陽(yáng)秋光 成建宏

摘要： 隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，智能化顯得極其重要。該系統(tǒng)是基于樹(shù)莓派為中繼控制模塊、wifi控制模塊、Arduino RGB全彩LED燈模塊以及手機(jī)APP模塊聯(lián)合的智能燈光控制設(shè)計(jì)。利用嵌入式開(kāi)發(fā)、Linux編程以及swift語(yǔ)言等主要技術(shù)和運(yùn)用IEEE802.11協(xié)議，從而搭建出RGB全彩LED燈光模塊的智能控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)是可靠和有效的，并且能夠有效地防止他人非法入侵，在現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)空調(diào)、窗簾、溫濕度等家居系統(tǒng)的智能控制具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派；嵌入式開(kāi)發(fā)；Linux系統(tǒng)；swift語(yǔ)言；IEEE802.11

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）29-0220-02

Abstract： With the rapid development of information technology and Internet， intelligence becomes extremely important. The proposed system is a intelligent lighting control design based on Raspberry Pi relay control module， wifi control module， Arduino RGB full-color LED module and mobile APP module. The intelligent control system of RGB full-color LED lighting module is built by using the main technologies of embedded development， Linux programming and swift language， and using IEEE802.11 protocol. The results of experiments show that this system is correct and effective， and can effectively prevent the illegal invasion of others， which has potential application value In real life to intelligently control the home systems such as air conditioners， curtains， temperature and humidity.

Key words： Raspberry Pi； embedded development；Linux system； Swift language； IEEE802.11

隨著科技信息化的發(fā)展，人類生活越來(lái)越離不開(kāi)智能化。而傳統(tǒng)的家居功能越來(lái)越不能滿足人們的生活需要，物聯(lián)網(wǎng)下的智能化家居越來(lái)越受到人們的關(guān)注。1984年美國(guó)聯(lián)合科技公司在康涅狄克州哈特佛市首次建立一套智能家居建筑，從此拉開(kāi)了智能家居熱潮[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，特別是近些年，4G通信技術(shù)全面鋪開(kāi)，更加加速了智能家居的發(fā)展。如國(guó)內(nèi)公司發(fā)布了海爾“e-家庭”和清華同方公司發(fā)布的“e-home”產(chǎn)品都是針對(duì)智能家居而設(shè)計(jì)的[2]。國(guó)外一些國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能家居的批量化應(yīng)用，如美國(guó)X10智能家居系統(tǒng)[3]、新加坡8X系統(tǒng)[4]、德國(guó)的EIB系統(tǒng)[5]等。雖然這些物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)品的出現(xiàn)，讓人們生活更加便捷[7]，但是經(jīng)濟(jì)成本一直制約智能家居的發(fā)展。隨著當(dāng)今信息技術(shù)的高速發(fā)展，信息安全也成為一個(gè)非常重要的問(wèn)題[8]。如上述所說(shuō)，研究一套即經(jīng)濟(jì)又安全的智能家居系統(tǒng)具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

樹(shù)莓派作為一個(gè)中繼點(diǎn)，運(yùn)用IEEE802.11通信技術(shù)協(xié)議，將各個(gè)硬件模塊串接在一起，很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈光亮度變化的控制以及后期拓展到各式電器設(shè)備的智能控制。樹(shù)莓派是通過(guò)GPIO口對(duì)各類電器設(shè)備的進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)家居電器設(shè)備進(jìn)行控制。同時(shí)，樹(shù)莓派作為系統(tǒng)控制的核心，接收移動(dòng)端的發(fā)送指令也充當(dāng)服務(wù)器的角色，根據(jù)不同的指令發(fā)送到相應(yīng)的電器設(shè)備。為了克服內(nèi)外網(wǎng)無(wú)法直接傳輸數(shù)據(jù)的問(wèn)題，該系統(tǒng)通過(guò)引入具有外網(wǎng)的IP路由器，能很好銜接內(nèi)外網(wǎng)的通信問(wèn)題，其中服務(wù)器端跟客戶移動(dòng)端通信采用的Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中，樹(shù)莓派端采用的C++語(yǔ)言進(jìn)行編程構(gòu)建。該系統(tǒng)的總體的框架圖如下圖1所示：

從系統(tǒng)的框架圖可以看出，后續(xù)還可以有其他的電器設(shè)備進(jìn)行功能拓展。

1.1 樹(shù)莓派介紹

樹(shù)莓派是一種微型的計(jì)算機(jī)，其大小相當(dāng)于一張銀行卡。選用了樹(shù)莓派3B型開(kāi)發(fā)板，其包括了四核1.2GHZ Broadom BCM2837 64位CPU，板載了802.11b/g/n wifi和藍(lán)牙4.1，雙核Video coreIv多媒體協(xié)處理器等。支持linux系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)下的開(kāi)發(fā)，具備了 PC的基本功能，其價(jià)格低廉，給我們提供了一個(gè)理想的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其中樹(shù)莓派3B芯片的具有40個(gè)GPIO驅(qū)動(dòng)接口。

1.2 三色全彩LED燈模塊

該模塊可以顯示全紅、綠和藍(lán)三種基色，輸入為5V的電壓。通過(guò)PWM端口實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制，Arduino PWM接口可直接驅(qū)動(dòng)。使用wiringPI來(lái)驅(qū)動(dòng)GPIO口，控制LED燈時(shí)，采用了樹(shù)莓派的GPIO口11、12和13分別控制RGB三個(gè)顏色。

2 IEEE802.11協(xié)議原理

IEEE802.11其實(shí)就是無(wú)限局域網(wǎng)，主要包含了ISO協(xié)議中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。802.11是國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)聯(lián)合制定的，是第一代無(wú)限局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)之一。它規(guī)定了物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC地址的規(guī)范，允許無(wú)限局域網(wǎng)和無(wú)限控制設(shè)備在一定空間范圍內(nèi)建立通信。隨著信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)需求也從單一的通信到多方面需求，以往的IEEE802.11通信協(xié)議也隨著人們需求慢慢發(fā)展，先后有IEEE80211a、IEEE80211b、IEEE80211c、IEEE80211d等等[6]。為了實(shí)現(xiàn)高帶寬和高質(zhì)量通信，IEEE802.11n協(xié)議應(yīng)用而生。無(wú)限局域網(wǎng)通過(guò)掃描方式獲得信息，其掃描的工作方式主要有兩種：主動(dòng)掃描工作模式和被動(dòng)掃描工作模式

2.1 WiFi介紹

Wifi通信最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要布線，在有限的空間范圍內(nèi)可以通過(guò)密鑰驗(yàn)證連接。Wifi的通信發(fā)射的功率不超過(guò)100毫瓦，手機(jī)發(fā)射功率在5瓦左右，wifi通信功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手機(jī)的發(fā)射功率，并且不需要隨身攜帶。

2.2 Socket通信

網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)程序之間進(jìn)行連接通信，需要建立一個(gè)雙向的TCP連接，連接的一端被稱為socket。倘若樹(shù)莓派的服務(wù)器端和手機(jī)移動(dòng)客戶端要建立通信，樹(shù)莓派的服務(wù)端要建立一個(gè)socket，與此同時(shí)手機(jī)移動(dòng)客戶端也需要建立一個(gè)socket，兩者基于TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。兩者進(jìn)行具體的工作流程圖如圖2所示。

3 嵌入式原理和swift語(yǔ)言

3.1 嵌入式開(kāi)發(fā)基本原理及swift語(yǔ)言

嵌入式系統(tǒng)一般分為四個(gè)部分：處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出（I/O）和軟件[6]。嵌入式是面向用戶、面向產(chǎn)品和面向，與具體應(yīng)用相結(jié)合才能體現(xiàn)。以樹(shù)莓派硬件模塊為基礎(chǔ)，通過(guò)外圍硬件設(shè)備，通過(guò)軟件的配置形成一個(gè)智能控制燈光的系統(tǒng)。

Swift語(yǔ)言是Apple在WWC2014發(fā)布一種ios系統(tǒng)和osx系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言，基于Objictive-c和C，有意兼容了C和Objictive-c，相比C語(yǔ)言更加簡(jiǎn)單、靈活。而系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了Xcode編譯器，Swift語(yǔ)言書寫。

4 實(shí)驗(yàn)原理與仿真

采用了樹(shù)莓派3B作為嵌入式平臺(tái)，Arduino RGB全彩LED燈和蘋果手機(jī)，利用實(shí)驗(yàn)室已有的WiFi，通過(guò)軟硬件結(jié)合。使用WiringPI來(lái)驅(qū)動(dòng)GPIO管腳，控制LED燈，分別采用了11、12和13管腳分別控制RGB三種顏色。手機(jī)端采用Xcode編譯器編譯命令，通過(guò)socket發(fā)送指令給嵌入式段，該套接字擁有IP號(hào)和Port的功能，通過(guò)觸摸改變各種參數(shù)，其中手機(jī)APP程序擁有密碼連接功能，防止外來(lái)設(shè)備侵入。實(shí)驗(yàn)仿真圖3如下：

系統(tǒng)先通過(guò)點(diǎn)擊圖5中第一張圖片上的手機(jī)界面配置系統(tǒng)屬性，進(jìn)入圖5中第二張圖片界面，提示輸入端口號(hào)和IP號(hào)進(jìn)行連接。連接成功后，有紅、綠和藍(lán)三種顏色配置屬性界面，該圖中關(guān)掉了紅和藍(lán)兩種顏色，只顯示了綠色，在Socket在建立連接后，第一次通訊，要求連接方發(fā)送密碼，這樣是為了防止外來(lái)設(shè)備的侵入，有很好的安全性能。

5 結(jié)論

本文基于樹(shù)莓派設(shè)計(jì)了一種智能燈光控制系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下：

（1）通過(guò)Soctet建立通信需要建立連接需要放松密碼，具有很好的安全性能。

（2）該系統(tǒng)還可以拓展到對(duì)窗簾、煙霧和家庭室內(nèi)的溫濕度控制及監(jiān)測(cè)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證對(duì)比，可以得出該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。對(duì)于停電的突發(fā)情況，還有通信網(wǎng)絡(luò)的重啟等情況還沒(méi)有過(guò)多考慮，這是下一步研究的重點(diǎn)，力爭(zhēng)開(kāi)發(fā)出一套性能更加完善的系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 海爾 U-home http：//baike.baidu.com/view/379694.htm.

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[8] 張蓉.基于大數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)信息安全問(wèn)題研究[J].信息通信，2017，13：23-26.

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