一種基于樹(shù)莓派的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)人們對(duì)環(huán)境智能化管理的需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于RFID和樹(shù)莓派的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)多功能系統(tǒng)。利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了永久性室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)，利用樹(shù)莓派與傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數(shù)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行跟蹤管理與監(jiān)控。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能化管理并降低人體在室內(nèi)的患病風(fēng)險(xiǎn)，在節(jié)約能源的同時(shí)提升室內(nèi)工作與學(xué)習(xí)效率。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)功耗低，可靠性高，具有一定的創(chuàng)新性和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能管理；RFID；樹(shù)莓派；傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）08-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.010

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境智能管理的需求也日益增加。在室內(nèi)，需要對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)施智能化管理。RFID技術(shù)具有快速識(shí)別、批量處理、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。Raspberry Pi是一種廉價(jià)、開(kāi)放、簡(jiǎn)單且易于管理的系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域[2]。二者結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的智能管理，降低人類(lèi)在室內(nèi)患疾病的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省能源，提高室內(nèi)工作效率。

目前，許多技術(shù)人員正在探索RFID技術(shù)和Raspberry Pi平臺(tái)的使用。例如，汾西礦業(yè)利用無(wú)線標(biāo)簽開(kāi)發(fā)了煤炭運(yùn)輸過(guò)程中的防盜系統(tǒng)，并建立了相關(guān)預(yù)防和控制系統(tǒng)，提高了煤炭運(yùn)輸效率和安全性、完整性[3]。寶雞誠(chéng)科測(cè)繪院開(kāi)發(fā)了以“樹(shù)莓派+云開(kāi)發(fā)”為核心的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將GPRS無(wú)線傳輸模塊與變形監(jiān)測(cè)儀集成，以樹(shù)莓派作為處理單元，完成無(wú)線傳輸模塊變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收和顯示，并通過(guò)云端開(kāi)發(fā)創(chuàng)建云端數(shù)據(jù)庫(kù)，收集并存儲(chǔ)來(lái)自監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的返回[4]。然而在現(xiàn)階段研究中，RFID技術(shù)與Raspberry Pi平臺(tái)相結(jié)合的應(yīng)用較少。文中主要介紹了基于RFID和Raspberry Pi的室內(nèi)多功能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)和RFID技術(shù)的基本原理和特性，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)討論了結(jié)合這兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境智能管理的方法。文中選擇Raspberry Pi平臺(tái)作為系統(tǒng)硬件平臺(tái)，通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)與RFID識(shí)別模塊的交互控制。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的可行性和可靠性，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文中提出的基于RFID和Raspberry Pi的多功能室內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由BCM2711 Raspberry Pi和RFID讀卡器模塊組成。系統(tǒng)包括RFID讀卡器模塊、溫濕度傳感器模塊、紅外傳感器模塊、空氣質(zhì)量傳感器模塊、樹(shù)莓派主控板模塊，用于采集室內(nèi)溫濕度、空氣質(zhì)量和分貝數(shù)據(jù)等。圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 RFID系統(tǒng)

文中使用MFRC522 RFID讀卡器模塊來(lái)讀取信息。RFID系統(tǒng)主要由兩部分組成，一是RFID標(biāo)簽，二是RFID讀寫(xiě)器。RFID標(biāo)簽存儲(chǔ)物品的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，RFID讀寫(xiě)器負(fù)責(zé)讀取RFID標(biāo)簽上的信息。RFID電子標(biāo)簽進(jìn)入電磁場(chǎng)后，接收RFID讀寫(xiě)器發(fā)送的射頻信號(hào)，無(wú)源RFID電子標(biāo)簽利用室內(nèi)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的能量來(lái)傳輸被測(cè)物體的信息。RFID讀寫(xiě)器讀取數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)信息通過(guò)所連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸至相應(yīng)的信息系統(tǒng)。有源電子RFID標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)射射頻信號(hào)，RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。RFID系統(tǒng)組成如圖2所示。

讀寫(xiě)器模塊由天線、射頻收發(fā)器、控制器、處理器和接口組成。

天線（Antenna）用于接收和發(fā)射RFID信號(hào)，并利用RFID標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信。

射頻收發(fā)器（RF Transceiver）負(fù)責(zé)接收和發(fā)送RFID信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供處理器處理。射頻收發(fā)器支持LF（低頻）、HF（高頻）、UHF（超高頻）等射頻協(xié)議，以適應(yīng)不同類(lèi)型的RFID標(biāo)簽。

控制器用于管理RFID讀寫(xiě)器模塊的操作和功能。

處理器（Processor）用于執(zhí)行讀卡器模塊的計(jì)算和邏輯操作，包括處理、存儲(chǔ)和傳輸RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)且可對(duì)接收的RFID信號(hào)進(jìn)行解碼和處理，并與其他設(shè)備或系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建接口，與計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)等外部設(shè)備通信，傳輸數(shù)據(jù)并與控制命令交互。

系統(tǒng)的RFID讀卡模塊可通過(guò)與RFID標(biāo)簽的無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽上信息的非接觸式讀取。RFID讀寫(xiě)器模塊電路如圖3所示。

2.2 紅外測(cè)量

將MLX90614紅外傳感器連接到樹(shù)莓派的GPIO引腳，然后進(jìn)行軟件設(shè)置，在樹(shù)莓派上安裝所需的軟件庫(kù)，并編寫(xiě)Python腳本使GPIO庫(kù)供紅外傳感器讀取和測(cè)量。紅外傳感器具有非接觸測(cè)量、測(cè)量精度高、溫度范圍廣

（-40～+125 ℃）、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，能夠輔助實(shí)現(xiàn)非感知溫度監(jiān)測(cè)、快速發(fā)現(xiàn)體溫異常、及早診斷潛在健康問(wèn)題等功能，對(duì)個(gè)人和環(huán)境健康管理產(chǎn)生了積極作用[5]。紅外傳感器電路如圖4所示。

2.3 溫濕度測(cè)量

將DHT11溫濕度傳感器連接到相應(yīng)的GPIO引腳，將Adafruit_DHT庫(kù)導(dǎo)入代碼中，設(shè)置傳感器類(lèi)型和GPIO引腳編號(hào)，然后讀取溫濕度值。該傳感器具有精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。同時(shí)，該傳感器具有節(jié)約能源、提升室內(nèi)空氣質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。溫度傳感器模塊電路如圖5所示[6]。

2.4 空氣質(zhì)量測(cè)量

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)可以使用空氣質(zhì)量傳感器來(lái)完成。將MQ-135空氣質(zhì)量傳感器連接到樹(shù)莓派相應(yīng)GPIO引腳，并使用杜邦線連接電源和地線。將所需Python庫(kù)—RPi.GPIO和time引入代碼中。設(shè)置GPIO引腳編號(hào)并初始化GPIO，讀取傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)算AQI空氣質(zhì)量指數(shù)。該傳感器可以檢測(cè)空氣中的多種氣體，例如一氧化碳和二氧化碳。該功能旨在幫助用戶(hù)預(yù)防健康問(wèn)題、提高學(xué)習(xí)和工作效率、改善整體健康狀況[7]。空氣質(zhì)量傳感器模塊電路如圖6所示。

2.5 分貝測(cè)量

將LM358聲音傳感器模塊連接到Raspberry Pi的GPIO端口。該模塊包括一個(gè)麥克風(fēng)和一個(gè)LM358電壓比較器芯片，用于檢測(cè)環(huán)境中的聲音級(jí)別并將結(jié)果作為數(shù)字信號(hào)輸出到Raspberry Pi。當(dāng)檢測(cè)到聲音時(shí)，輸出引腳發(fā)送高電平信號(hào)，否則為低電平。通過(guò)讀取引腳的狀態(tài)，可以確定是否檢測(cè)到音頻事件。傳感器模塊通常有一個(gè)可調(diào)靈敏度電位器，可用來(lái)改變傳感器的聲音檢測(cè)靈敏度，以適應(yīng)不同環(huán)境的需要。其特點(diǎn)是非接觸式測(cè)量，即無(wú)需與聲源物體直接接觸，便可在較遠(yuǎn)的距離檢測(cè)聲音。該傳感器還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中的聲音變化，以跟蹤和檢測(cè)聲音活動(dòng)。同時(shí)，還可用于安全系統(tǒng)，例如檢測(cè)房間內(nèi)突發(fā)或異常的聲音并觸發(fā)報(bào)警[8]。

聲音傳感器模塊電路如圖7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

文中通過(guò)編寫(xiě)Python程序可讀取溫濕度傳感器和空氣質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)[9]。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由傳感器單元程序設(shè)計(jì)、控制單元程序設(shè)計(jì)（包含Raspberry Pi控制核心模塊）、WiFi模塊程序設(shè)計(jì)三部分組成。傳感器單元包含溫度、濕度和分貝值的采集，這些值均從室內(nèi)環(huán)境中獲得，經(jīng)過(guò)中央處理器處理后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的參數(shù)值?？刂茊卧A(yù)警和顯示兩部分。設(shè)置閾值，當(dāng)參數(shù)超出此閾值時(shí)可觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。WiFi模塊將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

4 結(jié)果分析

該系統(tǒng)包括Raspberry Pi、紅外傳感器等硬件設(shè)備，依托物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式服務(wù)器終端和阿里服務(wù)器終端實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境檢測(cè)[10]。作為Raspberry Pi系統(tǒng)的主控模塊，通過(guò)無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)搭建服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)智能家居管理和檢測(cè)。文中在實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)小型內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和可靠性。

安裝樹(shù)莓派、溫濕度傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器和空氣質(zhì)量傳感器等，系統(tǒng)上電如圖9所示。

將程序編譯到樹(shù)莓派中并啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸至阿里物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。系統(tǒng)測(cè)試包括硬件測(cè)試和軟件測(cè)試。打開(kāi)系統(tǒng)后，可以通過(guò)按鈕設(shè)置煙霧和溫度閾值。系統(tǒng)以60 s

為一個(gè)周期，采集煙霧傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，將煙霧數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)顯示在大屏幕上[11]。圖10所示為系統(tǒng)運(yùn)維大屏顯示圖。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中討論了基于Raspberry Pi的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)使用各種傳感器收集室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、空氣質(zhì)量、分貝數(shù)據(jù)。樹(shù)莓派將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地服務(wù)器，操作簡(jiǎn)單，管理方便。它可以監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境，降低患病風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省資源，提高人們學(xué)習(xí)和工作的效率，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

注：本文通訊作者為王超梁。

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收稿日期：2023-07-24 修回日期：2023-08-31

作者簡(jiǎn)介：路皓然，男，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID。

賈雨涵，女，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)定位、無(wú)線傳感網(wǎng)。

王超梁，男，講師，研究方向?yàn)榍度胧?、人工智能、遙感圖像處理。