基于树莓派的智能家居系统设计与实现

2021年第40卷第2期传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)105
DOI ： 10.13873/J. 1000-9787(2021)02-0105-03
基于树莓派的智能家居系统设计与实现*
*收稿日期：2019-09-20
*基金项目：国家自然科学基金资助项目（61705127）
梁明远，陈 强，张崇琪，刘慧杰
(上海工程技术大学电子电气工程学院，上海201600)
摘要：针对传统智能家居成本较高、交互方式单一、操作繁琐等问题，设计与实现基于树莓派的智能家 居系统。

以树每派为控制中心，以智能音箱和用户界面(UI)为用户交互终端。

开发与集成了 Home Assis ­tant 平台、百度语音平台、图灵机器人，实现语音交互控制室内终端设备，采用JavaScript 设计UI 图形界面 实现远程控制家居设备。

人性化场景模式和设备间的智能互动，使家居生活更加安全舒适、节能高效。

实 验结果表明:该系统设计合理,功能指标满足智能家居的设计要求，为智能家居进入普通家庭提供了良好 方案。

关键词：智能家居；语音交互；场景模式；智能互动；Home Assistant 平台 中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2021)02-0105-03Design and implementation of smart home system based on
Raspberry Pi *
LIANG Mingyuan , CHEN Qiang , ZHANG Chongqi , LIU Huijie
(School of Electronic and Electrical Engineering ,Shanghai University of Engineering Science ,Shanghai 201600,China)
Abstract : Aiming at the problems of high cost,simple interaction mode and cumbersome operation of traditional smart home , a smart home system based on Raspberry Pi is designed and implemented. Raspbeny Pi is used as control center and intelligent speaker and user interface ( UI ) are used as the user interaction terminal in the system. The Home Assistant platform and Baidu voice platform and Turing robot are integrated to realize the voice interactive control indoor terminalequipment ； JavaScript is used to design the UI graphical interface to realize remote control of home equipment. The user-friendly scene mode of the system and the intelligent interaction between the devices make the home life safer, more comfortable, energy-saving and efficient. The experimental results show that the design of the system is reasonable and the functional indicators meet the design requirements of smart home , and provides a more reliable and cost-saving solution for smart home to enter ordinary and families. Keywords : smart home ； voice interaction ； scene mode ; intelligent interaction ； Home Assistant platform 0引言随着居民生活水平和消费能力的不断提髙，人们对新 生活方式的需求激发了对传统生活的改变。

依托于物联 网、云计算和人工智能等新技术的智能家居系统，逐渐成为 家居领域的一大亮点m 幻。

智能安防、场景融合、远程控 制、语音交互、家庭娱乐等都是智能家居带给我们的智能化 体验。

文献［3］采用ZigBee 技术和WiFi 技术，实现对家电 设备的远程控制和无线视频传输。

文献［4］讨论了基于 Yeelink 平台的语音交的智能家居系统,实现语音交互、家 居环境监测等功能。

文献［5 ］提出以嵌入式Web 服务、QT
技术、无线组网技术相结合的智能家居控制系统，实现对家 居环境的远程监测和控制。

以上这些家居系统采用了不同 的无线通信方式，均实现了远程监控、家居环境信息采集的 需求，但缺乏用户需要的应用场景，设备之间无法互联互
通,缺乏联动性。

通过对智能家居控制系统详细的分析、研究和设计，实 现了一种成本低廉、易于操作的解决方案,系统拥有人性化 场景模式，实现设备间的智能互动，使家居生活更加安全舒 适、节能高效。

1系统总体设计智能家居系统整体框架如图1所示。

系统整体由三部 分组成:云服务器、树莓派智能网关⑹、数据采集子系统。

系统以树莓派为核心控制中心，以智能音箱和UI 为用户交 互终端，结合Home Assistant 平台、百度语音平台和图灵机 器人,实现语音交互的智能家居控制系统⑺。

106传感器与微系统第40卷
图1总体设计方案框图
2系统硬件设计
2.1数据采集子系统⑻
1)检测模块:系统配置了温湿度传感器、烟雾传感器、雨滴传感器、人体红外、光照传感器等多种环境智能传感设备，实现环境数据采集功能。

2)无线传输模块：系统采用乐鑫科技WiFi模块ESP32-S,该模块具有低功耗、可扩展、自适应等特点⑼。

ESP32-S移植ESPHome固件系统，之后通过OTA方式编译上传代码。

其Web管理页面的可视化配置,具有操作简单的特点，采集数据通过无线传感网络存储到Home Assistant数据库。

2.2语音采集模块
系统选用微雪(waveshare)电子公司的双麦克风扩展板作为语音采集模块，采用WM8960低功耗立体声编解码器，通过F C接口控制,HS接口传输音频。

板载标准3.5mm耳机接口，可通过外接耳机播放音乐，同时也可通过双通道喇叭接口外接喇叭播放。

扩展板左右两边有一个高质量MEMS硅麦克风，可以立体声录音。

在图中，树莓派的CPIO19连接至」了DACLRC和ADCLRC,XXXLRC为帧吋钟，用于切换左、右声道，如LRC为高电平表示正在传输的是左声道数据，为低电平表示正在传输的是右声道数据。

GPIO21连接到DACDAT弓|脚，GPIO20连接到ADCDAT弓|脚。

当录音的吋候，对模拟声音信号采样，通过内置ADC 将模拟信号转换为数字量，从ADCDAT输出，经过IIS控制器将数字量存放在音频芯片内存中；当播放的时候,DAC-DAT从音频芯片内存中读取数字量，经IIS控制器将数字量传输给编解码芯片，通过内置DAC将数字量转换为模拟量播放出来。

该模块与树莓派完美兼容，满足本系统设计的需求。

具休的电路如图2所示。

图2WM8960工作电路
2.3音乐灯带模块
基于频谱变换的音乐灯带，首先将采集到的声音信号经过快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)计算得到频域信号,如果直接将频域信号用于音乐灯带，会出现听觉与视觉感受差异。

人的听觉系统是一个特殊的非线性系统，相比高频段的差异，人们对低频段更加敏感。

同时人类对声音具有延时消退效应，当音乐灯带效果通过视觉传入人脑，如果要与听觉产生共鸣,需要将线性频谱映射到基于听觉感知的Me?非线性频谱中，其线性频率/与Mel频率存在如式(1),最后通过积分、微分、高斯滤波等变化转换为与听觉共鸣的音乐灯带模式
met(/)=2595xlog10(l+f/700)(1) 3系统软件设计
3.1语音控制程序设计
用户首先通过固定的唤醒词,如“大梁仔”，触发Snow­boy唤醒词检测引擎机制问从而唤醒智能音箱。

用户在听到“滴”的提示音后,再次输入语音控制指令,系统通过麦克风读取用户的语音输入,将语音数据进行固定格式的封装，通过调用百度语音识别(ASR)服务将语音转换成文本;其后将该文本传递给Home Assistant平台的语音控制相关的组件进行技能匹配，如Conversation组件和Intent_script组件，执行对应的动作。

若技能匹配失败，将文本传递给图灵机器人获得语义解析。

最后将技能命中的提示信息或者图灵机器人抓取的信息传递给百度语音合成(TTS)服务合成语音，通过音箱播放给用户。

智能音箱工作流程如图3所示。

图3智能音箱工作流程
3.2场景模式设计
场景模式采用Home Assistant平台的Script(脚本)组件,实现设备间多级联动，如起床模式、参观模式等。

起床模式下，早上用户语音唤醒智能音箱,通过语音指令开启起床模式;通过采集的温湿度决定是否打开风扇，自动开启窗帘，根据室内的光照强度决定是否打开照明等。

起床模式流程图如图4所示。

3.3Lovelace UI设计
用户界面是智能家居系统和用户之间进行信息交互的媒介，主要用于展示室内环境数据和远程操控家电设备。

Home Assistant平台集成了UI编辑器，首先调用Home Assistant平台的实体(entity),写入动态数据，渲染成页面，并调用JavaScript插件，页面以卡片的形式进行排版。

第2期梁明远，等:基于树莓派的智能家居系统设计与实现107
图4起床模式
3.4云服务器配置
用户远程访问UI,需要将Home Assistant平台的内网端口映射到公网。

首先通过FRP内网穿透构建TCP隧道，将远程客户端与云主机80端口建立连接;其次通过FRP隧道转发到FRP客户端,FRP客户端与树莓派8123端口建立通信;最后使用动态域名服务（dynamic domain name service, DDNS）技术〔"将域名与云服务器公网IP绑定，设置FRP隧道中443远程端口映射，实现客户端远程登录访问。

4系统测试
本文设计实现的智能家居控制系统实物如图5所示，UI界面如图6所示。

为了保证系统的可靠性和稳定性，需要进行两方面的测试:系统功能测试、系统压力测试。

图5智能家居控制系统实物图
图6UI
4.1功能测试
系统功能测试即将软件、硬件、测试者作为一个整体,验证主动制造触发条件时，各部分系统功能是否能够运行,根据功能测试用例，逐项测试,检查系统是否达到用户要求的功能。

4.1.1测试过程
测试用例:1）主动进行人脸识别,验证刷脸通过，是否语音播报用户姓名等相关信息;刷脸验证失败后，是否将抓拍的照片以邮件的形式发到用户手机;2）主动播放音乐，验证音乐灯带的颜色是否随音乐频率的变化而变化;3）主动触发厨房的烟雾报警，验证音箱是否有警报音乐响起，是否发送报警的邮件;4）主动唤醒智能音箱,验证场景模式（起床模式、参观模式、电影模式、唱歌模式），根据不同的场景,设备是否形成多级联动。

4.1.2测试结果
如表1所示，通过制造触发条件，结果表明各项功能符合设计需求。

表1系统测试结果表
验证功能测试用例编号测试结果
人脸识别1识别成功，语音播报
音乐灯带2灯带的颜色随音乐频率而变化厨房烟雾报警3警报音乐响起，警报邮件发送止常
起床模式4灯光、窗帘、风扇联动
参观模式4家中所有设备全部开启
电影模式4灯带、窗帘、风扇、电视联动
唱歌模式4舒缓音乐播放，灯带接入正常4.2压力测试
压力测试是为了保证系统在大量重复性触发系统功能的情况下能够正常可靠运行，出现错误的次数可控,从而确保系统错误率在用户的可接受范围。

本文测试包括电机控制、照明控制、风扇控制、人脸识别、邮件通知、音乐灯带。

1）测试过程:测试环境为智能家居控制系统，通过主动触发条件的方式,按照表2所示的各项功能测试次数逐次触发,并记录成功与失败的次数。

2）测试实验结果:测试结果如表2所示,人脸识别平均响应时间略氏，是由于网络波动和硬件结构导致数据处理所需时间略长。

其成功率稍低，主要是因为响应时间过长间接导致上传数据失败。

其余各模块数据处理量较小，且无需上传数据，因此平均响应时间较短,反应速度较快，测试的结果成功率较高，在后期测试和使用过程中，用户体验良好。

总体来说，整个系统各模块达到预期效果。

表2压力测试结果
基本功能平均响应时间/S测试次数成功次数失败次数成功率/%语音识别 1.143002871395.6
人脸识别 2.435004514990.2
电机控制0.20300292897.3
照明控制0.5510099199.0
风扇控制0.71200197398.5
邮件通知 2.68300295598.3
音乐灯带0.3620019649&0
5结束语
基于树莓派的智能家居系统实现了家居环境监控、远程控制、语音交互等功能,并且具有人性化的场景模式（起
（下转第112页
）
112传感器与微系统第40卷
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5
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东方向/m
(a)磁目标运行轨迹示意(b)磁目标定位曲线
(c)定位误差曲线
图8试验结果
由图8(c)可知，系统误差自矫正后误差显著降低，平均误差由矫正前1.142m降低至矫正后0.699m,精度增加了一倍，证明设计的能够自矫正的新型简易空间直角四面体结构磁目标定位系统具有较高的定位性能。

5结束语
通过对比分析各种结构特点的磁场张量测量阵列，确定一种能够自矫正的新型简易空间直角四面体结构磁目标定位系统，通过仿真各种因素对系统定位误差的影响确定系统最优参数。

试验结果表明，自矫正后的系统定位轨迹与目标轨迹基本一致，证明该系统在水下磁目标定位中具有较高的工程应用和价值。

在未来，为获得更良好的定位精度,可以在如下方面进行进一步的研究:1)优化传感器结构,减小磁场张量测量阵列基线距离;2)优化定位算法，使用两点协同定位，构建目标函数,解算磁目标位置矢量。

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作者简介：
陶威(1994-),男，硕士研究生，研究方向为地磁导航及水下磁目标探测,E-mail:188****6398@。

张晓明(1976-),男，通讯作者，教授，硕士研究生导师，研究领域为动态测试与组合导航,E-mail：zxm_auto@。

(上接第107页)
床模式、参观模式、电影模式、唱歌模式)和设备间的智能互动,很好解决了传统智能家居成本较高、交互方式单一、操作繁琐等问题。

语音交互结合Home Assistant平台、百度语音平台、图灵机器人，实现对室内终端设备的控制。

系统成本低廉、易于操作，为智能家居进入普通家庭提供了更加可靠、成本可接受的良好方案。

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[11]叶高扬，毕冉•基于物联网的智能家居系统设计与实现[J].
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作者简介：
梁明远(1995-)，男，硕士研究生，研究方向为嵌入式开发及应用，软件架构,软件开发，E-mail：liangmy_sh@。

陈强(1965-),男，通讯作者，博士，教授，主要研究领域为地球探测与信息技术,软件工程，增强现实,人工智能，传感与电子信息，E-mail:sues_chen@
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