基于樹莓派和openHAB2的家庭設(shè)備控制平臺設(shè)計詳解

壹

本項目開發(fā)了一種家庭設(shè)備控制平臺，提供家庭環(huán)境的實時監(jiān)控功能（溫度、濕度、火災(zāi)報警），提供安防功能（視頻監(jiān)控，紅外人體識別，錄像和抓拍），針對老人和職場人士的日常事務(wù)管理方案，此外還有家庭ftp服務(wù)器，wifi熱點等輔助功能。系統(tǒng)以樹莓派及openHAB2為基礎(chǔ)，力圖將家電設(shè)備納入統(tǒng)一管理，提供高度集成的管理界面，可通過手機、電腦直接對家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和控制。

系統(tǒng)設(shè)計方案

貳

1. 總體設(shè)計

本系統(tǒng)以樹莓派和openHAB2為基礎(chǔ)，結(jié)合單片機控制的傳感器，實現(xiàn)輔助管理平臺的功能。其中，以flask框架建立web服務(wù)器，實現(xiàn)與openHAB2的交互。本服務(wù)器向下通過GPIO口與單片機通訊，接收單片機上各個傳感器的狀態(tài)；向上與openHAB2交互，可以實時返回請求數(shù)據(jù)或傳遞用戶命令，執(zhí)行相關(guān)功能。

2. 樹莓派系統(tǒng)設(shè)計

樹莓派作為本地服務(wù)端，兼顧flask框架下webserver的實現(xiàn)和openHAB2的運行。Webserver結(jié)合Rpi.GPIO模塊以實現(xiàn)和單片機的通訊。數(shù)據(jù)獲取方式為自定義的“接收請求-發(fā)送數(shù)據(jù)”的被動模式，該模式是阻塞式設(shè)計，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收完全由樹莓派控制，增強可靠性。從單片機獲得的數(shù)據(jù)在服務(wù)器中進(jìn)行處理，之后直接返回給openHAB2。OpenHAB2中的界面為自定義界面，每個磁貼實現(xiàn)單獨的一種或一個功能，該頁面支持用戶根據(jù)自身需要進(jìn)行更改，方便后期添加新功能。

3.單片機系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)使用廉價的51單片機做下位機，單片機負(fù)責(zé)管理溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、蜂鳴器。人體紅外識別模塊從單片機系統(tǒng)中脫離出來，單獨委托給樹莓派直接管理，以提高系統(tǒng)反應(yīng)速度。

硬件系統(tǒng)設(shè)計

叁

1.單片機的設(shè)計

① 程序目的：通過c51單片機讀取DHT11溫度濕度傳感器的數(shù)據(jù)，以及MQ-2煙霧傳感器的數(shù)據(jù)，并使用一種自定義的數(shù)據(jù)傳輸方式，將讀取到的數(shù)據(jù)傳輸給樹莓派，由樹莓派處理傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

②程序思路：讀取DTH11溫度濕度傳感器中的數(shù)據(jù)（在wendushidu.c中），將讀取到的40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，取其前16位轉(zhuǎn)化為三位十進(jìn)制數(shù)字（濕度），取中間16位轉(zhuǎn)化為有一位小數(shù)的三位十進(jìn)制數(shù)字（溫度），將濕度與溫度合并轉(zhuǎn)化為六位十進(jìn)制數(shù)據(jù)并將其傳送給main.c進(jìn)行處理。

讀取MQ-2煙霧傳感器的數(shù)據(jù)（在main.c中），將煙霧傳感器輸出高低電平給單片機的P2^6引腳，判斷引腳的高低電平就可以知道周圍環(huán)境煙霧是否達(dá)到設(shè)定值。

C51與樹莓派的通訊：在main.c中將從wendushidu.c接收的六位十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有三位十進(jìn)制數(shù)字（濕度），三位十進(jìn)制數(shù)字（溫度），都帶有一位小數(shù)，將接受到的煙霧傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一位十進(jìn)制數(shù)據(jù)。將每一位十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，有7位十進(jìn)制數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為28位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中前12位為濕度，中間十二位為溫度，最后四位為煙霧標(biāo)志值。當(dāng)樹莓派發(fā)送給c51的P3^2管腳一個低電平時，c51觸發(fā)中斷，進(jìn)入main.c中的中斷函數(shù)。當(dāng)樹莓派發(fā)送給c51的P3^1管腳一個高電平時，c51的P2^1便發(fā)送給樹莓派一個高低電平，也就是一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，c51等待下一次P2^1管腳低電平，樹莓派給P2^1管腳高電平。重復(fù)上述操作28次，便將濕度溫度煙霧標(biāo)志值這28位二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳遞給樹莓派，樹莓派將c51的P3^2管腳拉高，結(jié)束完整的一次傳輸。重復(fù)中斷操作，就可以實現(xiàn)實時讀取傳感器數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到樹莓派。

③ 溫度濕度傳感器DTH11：DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。 其精度濕度+-5%RH， 溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH， 溫度0~50℃。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類應(yīng)用中，在苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

DHT11與c51的接線說明▼

將DHT11的2引腳接到c51的P3^6引腳，VCC接5v正電源，GND接地；

DHT11的程序說明：見程序文件c51程序.txt

1）初始化DHT11 見函數(shù)DHT11_start（）

2）從DHT11中讀取一位數(shù)據(jù) 見函數(shù)DHT11_rec_byte（）

3）從DHT11中讀取四十位數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為濕度溫度，返回 出函數(shù)見函數(shù)DHT11_receive（）

④煙霧傳感器MQ-2：適用于家庭或者工廠的氣體泄漏檢測裝置，適宜與液化氣，丁烷，丙烷，甲烷，酒精，氫氣，煙霧等檢測裝置。故因此，MQ-2可以準(zhǔn)確來說是一個多種氣體探測器。MQ-2的探測范圍極其的廣泛。它的優(yōu)點：靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單。

MQ-2的工作原理：MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。處于200~300攝氏度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會引起表面導(dǎo)電率的變化利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。

調(diào)定MQ-2上的螺母，就可以調(diào)節(jié)檢測的限定值，當(dāng)未達(dá)到限定值時，DO輸出高電平；當(dāng)煙霧或有害氣體濃度過大時，達(dá)到限定的濃度值，DO輸出低電平。

MQ-2與c51接線說明：

MQ-2有四個管腳，分別為VCC，GND，AO，DO。VCC管腳接+5V，GND管腳接地，AO懸空，DO接c51上的P2^6；

MQ-2的程序說明：見c51文檔中的main.c文件

MQ-2的DO管腳發(fā)出的電平傳遞到c51上的P2^6上，讀取P2^6上的電平高低就可以判斷是否周圍環(huán)境的煙霧有害氣體濃度是否達(dá)到限定值，當(dāng)達(dá)到限定值時，P2^6讀取到低電平；當(dāng)未達(dá)到限定值時，P2^6讀取到的時低電平。

2.樹莓派GPIO口設(shè)計

對樹莓派GPIO口的設(shè)計上，采用單獨功能的GPIO口進(jìn)行通訊。其中單片機由樹莓派GPIO模塊供電，樹莓派與下位機通訊使用三個引腳，樹莓派控制臺燈功能的實現(xiàn)使用了區(qū)別于單片機供電的另外兩個電源和兩個地，繼電器模塊使用一電源，臺燈供電由繼電器控制，繼電器作用信號由樹莓派控制，向上由openHAB2的用戶界面經(jīng)用戶觸發(fā)。

3.其他器件的連接

蜂鳴器直連在煙霧監(jiān)測模塊上，不經(jīng)過單片機，保證可靠。

軟件設(shè)計方案

肆

1.OpenHAB2的介紹和設(shè)計

①介紹

openHAB全稱為open Home Automation Bus，即開放式家庭自動化總線，該項目旨在為家庭自動化構(gòu)建提供一個通用的集成平臺。openHAB是一個純Java打造的開源項目，完全基于OSGi（Open Service Gateway Initiative），并使用Jetty作為web服務(wù)器。Jetty和Equinox OSGi運行時一起構(gòu)成了openHAB的核心基礎(chǔ)。

? 工作原理

openHAB的設(shè)計是廠商中立的，且與硬件/協(xié)議無關(guān)。openHAB通過綁定（binding），匯集了不同的總線系統(tǒng)、硬件設(shè)備和接口協(xié)議。這些綁定可以通過openHAB事件總線發(fā)送和接收命令，并更新狀態(tài)。開發(fā)者可以在openHAB的基礎(chǔ)上設(shè)計獨特的操作界面，以開放自己的家庭自動化系統(tǒng)，或者利用其他技術(shù)來創(chuàng)建設(shè)備的新的控制方式。

? 平臺架構(gòu)

openHAB平臺架構(gòu)圖如上所示。openHAB平臺架構(gòu)具有極強的模塊化設(shè)計特點，用戶可以動態(tài)的向平臺添加新的功能，移除不需要的模塊?；诖颂匦?，在平臺開發(fā)過程中，可以更加靈活的對系統(tǒng)的功能進(jìn)行控制和擴(kuò)展。

②設(shè)計

? 總體設(shè)計

openHAB平臺的總體設(shè)計示意圖如下所示。

用戶交互界面我們采用openHAB提供的HABPanel，該UI界面具有美觀、易操作、信息展示全面的特點。通過添加窗口小部件（Widget）即可將我們所需的功能模塊添加到用戶界面上，進(jìn)行操作與展示。

總體設(shè)計分為五個模塊，分別是：天氣預(yù)報模塊、燈光控制模塊、攝像監(jiān)控模塊、溫濕度檢測模塊和日程管理模塊。

? 天氣預(yù)報模塊

天氣預(yù)報模塊示意圖如下所示。

天氣預(yù)報模塊使用openHAB提供的weather binding。通過配置該binding，調(diào)用天氣服務(wù)提供商提供的天氣預(yù)報API獲取天氣信息，然后在openHAB配置文件中將這些天氣服務(wù)數(shù)據(jù)item化，最后在HABPanel的Widget中進(jìn)行調(diào)用，即可將天氣情況展示在界面上。在widget中天氣數(shù)據(jù)會通過后臺服務(wù)傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新。

Item配置文件代碼如下：

Weather Binding配置文件代碼如下：

此處我們使用的是ForecastIo提供的API，該API支持五天的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)。通過輸入ForecastIo提供的API（apikey）以及目標(biāo)地的經(jīng)緯度（latitude、longtitude）便可獲得所需地點的天氣數(shù)據(jù)。

? 燈光控制模塊

燈光控制模塊示意圖如下圖所示。

燈光控制模塊使用openHAB提供的HTTP Binding。通過在openHAB配置文件中生成燈光控制開關(guān)實例，然后該實例調(diào)用HTTP Binding服務(wù)向基于Flask框架實現(xiàn)的本地服務(wù)器發(fā)送開關(guān)命令從而實現(xiàn)燈光的控制。在HABPanel界面生成Button Widget，調(diào)用燈光控制開關(guān)實例，然后便可以通過點擊該按鈕實現(xiàn)對燈光的開關(guān)控制了。

Item配置文件代碼如下：

? 攝像監(jiān)控模塊

攝像監(jiān)控模塊示意圖如下所示。

攝像監(jiān)控模塊共有三部分構(gòu)成（紅線圈出部分）

對應(yīng)圖像展示W(wǎng)idget、攝像頭直接控制Widget和紅外人體感應(yīng)控制Widget。該模塊采用HTTP

Binding和GPIO Binding。通過在openHAB配置文件中生成攝像頭直接控制開關(guān)實例，然后該實例調(diào)用HTTP Binding服務(wù)向基于Flask框架實現(xiàn)的本地服務(wù)器發(fā)送開關(guān)命令從而實現(xiàn)攝像頭的直接開關(guān)控制。另一方面，通過添加人體感應(yīng)傳感器，還可實現(xiàn)感應(yīng)到有人出現(xiàn)后自動打開攝像頭的操作，紅外人體感應(yīng)傳感器與樹莓派的引腳連接后，通過GPIO Binding將傳感器信號在配置文件中實例化，將GPIO口傳送過來的高低電平信號（人出現(xiàn)與否的信號）傳送到實例化的對象上，然后通過openHAB中的自定義Rule實現(xiàn)感應(yīng)后將攝像頭控制開關(guān)打開從而打開攝像頭的操作。

在HABPanel中添加上相應(yīng)Widget后即可通過點按開關(guān)按鈕實現(xiàn)攝像頭的開關(guān)操作。

Item配置文件代碼如下：

Rule配置文件代碼如下：

? 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊示意圖如下所示。

該模塊主要使用了InfluxDB和Grafana。InfluxDB用于存儲溫濕度傳感器傳送過來的溫濕度數(shù)據(jù)。Grafana用于溫濕度數(shù)據(jù)的可視化展示，通過調(diào)用InfluxDB中的數(shù)據(jù)，即可展示出直觀的數(shù)據(jù)。最后在HABPanel中定義一個

frame Widget，將動態(tài)溫濕度數(shù)據(jù)圖表鏈接綁定到該Widget上，通過不斷刷新InfluxDB中的數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)圖表的動態(tài)展示。

溫濕度數(shù)據(jù)通過task.py腳步本從樹莓派的GPIO口進(jìn)行讀取，并直接POST到數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行更新。

? 日程管理模塊

日程管理模塊示意圖如下圖所示。

該模塊通過引用第三方日程管理平臺（SuperProductivity），然后在林格愛一個Panel中自定義Widget綁定平臺提供的接口即可實現(xiàn)日程管理的操作，用戶側(cè)滑打開task

Panel，然后輸入相應(yīng)日程任務(wù)即可將事項加入到日程表中。該平臺還支持日程的導(dǎo)出和本地日程文件的導(dǎo)入，操作極為方便。除此之外通過點擊頂部的Back to Home按鈕還可迅速跳轉(zhuǎn)到home Panel主界面，檢測home的其他數(shù)據(jù)和操作其他硬件設(shè)備。

2. Flask框架的介紹及設(shè)計

① 介紹

Flask是一個使用 Python 編寫的輕量級 Web 應(yīng)用框架。其WSGI 工具箱采用 Werkzeug ，模板引擎則使用 Jinja2 。Flask使用 BSD 授權(quán)。Flask也被稱為 “microframework” ，因為它使用簡單的核心，用extension 增加其他功能。Flask沒有默認(rèn)使用的 數(shù)據(jù)庫、窗體驗證工具。

② 設(shè)計

? 基于Flask的Web服務(wù)器代碼

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此代碼通過定義路由的方法，對每個不同的功能定義不同的url，openHAB2通過訪問特定url觸發(fā)特定代碼段，結(jié)合RPi.GPIO實現(xiàn)具體功能。代碼簡單易懂，變量名稱直白，便不再多加注釋。

? 傳感器的監(jiān)控程序代碼

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此段將傳感器的主要功能封裝成一個名為task的模塊，在主程序中調(diào)用以實現(xiàn)其功能。腳本將數(shù)據(jù)從單片機中讀出，進(jìn)行格式處理，再post給openHAB2用于繪制圖像。

3.51單片機的程序

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4. 其他

Wifi熱點的功能使用creat_ap實現(xiàn)，詳見：github*

日程管理功能由super-productivity實現(xiàn)，詳見：網(wǎng)址*

結(jié)論

伍

本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于樹莓派和openHAB2的家庭設(shè)備控制平臺，提供家庭環(huán)境的實時監(jiān)控功能（溫度、濕度、火災(zāi)報警），提供安防功能（視頻監(jiān)控，紅外人體識別，錄像和抓拍），針對老人和職場人士的日常事務(wù)管理方案，此外還有家庭ftp服務(wù)器，wifi熱點等輔助功能。系統(tǒng)以樹莓派及openHAB2為基礎(chǔ)，通過openHAB2和flask框架天然的適應(yīng)性，將家電設(shè)備納入統(tǒng)一管理，提供高度集成的管理界面，可通過手機、電腦直接對家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和控制。此外，由于openHAB2的高度靈活性，可以根據(jù)自身要求添加相應(yīng)的功能，在flask框架下的webserver中加入對應(yīng)的響應(yīng)即可實現(xiàn)定制功能，系統(tǒng)開發(fā)適應(yīng)性強。