毕业设计论文-基于树莓派的智能家居.docx

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摘要

随着物联网技术的发展，智能家居产业迅速崛起。

在此背景下，我们研究了智能家居管理系统的设计与实现。

本文所设计的智能家居管理系统采用分层架构设计，分别为感知层、中间层以及应用层。

感知层利用温湿传感器、火焰探测器、土壤湿度检测器等来采集我们需要的数据。

中间层利用数据平台为我们采集到的数据进行存储与展示。

应用层利用树莓派来对采集到的数据进行分析处理，如果发现异常则采取相对应的措施。

在Linux环境下，以树莓派为硬件平台，实现智能家居管理系统。

在树莓派的平台上完成对智能家居系统设计与实现后，能够较好的实现设计的基本功能，采集数据都正确，系统比较稳定，并且该系统较好的完成异常处理。

关键字：

智能家居，树莓派，传感器，Python

Abstract

WiththedevelopmentofInternetofthingstechnology,smarthomeindustryhaverapidrise.Inthiscontext,westudythedesignandimplementationofintelligenthomemanagementsystem.

Inthispaper,theintelligenthomemanagementsystemadoptsthehierarchicalarchitecturedesign,whichisthesensinglayer,themiddlelayerandtheapplicationlayerrespectively.Thesensinglayerusestemperatureandhumiditysensors,flamedetectors,soilmoisturedetectorsandothersensorstocollectthedatathatweneed.Themiddlelayerusesthedataplatformtostoreanddisplaythedatawecollect.ApplicationlayeruseRaspberryPitoanalysisthedatathatwecollect,andittakecorrespondingactioniffoundtheexception.UndertheLinuxenvironmentandRaspberryasthehardwareplatform,weachievedintelligenthomemanagementsystem.

Intheraspberrypiplatformtocompletetheintelligenthomesystemdesignandimplementation,tobetterachievethebasicfunctionsofthedesign,datacollectionarecorrect,thesystemisrelativelystable,andthesystembettertocompletetheexceptionhandling.

Keywords:

Smarthome,RaspberryPi,Sensor,Python

山东科技大学本科毕业设计（论文）

目录

1绪论 1

1.1课题背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3课题的主要工作 3

1.4本文的组织结构 4

1.5本章小结 5

2系统关键技术介绍 6

2.1树莓派硬件应用 6

2.2Yeelink数据平台 8

2.3面向对象Python 10

2.4本章小结 13

3系统需求与总体设计 14

3.1系统需求概述 14

3.1.1照明控制模块需求 14

3.1.2草木智能浇水模块需求 14

3.1.3窗帘控制模块需求 15

3.1.4厨房火焰探测模块需求 15

3.1.5展示需求 15

3.1.6数据存储需求 15

3.1.7异步事件 16

3.1.8性能 16

3.1.9易用性 16

3.2整体系统概述 16

3.2.1系统硬件架构设计 17

3.2.2系统软件架构设计 18

3.3功能模块设计[22] 19

3.4本章小结 20

4系统详细设计与实现 21

4.1数据库设计 21

4.2数据读写接口 23

4.3发送邮件 26

4.3.1打开smtp服务 26

4.3.2构造邮件 27

4.3.3发送邮件 28

4.4数据通信接口 30

4.4.1Yeelink获取数据 30

4.4.2Yeelink修改编辑数据 31

4.5照明系统控制模块实现 33

4.5.1Python控制继电器 33

4.5.2抖动 35

4.5.3Python控制HC-SR501模块 35

4.5.4照明系统控制组合 38

4.6智能浇水模块实现 39

4.6.1Python控制土壤湿度传感器 39

4.6.2利用继电器控制抽水机 40

4.6.3智能浇水模块组合 41

4.7厨房火焰检测模块 41

4.7.1Python控制火焰探测器 41

4.7.2利用Yeelink发送邮件 43

4.7.3厨房火焰检测模块组合 44

4.8窗帘控制模块 44

4.8.1Python控制L289N模块 44

4.8.2Python获取系统时间 47

4.8.3Python控制DTH11模块 47

4.8.4窗帘模块的功能整合 50

4.9本章小结 50

5系统测试评价和总结展望 51

5.1系统测试与评价 51

5.2总结与展望 54

5.3本章小结 54

参考文献 55

致谢 57

附录一英文原文 58

附录二中文翻译 64

1绪论

1.1课题背景与意义

智能家居是在物联网的影响之下的物联网化的体现[1]，它的概念最早出现于美国，利用先进的计算机、嵌入式、网络通信、综合布线技术等技术，将与家居生活有关的各种子系统有机的结合在一起。

随着大数据[2]，云计算，可穿戴设备，人机交互，物联网等技术的不断兴起和发展，智能家居开始由概念逐步的进入到现实生活中。

智能家居在美国、日本、新加坡、德国已经得到了广泛的运用[3]，并且获得了很快的发展。

由于诸多原因，中国的智能家居的发展相对缓慢，但是随着国家的政策的扶持与规范引导、消费观念的形成、智能城市建设的逐步深入和完善、物联网技术的发展与兴盛，我国的智能家居前景非常广阔。

根据《中国智能家居设备行业发展环境与市场需求预测分析报告前瞻》预计[4]，国内的智能家居行列将以年均19.8%的速率增长。

所以这就对人才的需求更加紧迫。

本课题的意义：

1）保持了传统的居住功能的基础上，摆脱了被动模式，成为具有能动性智能化的现代工具。

2）提供高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

3）以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通讯、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体。

4）可以节约用电量的使用，并实时的提供服务。

1.2国内外研究现状

2017年，随着智能化产业进入新的市场格局，国内厂家迎来全面的升级，致力为智能产业生态链，提供更全更新更深度的行业分析和品牌数据监测服务[5]。

据市场调研公司《MarketsAndMarkets》近日发布报告称，全球智能家居市场规模将在2022年达到1220亿美元，2016-2022年年均增长率预测为14%。

智能家居产品分类涵盖照明、安防、供暖、空调、娱乐、医疗看护、厨房用品等[6]。

智能家居行业发展的潜力吸引众多资本加入，包括传统硬件企业、互联网企业、房地产家装企业纷纷抢滩智能家居市场。

谷歌、苹果、微软、三星、华为、小米、魅族等众多科技公司入局，在其努力之下，全球智能家居行业前景看好。

同时，移动通信技术的不断发展不断地给智能家居行业提供强而有力的技术支持，包括5G技术、蓝牙5、下一代wifi标准等都有明确的商业化时间表。

越来越多的新技术涌现出来，与智能家居的融合将产生强大的合合力，如人工智能技术、语音识别技术、深度学习技术等，他们都不断发力智能家居行业，争取与智能家居技术深度融合。

智能家居产品将会越来越普及，分类越来越细化，所涉及的产品种类会更多[7]。

远程控制会有一定的发展，但终究会被完整的智能家居系统所代替。

智能家居市场的未来广阔，但智能家居平台市场大战也是必不可少的。

国外状况：

自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。

智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。

国内状况：

智能家居作为一个新生产业，处于一个导入期与成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。

正因为如此，国内优秀的智能家居生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究，一大批国内优秀的智能家居品牌迅速崛起，逐渐成为智能家居产业中的翘楚！

智能家居至今在中国已经历了近12年的发展，从人们最初的梦想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个艰难的过程[8]。

现在我国的智能家居主要是两个发展方向。

一种是做终端的产业，从控制对象、控制方式和控制电路的设计与实现都是一体化、集成化、流水型的，该方面主要要求系统的个性化和安全性。

另一种是做数据的通信接口的设计和控制对象的控制，为所有的控制对象提供数据的储存，该方面主要要求各类数据的有效存储和各模块的工作机制的了解。

1.3课题的主要工作

1）对树莓派的硬件组成、GPIO的构成做到全面了解，对树莓派的操作系统安装完成以达到正常的使用，并且要对Linux操作系统的基本操作做到得心应手。

2）对传感器的工作原理做到了解，并且能够正确使用传感器来达到我们需要它们达到的效果。

并对一些协议做到大体了解，比如串行、UART、SPI、I2C等。

3）对Python的基本数据类型和语法熟练掌握，并能够应用python进行GPIO、网络请求、时间戳、邮件发送等模块的使用。

4）对电机驱动的连接和控制电机等模块进行有效的控制。

并且要做到能够根据传感器采集的信息做出联动的效果。

5）对于不同的功能如何做到不受代码执行顺序的限制，而达到并行的效果。

Python中的GPIO中有一个异步事件，可以根据GPIO的高低电平达到并行效果。

效果要比多线程和多进程优秀很多，这是由于树莓派的结构所限制。

6）使用数据存储平台来对我们采集的数据进行共享和同步，从而可以是我们可以从网站、手机、微信等获得数据。

实现对数据上传和下载。

1.4本文的组织结构

本文以树莓派为硬件平台、数据存储平台为软件，分析各传感器的功能，并利用合适的传感器来实现不同的功能模块，不同模块具有不同的功能，实现了四个方面的功能。

本文分为五章，内容安排如下：

第一章，绪论。

主要介绍了论文的选题背景和其相关意义，介绍了智能家居的国内外研究现状，详细说明了整个平台所需要解决的主要问题和本文的主要工作以及组织结构。

第二章，系统关键技术介绍。

主要介绍系统开发所应用到的关键技术。

采用各种传感器对数据进行实时的数据采集；采用Python对收集的数据进行相互关联和处理；采用数据存储平台进行数据的收集和展示；根据采集的各数据结果利用继电器控制家电表现