一、项目概述

随着物联网和智能家居技术的迅速发展，越来越多的家庭开始关注环境监测和智能控制。本文介绍一个基于树莓派的智能AI网关项目，旨在通过接入豆包（Doubao）API，实现对家庭环境的实时监测和智能控制。

项目目标和用途

该项目的主要目标是构建一个智能家居环境监测和控制系统。用户可以通过该系统获取实时天气和环境数据，并根据数据分析结果自动调整家居设备，提升居住舒适度和节能效果。

二、系统架构

本项目的系统架构分为多个层次，以实现数据获取、处理和控制的完整流程。

1. 系统架构设计

数据获取层：通过豆包API获取实时天气和环境数据，支持定时拉取和事件驱动更新。

数据处理层：对获取的数据进行清洗、格式化和分析，提取关键的环境信息。

控制层：根据处理结果自动调整家居设备，并提供手动控制接口。

用户界面层：为用户提供可视化界面，展示实时数据和历史记录。

2. 技术选择

硬件：树莓派 4B

传感器：温度传感器（如DHT11）、空气质量传感器（如MQ-135）

通信协议：HTTP/HTTPS用于API调用，MQTT用于设备控制

技术栈：Python用于数据处理和控制逻辑，Flask用于搭建Web界面

3. 系统架构图

三、环境搭建

1. 硬件环境

树莓派 4B

电源适配器

DHT11温度传感器

MQ-135空气质量传感器

路由器（支持Wi-Fi连接）

2. 软件环境

操作系统：Raspberry Pi OS

开发工具：Python 3、Flask框架

库：requests（用于API调用）、pandas（用于数据处理）

3. 环境安装步骤

系统安装：

下载并安装Raspberry Pi OS镜像到SD卡。

将SD卡插入树莓派，连接电源启动。

环境配置：

更新系统：

<code>sudo apt updatesudo apt upgrade

安装Python和Flask：

sudo apt install python3 python3-pip

pip3 install Flask requests pandas

传感器连接：

按照传感器的接线图连接DHT11和MQ-135到树莓派的GPIO引脚。

4. 配置示例

配置Wi-Fi连接：

sudo raspi-config

5. 注意事项

确保传感器与树莓派的连接正确，以免损坏设备。

在调试过程中，定期检查API的响应，以确保数据准确。

四、代码实现

以下是系统各功能模块的关键代码示例：

1. 数据获取模块

数据获取模块负责从豆包API定期获取天气数据，并将其存储以供后续处理。

import requests

import time

API_KEY = 'YOUR_DOUBAO_API_KEY' # 替换为你的豆包API密钥

API_URL = 'https://api.doubao.com/weather' # 豆包天气API的URL

def fetch_weather_data():

"""从豆包API获取天气数据"""

try:

response = requests.get(API_URL, params={ 'apikey': API_KEY})

response.raise_for_status() # 检查请求是否成功

data = response.json() # 将响应转换为JSON格式

return data

except requests.exceptions.RequestException as e:

print(f"API请求失败: { e}")

return None

if __name__ == "__main__":

while True:

weather_data = fetch_weather_data()

if weather_data:

print(weather_data) # 打印获取的天气数据

time.sleep(3600) # 每小时更新一次数据

2. 数据处理模块

数据处理模块负责对获取的天气数据进行清洗和分析，以提取有用的信息。

import pandas as pd

def clean_and_format_data(raw_data):

"""清洗和格式化原始天气数据"""

try:

# 提取所需的信息，例如温度、湿度、风速等

processed_data = {

'temperature': raw_data['main']['temp'],

'humidity': raw_data['main']['humidity'],

'wind_speed': raw_data['wind']['speed'],

'air_quality': raw_data['air_quality'] # 假设豆包API提供了空气质量数据

}

return processed_data

except KeyError as e:

print(f"数据格式错误: { e}")

return None

def analyze_data(processed_data):

"""分析天气数据并提供建议"""

recommendations = []

if processed_data['temperature'] > 30: # 如果温度大于30度

recommendations.append("建议开启空调")

if processed_data['humidity'] < 40: # 如果湿度低于40%

recommendations.append("建议使用加湿器")

return recommendations

# 示例使用

if __name__ == "__main__":

raw_weather_data = fetch_weather_data() # 假设已存在fetch_weather_data函数

if raw_weather_data:

formatted_data = clean_and_format_data(raw_weather_data)

if formatted_data:

suggestions = analyze_data(formatted_data)

print("系统建议:", suggestions)

3. 控制模块

控制模块负责根据处理后的数据自动调节家居设备，并提供手动控制接口。

import paho.mqtt.client as mqtt

MQTT_BROKER = 'mqtt.example.com' # 替换为你的MQTT代理地址

MQTT_PORT = 1883

MQTT_TOPIC = 'home/devices/control'

def on_connect(client, userdata, flags, rc):

"""连接MQTT代理时的回调函数"""

print(f"连接成功，结果代码: {rc}")

def control_device(command):

"""发送控制命令到设备"""

client = mqtt.Client()

client.on_connect = on_connect

client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT, 60)

client.loop_start()

client.publish(MQTT_TOPIC, command) # 发布控制命令

client.loop_stop()

client.disconnect()

# 示例使用

if __name__ == "__main__":

control_device("turn_on_air_conditioner") # 示例命令

4. 用户界面模块

用户界面模块使用Flask框架构建一个简单的Web界面，以展示实时数据和历史记录。

1. 更新天气数据线程

from flask import Flask, render_template, jsonify

import threading

app = Flask(__name__)

# 假设有一个全局变量来存储最新的天气数据

latest_weather_data = { }

@app.route('/')

def index():

"""主页，展示实时天气信息和建议"""

return render_template('index.html', weather=latest_weather_data)

@app.route('/api/weather')

def get_weather_data():

"""API接口，返回最新的天气数据"""

return jsonify(latest_weather_data)

def update_weather_data():

"""定时更新天气数据的线程"""

global latest_weather_data

while True:

raw_weather_data = fetch_weather_data() # 调用数据获取模块

if raw_weather_data:

formatted_data = clean_and_format_data(raw_weather_data)

if formatted_data:

latest_weather_data = formatted_data # 更新全局天气数据

time.sleep(3600) # 每小时更新一次数据

# 启动线程以更新天气数据

if __name__ == "__main__":

threading.Thread(target=update_weather_data, daemon=True).start() # 启动后台线程

app.run(host='0.0.0.0', port=5000) # 启动Flask应用code>

2. HTML模板示例