树莓派结合ZigBee通讯实现宿舍安全管理系统：Flask、React Native

一、项目概述

随着智能技术的发展和物联网（IoT）技术的广泛应用，高校宿舍的安全和生活智能化需求日益迫切。我们设计的智能校园宿舍系统，旨在通过实时监测学生宿舍的用电安全、实施火灾应急措施和实现日常物件的智能化管理，为学生提供一个安全、便捷且舒适的住宿环境。

目标与用途

本项目的主要目标是构建一个基于ZigBee和树莓派的智能校园宿舍系统。该系统可以实时监测宿舍的安全状况，支持远程操作宿舍内的灯光、窗帘和门锁等设备，并通过APP实现环境检测和数据分析。这不仅为学生提供了便利，也极大地提高了宿舍的安全性，降低了火灾等安全隐患的风险。

解决的问题与价值

1. 用电安全监测：通过对宿舍用电情况的实时监测，及时发现异常用电，防止火灾隐患。

2. 火灾应急措施：系统可实现火灾报警功能，及时通知相关人员并启动应急措施。

3. 智能控制：用户可通过手机APP远程控制宿舍内的设备，提高生活便利性。

4. 数据分析：系统能够对宿舍环境进行实时数据分析，帮助学生更好地管理自身的生活。

二、系统架构

系统架构设计

为了满足项目需求，我们设计了如下系统架构：

• 硬件部分：包括传感器模块（温度、湿度、烟雾传感器）、控制模块（ZigBee模块、树莓派）、执行器（灯光、窗帘、门锁）。

• 软件部分：包括宿舍环境监测APP、后端服务器、数据处理模块。

选型与技术栈

• 单片机：树莓派（Raspberry Pi），负责数据处理和设备控制。

• 通信协议：ZigBee，适合低功耗、短距离无线通信。

• 传感器：温湿度传感器、烟雾传感器、燃气传感器。

• 无线通信模块：ZigBee模块（如XBee）。

架构图

控制指令 数据传输 监测数据 控制指令 实时数据 用户APP 后端服务器 树莓派 传感器模块 执行器

三、环境搭建

软件与硬件环境

• 硬件环境：

  • 树莓派 3B+

  • ZigBee模块

  • 各类传感器（温湿度、烟雾、火焰等）

  • 执行器（灯光、窗帘、门锁等）

• 软件环境：

  • Raspberry Pi OS

  • Python 3.x

  • Flask（后端框架）

  • React Native（移动端开发框架）

安装步骤与配置

1. 树莓派系统安装：

   • 下载树莓派操作系统镜像，并使用Etcher工具将其烧录到SD卡。

   • 插入SD卡并启动树莓派，进行基本配置（网络、用户等）。

2. Python环境安装：

   sudo apt updatesudo apt install python3 python3-pip

3. Flask安装：

   pip3 install Flask

4. React Native环境配置：

   npm install -g react-native-cli

   • 安装Node.js和npm。

   • 使用npm安装React Native CLI：

配置示例与注意事项

• 确保ZigBee模块正确连接到树莓派的GPIO接口。

• 在Python代码中，确保正确引用所需的库并处理相应的异常情况。

四、代码实现

功能模块实现

根据系统架构，我们逐步实现各功能模块。以下是关键代码示例：

1. 传感器数据读取

import Adafruit_DHT

# 读取温湿度传感器数据
def read_sensor():
    humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(Adafruit_DHT.DHT22, 4)
        if humidity is not None and temperature is not None:
        print('Temp={0:0.1f}*C  Humidity={1:0.1f}%'.format(temperature, humidity))
        return {'temperature': temperature, 'humidity': humidity}
    else:
        print('Failed to get reading. Try again!')
        return None

2. 烟雾传感器数据读取

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置 GPIO 模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
smoke_sensor_pin = 17
GPIO.setup(smoke_sensor_pin, GPIO.IN)

def read_smoke_sensor():
    smoke_detected = GPIO.input(smoke_sensor_pin)
    if smoke_detected:
        print("Smoke detected!")
        return True
    else:
        return False

3. 控制模块（灯光、窗帘、门锁）

import RPi.GPIO as GPIO

# 初始化 GPIO 引脚
light_pin = 18
curtain_pin = 23
door_lock_pin = 24

GPIO.setup(light_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(curtain_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(door_lock_pin, GPIO.OUT)

def control_light(state):
    GPIO.output(light_pin, state)
    print(f"Light {'on' if state else 'off'}")

def control_curtain(state):
    GPIO.output(curtain_pin, state)
    print(f"Curtain {'opened' if state else 'closed'}")

def control_door_lock(state):
    GPIO.output(door_lock_pin, state)
    print(f"Door lock {'engaged' if state else 'disengaged'}")

4. Flask后端实现

from flask import Flask, jsonify, request

app = Flask(__name__)

@app.route('/sensor-data', methods=['GET'])
def get_sensor_data():
    data = read_sensor()
    smoke = read_smoke_sensor()
    response = {
        'sensor_data': data,
        'smoke_detected': smoke
    }
    return jsonify(response)

@app.route('/control', methods=['POST'])
def control_device():
    device = request.json.get('device')
    state = request.json.get('state')
    
    if device == 'light':
        control_light(state)
    elif device == 'curtain':
        control_curtain(state)
    elif device == 'door_lock':
        control_door_lock(state)
    
    return jsonify({'status': 'success', 'device': device, 'state': state})

if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

5. 移动端APP实现

基本的React Native应用结构

import React, { useState, useEffect } from 'react';
import { View, Button, Text, StyleSheet } from 'react-native';

const App = () => {
    const [sensorData, setSensorData] = useState({});

    useEffect(() => {
        // 定时获取传感器数据
        const interval = setInterval(() => {
            fetch('http://<树莓派IP>:5000/sensor-data')
                .then(response => response.json())
                .then(data => setSensorData(data))
                .catch(error => console.error('Error fetching sensor data:', error));
        }, 5000);

        return () => clearInterval(interval);
    }, []);

    const controlDevice = (device, state) => {
        fetch('http://<树莓派IP>:5000/control', {
            method: 'POST',
            headers: { 'Content-Type': 'application/json' },
            body: JSON.stringify({ device, state }),
        })
        .then(response => response.json())
        .then(data => console.log('Control response:', data))
        .catch(error => console.error('Error controlling device:', error));
    };

    return (
        <View style={styles.container}>
            <Text style={styles.text}>温度: {sensorData.sensor_data?.temperature} °C</Text>
            <Text style={styles.text}>湿度: {sensorData.sensor_data?.humidity} %</Text>
            <Text style={styles.text}>{sensorData.smoke_detected ? "烟雾检测到!" : "无烟雾"}</Text>

            <View style={styles.buttonContainer}>
                <Button title="打开灯光" onPress={() => controlDevice('light', true)} />
                <Button title="关闭灯光" onPress={() => controlDevice('light', false)} />
                <Button title="打开窗帘" onPress={() => controlDevice('curtain', true)} />
                <Button title="关闭窗帘" onPress={() => controlDevice('curtain', false)} />
                <Button title="锁上门" onPress={() => controlDevice('door_lock', true)} />
                <Button title="解锁门" onPress={() => controlDevice('door_lock', false)} />
            </View>
        </View>
    );
};

const styles = StyleSheet.create({
    container: {
        flex: 1,
        justifyContent: 'center',
        padding: 20,
    },
    text: {
        fontSize: 18,
        marginVertical: 10,
    },
    buttonContainer: {
        marginTop: 20,
    },
});

export default App;

五、项目总结

主要功能

1. 实时数据监测：系统能够实时获取宿舍内的温度、湿度和烟雾浓度，并在APP上显示。

2. 远程控制：用户可以通过APP远程控制宿舍内的灯光、窗帘和门锁，提升了生活的便利性。

3. 安全预警：当烟雾传感器检测到烟雾时，系统会立即向用户发送警告信号，确保学生的安全。

4. 数据分析与反馈：通过收集环境数据，系统能够进行基本的环境分析，为用户提供建议和反馈。

实现过程

1. 需求分析：明确项目目标，确定系统需要监测的环境参数及控制的设备。

2. 系统架构设计：根据需求设计系统架构，选择合适的硬件（树莓派、传感器、ZigBee模块等）和软件技术栈（Flask、React Native等）。

3. 环境搭建：为树莓派安装操作系统，配置开发环境，包括所需的库和工具。

4. 功能模块开发：逐步实现传感器数据读取、设备控制和后端API，确保各模块功能的完整性和稳定性。

5. 移动端开发：开发移动端应用，使用户能够方便地获取宿舍环境数据并控制设备。

6. 测试与优化：对系统进行全面测试，确保各项功能正常运行，并根据反馈不断优化用户体验。