3.1 WiFi技術(shù)中智能家居網(wǎng)關(guān)

與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)所采用的有線布網(wǎng)方式相比，WiFi技術(shù)的應(yīng)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(wǎng)的示意圖。該圖主要包括智能家居網(wǎng)關(guān)以及若干個無線通信子節(jié)點(diǎn)。在智能家居網(wǎng)關(guān)上有無線發(fā)射模塊，每個子節(jié)點(diǎn)上都含有一個無線網(wǎng)絡(luò)接收模塊，通過這些無線收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)就能在網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行傳送。其中，WiFi智能家居網(wǎng)關(guān)就是室內(nèi)機(jī)，是家庭中一個智能化樞紐，通過智能家居網(wǎng)關(guān)上的無線射頻模塊與各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)家居的控制;通過Web網(wǎng)絡(luò)來控制智能家居網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對家居的遠(yuǎn)程控制。智能家居網(wǎng)關(guān)作為智能家居的核心設(shè)備，起到整個智能家居網(wǎng)絡(luò)的管理和協(xié)調(diào)的作用，同時還要處理多媒體數(shù)字音頻，視頻的解碼、不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，通過它實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集、輸入、輸出、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)動控制等功能。智能家居網(wǎng)關(guān)可以充當(dāng)機(jī)頂盒使用，內(nèi)容方面與愛奇藝合作，也配有基于安卓的智能系統(tǒng)，可以安裝其他軟件進(jìn)行使用。同時，適配智能插座、溫濕度感應(yīng)、燃?xì)鈭缶?、智能監(jiān)控、智能門鈴等智能電器，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)全家智能設(shè)備并統(tǒng)一由手機(jī)遠(yuǎn)程管控。

3.2 智能語音控制

在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，以Raspberry Pi和Arduino為核心處理器。Raspberry Pi主要負(fù)責(zé)語音數(shù)據(jù)的錄入、上傳、下載;Arduino主要負(fù)責(zé)接收Raspberry Pi通過串口、網(wǎng)絡(luò)傳來的指令，根據(jù)相應(yīng)的指令做出相應(yīng)的動作。設(shè)計過程為：

1）開啟錄音，用戶下達(dá)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(xù)判斷;如果超過錄音閾值，則開始錄音保存。

2） Raspberry Pi通過HTTP協(xié)議將錄音上傳云端，進(jìn)行解析，判斷結(jié)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(jìn)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(jìn)行語義解析，進(jìn)而播放相應(yīng)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(jī)遠(yuǎn)程控制及其應(yīng)用程序

3.3.1 遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)過程

IOT終端設(shè)備初次配置時，相應(yīng)的設(shè)備會通過串口轉(zhuǎn)WiFi模塊自動組建一個WiFi網(wǎng)絡(luò)，從而將服務(wù)器配置信息和AP寫入到終端設(shè)備，完成遠(yuǎn)程設(shè)備的登錄。當(dāng)用戶加入到該WiFi網(wǎng)絡(luò)后，會讀取終端設(shè)備的信息，獲取到相應(yīng)MAC地址[10]、IP地址、端口號等信息，進(jìn)行系統(tǒng)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(yīng)AP信息、工作模式和服務(wù)器信息后。終端設(shè)備的信息將通過互聯(lián)網(wǎng)注冊到服務(wù)器上，從而實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上。IOT終端設(shè)備配置流程圖如圖8所示。

在手機(jī)端遠(yuǎn)程控制方面，本設(shè)計選擇Android手機(jī)作為實(shí)驗平臺通過RPi-Automation和Raspberry Pi Com-mand手機(jī)端APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對樹莓派GPIO電平的控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵發(fā)送預(yù)先設(shè)置好的指令，來完成負(fù)責(zé)的操作任務(wù);而且APP具有可編程性，根據(jù)需求來修改指令，滿足人們的各種需求。通過智能手機(jī)端可以遠(yuǎn)程控制電燈的亮滅、水壺?zé)?、空調(diào)的開啟和關(guān)閉、窗簾的拉開和關(guān)上.從而方便使用者的生活，節(jié)約了大量時間，使生活更加智能化。

3.3.2 遠(yuǎn)程控制應(yīng)用

1）燈光模塊與電水壺模塊。開關(guān)相當(dāng)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(guān)的一端相連，NC接線口與開關(guān)的另一端相連。在中斷方式下編寫Python程序。使用時，運(yùn)行LEDl.py，即可控制燈的亮滅;而電水壺模塊的設(shè)計是利用GPIO接口來控制電水壺的開啟和關(guān)閉。當(dāng)GPIO接口設(shè)置為低電平時，則不會執(zhí)行燒水功能;當(dāng)GPIO接口設(shè)置為高電平時，電水壺開啟，內(nèi)置電阻開始加熱，燒水功能開始執(zhí)行。利用DS18820 T0-92來檢測溫度，當(dāng)溫度達(dá)到100℃時，GPIO接口自動切換為低電平，電水壺自動關(guān)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(jīng)燒開。兩個模塊接收到語音或手機(jī)端控制信號時，通過組網(wǎng)的形式，對各模塊進(jìn)行對應(yīng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對其功能的控制。

2）空調(diào)模塊。紅外對管包括紅外線發(fā)射管和接收管。用戶通過Android手機(jī)發(fā)送打開、關(guān)閉或者設(shè)置相應(yīng)溫度指令時，家庭中的Raspberry Pi接收到控制數(shù)據(jù)，將對應(yīng)空調(diào)的紅外編碼數(shù)據(jù)調(diào)至38 kHz的載波上，然后通過紅外發(fā)射管將調(diào)好的信號發(fā)射。空調(diào)內(nèi)部設(shè)置的紅外接收管根據(jù)接收到的語音或者Android手機(jī)發(fā)送的控制信號，解調(diào)出對應(yīng)的控制指令，從而來設(shè)定空調(diào)的不同工作狀態(tài)。除上述列舉的控制模塊之外，還有很多能夠遠(yuǎn)程控制的模塊，如窗簾模塊、風(fēng)扇模塊、電視模塊等，原理上類似。

4 測試結(jié)果

基于Raspberry Pi和Ardunio的WiFi無線終端測試主要包括：人機(jī)交互模塊測試和無線局域網(wǎng)連接測試。人機(jī)交互模塊測試包括語音交互測試和Android手機(jī)觸屏點(diǎn)擊測試。語音控制時，啟動終端，利用端口掃描軟件掃描對應(yīng)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(jī)控制時，當(dāng)家居與手機(jī)APP成功連接時，可以從智能手機(jī)的用戶界面看到人機(jī)交互的相應(yīng)的信息，見圖11。

在無線局域網(wǎng)模塊連接測試時，首先需要將樹莓派、Ardunio、智能手機(jī)等終端放到WiFi熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，并且要獲取到該區(qū)域內(nèi)WiFi熱點(diǎn)名稱和密碼。在WiFi模塊配置頁面輸入對應(yīng)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(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。無線網(wǎng)絡(luò)配置成功界面見圖13。

5 結(jié)語

本文研究的WiFi智能遠(yuǎn)程控制家居系統(tǒng)是一個物聯(lián)網(wǎng)和人工智能相結(jié)合的實(shí)例化，充分證明了語音交互控制和智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制在實(shí)際中的可行性。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和語音技術(shù)的發(fā)展，通過組網(wǎng)的形式，實(shí)現(xiàn)家居的智能控制是未來家庭生活的發(fā)展趨勢，它將改變?nèi)祟惖纳罘绞剑夥湃祟惖闹w。

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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(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

郭改枝（1968-），女，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為嵌入式信息處理。