CN110262276B - 基于树莓派的智能家居***及其控制方法 - Google Patents

基于树莓派的智能家居***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

基于树莓派的智能家居***及其控制方法，该家居***包括指示灯模块、语音模块、室内环境采集模块、安防监控模块、家居终端、音响模块、用户终端、云端、ZigBee协调器和树莓派。指示灯模块、语音模块、安防监控模块、音响模块、用户终端、云端和ZigBee协调器均与树莓派连接；ZigBee协调器与室内环境采集模块和家居终端连接。通过检测网络状态和用户登入情况控制***的工作模式，远程控制时采用邮箱和微信共同保证登入***用户的准确性，由树莓派和ZigBee协调器共同实现对家居***的智能控制和用户互动。本发明实现了对家居***的实时监控，提高了***的隐私性、兼容性和稳定性，保证了用户的家居安全，降低了***的成本，具有较好的市场前景。

Description

基于树莓派的智能家居***及其控制方法
技术领域
本发明涉及智能家居控制领域，特别是涉及一种基于树莓派的智能家居***及其控制方法。
背景技术
随着社会的进步和智能产品的飞速发展，越来越多的智能产品被应用于人们生活的家居领域，实现人们远程对家用电器的控制和家居安全的监控。然而现有的智能家居控制普遍存在以下几个问题：（1）缺乏规范和统一的行业标准，不同厂家研发的***无法兼容，用户选择范围受到局限，使用成本高；（2）智能家居产品在安装、调试和使用过程中的操作手段过于复杂，功能齐全的综合型***更是如此，用户使用的难度增加，尤其不便于年龄较大的家庭成员的操作；（3）***进行远程控制时对家庭成员的隐私及设备的安全可靠性存在较大的风险；（4）市面上大多数产品的***稳定性取决于网络的稳定性，当网络中断时，***会处于瘫痪状态。
因而如何实现智能家居产品的兼容、便利用户操作、隐私性好且稳定的性能是目前亟需解决的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于树莓派的智能家居***及控制方法，该智能家居***能够根据网络状态进行离线语音控制、在线语音控制和远程控制三种模式的切换，通过邮箱与微信的双重验证进行***的远程控制，树莓派通过网络和USB口分别与用户终端和ZigBee协调器进行连接，ZigBee协调器与家居终端通信并进行控制，提高了智能家居***的隐私性、兼容性和稳定性。
本发明的技术方案是：基于树莓派的智能家居***，包括指示灯模块、语音模块、室内环境采集模块、安防监控模块、家居终端、音响模块、用户终端、云端、ZigBee协调器和树莓派。
所述指示灯模块由多个彩灯组成，用于指示***的控制模式。
所述语音模块由麦克风阵列组成，用于采集用户的语音数据。
所述室内环境采集模块包括气体传感器和温湿度传感器，用于采集家居环境中的可燃气体参数和温湿度参数。
所述安防监控模块包括人体传感器和摄像头，分别用于对进入家居环境中的人体进行感应和拍摄照片。
所述家居终端包括电灯、加热器、排风扇和空调。
所述音响模块包括音箱，用于播报语音提示用户操作步骤以及播放树莓派根据用户指令获取的相关互联网资源。
所述用户终端包括安装有微信和邮箱软件的手机、电脑或IPAD，用于通过安装的微信和邮箱软件进行***的登录以及控制指令的发出。
所述云端包括百度语音识别和互联网资源。
所述ZigBee协调器通过USB口与树莓派连接，ZigBee协调器通过ZigBee自组无线网络分别与室内环境采集模块和家居终端连接，用于储存室内环境采集模块采集的环境参数供树莓派调用、接收树莓派发送的控制指令以及发送控制指令至家居终端。
所述指示灯模块、语音模块、安防监控模块、音响模块、用户终端和云端均与树莓派连接；其中指示灯模块、语音模块、安防监控模块分别通过导线与树莓派连接，音响模块通过音频数据线与树莓派连接，用户终端和云端均通过网络与树莓派连接。
该基于树莓派的智能家居***的控制方法，包括如下步骤：
A，用户初始化设置：用户根据自己的喜好训练snowboy唤醒关键词和控制家居终端状态的指令集；并预先存储具有所有家庭成员邮箱号的家庭成员列表库以及在微信上建立包含所有家庭成员微信号且群名为“智能家居家庭群”的微信群。
B，树莓派检测其网络连接是否正常。
C，若网络连接不正常，***进入离线语音控制模式，控制指示灯模块的所有彩灯呈粉色；语音模块接收用户发出的语音，树莓派调用经用户事先训练好的snowboy，当用户的语音中存在唤醒关键词时唤醒***，然后判断用户语音中是否有存在用户事先训练好的指令集中的指令，若有则snowboy启动相应的控制程序，由树莓派对家居终端的状态进行控制。
D，若网络连接正常，树莓派启动邮箱检测线程：检测是否收到指令邮件，若收到指令邮件，进一步判断发件人是否在预先存储的家庭成员列表库中以及主题是否为“登入***”，若发件人在家庭成员列表库中且则邮件主题为“登入***”，则***进入远程控制模式：关闭邮箱检测线程，控制指示灯模块的所有彩灯呈黄色，发送登入***的二维码至用户邮箱，用户通过微信扫描该二维码登入***，预先建立的微信群名为“智能家居家庭群”中的家庭成员在该微信群中发送语音或文字消息，对***进行控制。
用户通过在“智能家居家庭群”微信群中发送包含“退出”的语音或文字信息退出远程控制模式，并重新启动邮箱检测线程。
E、若网络连接正常，树莓派未收到指令邮件、收到的指令邮件的发件人不在家庭成员列表库中或邮件主题不是“登入***”，则***进入在线语音控制模式：控制指示灯模块的所有彩灯呈绿色，语音模块接收用户发出的语音，树莓派调用云端的百度语音识别对用户的语音进行识别，并将识别出的控制家居终端状态的指令发送到ZigBee协调器从而控制家居终端的状态；若用户的语音中不存在家居终端的控制指令，则树莓派根据用户的需求调用云端互联网资源与用户进行互动，并将互动结果通过音响模块播放。
其中，步骤D中，用户远程控制模式中对***的控制包括安防监控模块的状态控制和信息的获取、室内环境采集模块信息的获取、家居终端状态的控制以及获取的信息的用户终端显示，具体为：树莓派调用百度语音识别识别“智能家居家庭群”中的家庭成员发送的语音或文字消息，根据语音或文字信息中的指令来获取或控制安防监控模块、室内环境采集模块以及家居终端的状态，并将获取的状态显示到用户终端的“智能家居家庭群”微信群中。
本发明进一步的技术方案是：基于树莓派的智能家居***，还包括危急救助模块，危急救助模块包括SIM800C和电容触摸按钮笔，SIM800C和电容触摸按钮笔与ZigBee协调器通过ZigBee自组无线网络连接。
该基于树莓派的智能家居***，的控制方法，包括如下步骤：
A，用户初始化设置：用户根据自己的喜好训练snowboy唤醒关键词、控制家居终端状态的指令集和触发SIM800C的帮助指令；并预先存储具有所有家庭成员邮箱号的家庭成员列表库、在微信上建立包含所有家庭成员微信号且群名为“智能家居家庭群”的微信群以及预先存储发生突发危急情况时家属的电话；
B，树莓派检测其网络连接是否正常；
C，若网络连接不正常，***进入离线语音控制模式，控制指示灯模块的所有彩灯呈粉色；语音模块接收用户发出的语音，树莓派调用经用户事先训练好的snowboy，当用户的语音中存在唤醒关键词时唤醒***，然后判断用户语音中是否有存在用户事先训练好的控制家居终端状态的指令集中的指令，若有则snowboy启动控制程序由树莓派对家居终端的状态进行控制；并判断用户语音中是否有存在用户事先训练好的触发SIM800C的帮助指令，若存在触发SIM800C的帮助指令则树莓派控制ZigBee协调器触发SIM800C拨打事先存储的家属的电话；
D，若网络连接正常，树莓派启动邮箱检测线程：检测是否收到指令邮件，若收到指令邮件，进一步判断发件人是否在预先存储的家庭成员列表库中以及主题是否为“登入***”，若发件人在家庭成员列表库中且则邮件主题为“登入***”，则***进入远程控制模式：关闭邮箱检测线程，控制指示灯模块的所有彩灯呈黄色，发送登入***的二维码至用户邮箱，用户通过微信扫描该二维码登入***，预先建立的微信群名为“智能家居家庭群”中的家庭成员在该微信群中发送语音或文字消息，对***进行控制；
用户通过在“智能家居家庭群”微信群中发送包含“退出”的语音或文字信息退出远程控制模式，并重新启动邮箱检测线程；
E、若网络连接正常，树莓派未收到指令邮件、收到的指令邮件的发件人不在家庭成员列表库中或邮件主题不是“登入***”，则***进入在线语音控制模式：控制指示灯模块的所有彩灯呈绿色，语音模块接收用户发出的语音，树莓派调用云端的百度语音识别对用户的语音进行识别，并将识别出的控制家居终端状态的指令发送到ZigBee协调器从而控制家居终端的状态，或将识别出的触发SIM800C的帮助指令发送到ZigBee协调器触发SIM800C拨打事先存储的家属的电话；若用户的语音中不存在家居终端的控制指令和触发SIM800C的帮助指令，则树莓派根据用户的需求调用云端互联网资源与用户进行互动，并将互动结果通过音响模块播放。
其中，步骤C到步骤E中，若ZigBee协调器接收到电容触摸按钮笔发送的按钮信息，则触发SIM800C拨打事先设置好的家属的电话。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、本发明实现了离线语音控制模式、在线语音控制模式和远程控制模式的切换，树莓派与室内环境采集模块、家居终端以及危急救助模块等通过ZigBee的单播通讯方式，具有成本低功耗小等特点，且使得在网络不正常时，用户仍能够通过语音控制家居终端，降低了家居***对网络的依赖。
2、本发明采用目前APP用户量最大的微信与邮箱相结合的方式实现远程控制，具有操作简单、兼容性好等特点，大大减少了智能家居推广的成本，且在登入***时，通过设置家庭成员列表库和微信智能家居群的方式对控制***的用户进行双重验证，提高了家居***的安全性，不易被非家庭成员控制；也保证了用户在日常使用微信与邮箱时，家居***不会被误触发。
3、本发明采用树莓派调用云端进行百度语音识别和互联网资源的获取，增强了家居***的适用范围和使用功能，通过用户与家居***之间的互动提高了***的娱乐性。
4、本发明设置的危急救助模块能够使得老人或小孩在发生危急情况时，通过语音或电容按钮触发并拨打家属电话，双重保障老人或小孩危急情况下的安全性。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
图1为本发明实施例一智能家居***的结构示意图；
图2为本发明实施例一智能家居***控制方法的流程图；
图3为本发明实施例二智能家居***的结构示意图。
具体实施方式
实施例一，如图1-2所示，基于树莓派的智能家居***，包括指示灯模块1、语音模块2、室内环境采集模块3、安防监控模块4、家居终端5、音响模块6、用户终端7、云端8、ZigBee协调器9和树莓派10。
所述指示灯模块1由12个彩灯组成，用于指示***的控制模式，所述彩灯的型号为APA102。
所述语音模块2由麦克风阵列组成，用于采集用户的语音数据，所述麦克风的型号为MEMS硅麦克风。
所述室内环境采集模块3包括气体传感器和温湿度传感器，用于采集家居环境中的可燃气体参数和温湿度参数并将采集到的环境参数发送至ZigBee协调器9，所述气体传感器为MQ-2烟雾传感器，温湿度传感器为DHT11温湿度传感器。
所述安防监控模块4包括人体传感器和摄像头，用于对进入家居环境中的人体进行感应并拍摄照片，并将拍摄的照片发送至树莓派10；或接收树莓派10发送的指令对人体传感器和摄像头的状态进行控制，所述人体传感器和摄像头的型号分别为HC-SR501人体感应传感器，PiCamera摄像头。
所述家居终端5包括电灯、加热器、排风扇和空调，也可根据实际需求包括更多的家用电器，例如电视、热水器等。用户能够根据光线强度打开或关闭电灯、根据室内温度参数打开或关闭加热器、也根据室内可燃气体浓度打开或关闭排风扇、根据使用热水时间提前打开或关闭热水器等。所述家居终端5通过单播组网方式与ZigBee协调器9进行相互通信。
所述音响模块6包括音箱，用于播报语音提示用户操作步骤以及播放树莓派10根据用户指令获取的相关互联网资源。
所述用户终端7包括安装有微信和邮箱软件的手机、电脑或IPAD等，用于通过安装的微信和邮箱软件进行***的登录以及控制指令的发出。
所述云端8包括百度语音识别和互联网资源，其与树莓派10通过网络连接。
所述ZigBee协调器9通过USB口与树莓派10连接，ZigBee协调器9与室内环境采集模块3和家居终端5均通过ZigBee自组无线网络连接。ZigBee协调器9用于储存室内环境采集模块3采集的环境参数供树莓派10调用、接收树莓派10发送的控制指令以及发送控制指令至家居终端5。
所述指示灯模块1、语音模块2、安防监控模块4、音响模块6、用户终端7和云端8均与树莓派10连接。其中指示灯模块1、语音模块2、安防监控模块4分别通过导线与树莓派10连接，音响模块6通过音频数据线与树莓派10连接，用户终端7和云端8均通过网络与树莓派10连接。
树莓派10根据其当前所处的网络状态和用户终端7的信息控制***的控制模式、控制指示灯模块1的工作状态，并分别接收语音模块1发送的语音控制信息、安防监控模块4发送的监控信息、用户终端7发送的用户的登录信息和语音控制信息、云端8的语音识别信息和互联网内容、以及ZigBee协调器9存储的参数信息。
树莓派10将用户的语音控制信息发送到云端8识别出控制指令，根据控制指令将从云端8获取的互联网内容通过音响模块6播放或将识别的控制指令发送到ZigBee协调器9、安防监控模块4和用户终端7，并对家居终端5、安防监控模块4和用户终端7进行控制或参数的显示。
上述实施例一的基于树莓派的智能家居***的控制方法，包括如下步骤：
A，用户初始化设置：用户根据自己的喜好训练snowboy唤醒关键词和控制家居终端5状态的指令集。例如，采用“Javrs”作为唤醒关键词，当用户对语音模块2的麦克风阵列说出的语音中包含“Javrs”时唤醒***，并训练包括但不限于打开电灯、关闭电灯、打开加热器、关闭加热器等对家居终端5状态进行控制的指令集。预先存储具有所有家庭成员的邮箱号的家庭成员列表库以及在微信上建立包含所有家庭成员微信号且群名为“智能家居家庭群”的微信群。
B，树莓派10检测其网络连接是否正常；
C，若网络连接不正常，***进入离线语音控制模式，控制指示灯模块1的12个彩灯呈粉色，语音模块2接收用户发出的语音，树莓派10调用经用户事先训练好的snowboy，当用户的语音中存在唤醒关键词时唤醒***，然后判断用户语音中是否有存在用户事先训练好的指令集中的指令，若有则snowboy启动相应的控制程序，由树莓派10对家居终端5的状态进行控制。
D，若网络连接正常，树莓派10启动邮箱检测线程：调用poplib库检测是否收到指令邮件，若收到指令邮件，进一步判断发件人是否在预先存储的家庭成员列表库中以及主题是否为“登入***”，若发件人在家庭成员列表库中且则邮件主题为“登入***”，则***进入远程控制模式：关闭邮箱检测线程，控制指示灯模块1的12个彩灯呈黄色，调用smtplib库发送登入***的二维码至用户邮箱，用户通过微信扫描该二维码登入***，预先建立的微信群名为“智能家居家庭群”中的家庭成员在该微信群中发送语音或文字消息，对***进行控制。
用户远程控制模式下对***的控制包括安防监控模块4的状态控制和信息的获取、室内环境采集模块3信息的获取、家居终端5状态的控制以及获取的信息的用户终端7显示。具体为：树莓派10调用itchat库识别“智能家居家庭群”中的家庭成员发送的语音或文字消息，根据语音或文字信息中的指令来获取或控制安防监控模块4、室内环境采集模块3以及家居终端5的状态，并将获取的状态显示到用户终端7的“智能家居家庭群”微信群中。
例如，当用户的消息中存在“拍张照片”时，树莓派10发送指令至安防监控模块4的摄像头，控制摄像头拍摄一张照片，并将拍摄的照片发送到用户终端7的“智能家居家庭群”微信群中进行显示。当用户的消息中存在“启动监控”时，如果安防监控模块4的人体传感器感应到有人或物体经过时，将该传感器信号发送至树莓派10，由树莓派10控制摄像头拍摄照片，并将拍摄的照片发送到用户终端7的“智能家居家庭群”微信群中进行显示。用户也可通过发送存在“关闭监控”的文字或语音信息以停止树莓派10对人体传感应传感器信号的识别，此时若再有人或物体经过人体传感器时，摄像头便不进行拍照。
当用户的消息中存在“温湿度”或“气体”指令时，树莓派10调用室内环境采集模块3发送到ZigBee协调器9中的温湿度参数或气体参数，并将温湿度参数或气体参数显示到用户终端7的“智能家居家庭群”的微信群中；用户根据该采集到的参数发出是否启动家居终端5的指令，当室内的温度较低时，发出“打开加热器”指令，树莓派10将该指令发送到ZigBee协调器9，由ZigBee协调器9发送指令到家居终端5的加热器以控制加热器开始工作提高室内温度。
用户通过在“智能家居家庭群”微信群中发送包含“退出”的语音或文字信息退出远程控制模式，并重新启动邮箱检测线程。
E、若网络连接正常，树莓派10未收到指令邮件、收到的指令邮件的发件人不在在家庭成员列表库中或邮件主题不是“登入***”，则***进入在线语音控制模式：控制指示灯模块1的12个彩灯呈绿色，语音模块2接收用户发出的语音，树莓派10调用云端8的百度语音识别对用户的语音进行识别，并将识别出的控制家居终端5状态的指令发送到ZigBee协调器9从而控制家居终端5的状态。若用户的语音中不存在家居终端5的控制指令，则树莓派10根据用户的需求调用云端8的互联网资源与用户进行互动，并将互动结果通过音响模块6播放。例如若用户发出的语音中包含“歌”或“笑话”等，***调用云端8查找包含“歌”或“笑话”等的内容，通过音响模块6将查找到的内容进行播放，并重新启动邮箱检测线程。
实施例二，如图3所示，实施例二与实施例一的区别在于：所述基于树莓派的智能家居***，还包括危急救助模块11，危急救助模块包括SIM800C和电容触摸按钮笔，SIM800C和电容触摸按钮笔与ZigBee协调器9通过ZigBee自组无线网络连接。
实施例二所述的基于树莓派的智能家居***的控制方法与实施例一的区别在于：步骤A，用户初始化设置中还包括用户根据自己的喜好训练触发SIM800C的帮助指令和预先存储发生突发危急情况时家属的电话。
当老人或小孩独自在家发生突发危急情况时，若其所在的位置处于语音模块2的识别范围内，树莓派10调用经用户事先训练好的snowboy或百度语音识别判断老人或小孩发出的语音中存在触发SIM800C的帮助指令时，将控制SIM800C的指令发送到ZigBee协调器9，并由ZigBee协调器9触发SIM800C拨打事先设置好的家属的电话。若其所在的位置处于语音模块2的识别范围之外时，老人或小孩通过按下随身携带的电容触摸按钮笔上的按钮，将按钮信息发送给ZigBee协调器9，并由ZigBee协调器9触发SIM800C拨打事先设置好的家属的电话，以保证老人或小孩独自在家时的安全性。

Claims (4)

1.基于树莓派的智能家居***的控制方法，所述基于树莓派的智能家居***包括指示灯模块、语音模块、室内环境采集模块、安防监控模块、家居终端、音响模块、用户终端、云端、ZigBee协调器和树莓派；
所述指示灯模块由多个彩灯组成，用于指示***的控制模式；
所述语音模块由麦克风阵列组成，用于采集用户的语音数据；
所述室内环境采集模块包括气体传感器和温湿度传感器，用于采集家居环境中的可燃气体参数和温湿度参数；
所述安防监控模块包括人体传感器和摄像头，分别用于对进入家居环境中的人体进行感应和拍摄照片；
所述家居终端包括电灯、加热器、排风扇和空调；
所述音响模块包括音箱；
所述用户终端包括安装有微信和邮箱软件的手机、电脑或IPAD，用于通过安装的微信和邮箱软件进行***的登录以及控制指令的发出；
所述云端包括百度语音识别和互联网资源；
所述ZigBee协调器通过USB口与树莓派连接，ZigBee协调器通过ZigBee自组无线网络分别与室内环境采集模块和家居终端连接，用于储存室内环境采集模块采集的环境参数供树莓派调用、接收树莓派发送的控制指令以及发送控制指令至家居终端；
所述指示灯模块、语音模块、安防监控模块、音响模块、用户终端和云端均与树莓派连接；其中指示灯模块、语音模块、安防监控模块分别通过导线与树莓派连接，音响模块通过音频数据线与树莓派连接，用户终端和云端均通过网络与树莓派连接；
其特征是，包括如下步骤：
A，用户初始化设置：用户根据自己的喜好训练snowboy唤醒关键词和控制家居终端状态的指令集；并预先存储具有所有家庭成员邮箱号的家庭成员列表库以及在微信上建立包含所有家庭成员微信号且群名为“智能家居家庭群”的微信群；
B，树莓派检测其网络连接是否正常；
C，若网络连接不正常，***进入离线语音控制模式，控制指示灯模块的所有彩灯呈粉色；语音模块接收用户发出的语音，树莓派调用经用户事先训练好的snowboy，当用户的语音中存在唤醒关键词时唤醒***，然后判断用户语音中是否有存在用户事先训练好的指令集中的指令，若有则snowboy启动控制程序，由树莓派根据指令对家居终端的状态进行控制；
D，若网络连接正常，树莓派启动邮箱检测线程：检测是否收到指令邮件，若收到指令邮件，进一步判断发件人是否在预先存储的家庭成员列表库中以及主题是否为“登入***”，若发件人在家庭成员列表库中且则邮件主题为“登入***”，则***进入远程控制模式：关闭邮箱检测线程，控制指示灯模块的所有彩灯呈黄色，发送登入***的二维码至用户邮箱，用户通过微信扫描该二维码登入***，预先建立的微信群名为“智能家居家庭群”中的家庭成员在该微信群中发送语音或文字消息，对***进行控制；
用户通过在“智能家居家庭群”微信群中发送包含“退出”的语音或文字信息退出远程控制模式，并重新启动邮箱检测线程；
E、若网络连接正常，树莓派未收到指令邮件、收到的指令邮件的发件人不在家庭成员列表库中或邮件主题不是“登入***”，则***进入在线语音控制模式：控制指示灯模块的所有彩灯呈绿色，语音模块接收用户发出的语音，树莓派调用云端的百度语音识别对用户的语音进行识别，并将识别出的控制家居终端状态的指令发送到ZigBee协调器从而控制家居终端的状态；若用户的语音中不存在家居终端的控制指令，则树莓派根据用户的需求调用云端互联网资源与用户进行互动，并将互动结果通过音响模块播放。
2.如权利要求1所述的基于树莓派的智能家居***的控制方法，其特征是：所述基于树莓派的智能家居***还包括危急救助模块，危急救助模块包括SIM800C和电容触摸按钮笔，SIM800C和电容触摸按钮笔与ZigBee协调器通过ZigBee自组无线网络连接。
3.如权利要求1所述的基于树莓派的智能家居***的控制方法，其特征是：步骤D中，用户远程控制模式下对***的控制包括安防监控模块的状态控制和信息的获取、室内环境采集模块信息的获取、家居终端状态的控制以及获取的信息的用户终端显示，具体为：树莓派调用百度语音识别识别“智能家居家庭群”中的家庭成员发送的语音或文字消息，根据语音或文字信息中的指令来获取或控制安防监控模块、室内环境采集模块以及家居终端的状态，并将获取的状态显示到用户终端的“智能家居家庭群”微信群中。
4.如权利要求2所述的基于树莓派的智能家居***的控制方法，其特征是：步骤C到步骤E中，若ZigBee协调器接收到电容触摸按钮笔发送的按钮信息，则触发SIM800C拨打事先设置好的家属的电话。
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