超低成本家庭物聯(lián)網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董晨樂，張富春，楊延寧

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)概念的前身是傳感網(wǎng)[1]。中國科學(xué)院于1999年啟動(dòng)了傳感網(wǎng)技術(shù)的研究[2]。2009年6月歐盟委員會(huì)提出“物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)方案”[3]，明確表示在技術(shù)層面給予該方案大量資金支持。2009年之后，國內(nèi)出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究熱潮，2010年，物聯(lián)網(wǎng)被寫入政府工作報(bào)告，2019年我國初步完成從互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的過渡，預(yù)計(jì)在2030年全面完成全國“萬物互聯(lián)”建設(shè)[4]。

隨著智能家居行業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)大批家裝企業(yè)推出多種智能家居解決方案[5]。但無論是手機(jī)APP還是智能音箱等設(shè)備[6]均自成體系，難以互通。

1 超低成本方案

1.1 方案組成

超低成本的家庭物聯(lián)網(wǎng)解決方案主要選用市場上的常規(guī)設(shè)備，旨在規(guī)避各智能家居廠商因采用軟件不通用、硬件不協(xié)調(diào)、物料價(jià)格貴、工作原理單一且復(fù)雜導(dǎo)致的一系列問題。系統(tǒng)通過Home Assistant軟件環(huán)境平臺(tái)[7]實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)電器、自動(dòng)報(bào)警、垃圾智能分類、人臉?biāo)惴ㄗR(shí)別、無接觸乘坐電梯等功能，通過百度云平臺(tái)組建物聯(lián)網(wǎng)控制樞紐[8]。

1.2 硬件設(shè)備

1.2.1 硬件服務(wù)器

本方案服務(wù)器可采用樹莓派或各品牌路由器等。

1.2.2 多功能網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)（Gateway）即網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它既可用于廣域網(wǎng)互連，也可用于局域網(wǎng)互連。小米多功能網(wǎng)關(guān)可看作家電傳感器、門窗傳感器、無線開關(guān)等小米智能家居的聯(lián)接控制器[9]。

1.2.3 主要第三方傳感器

本方案采用的主要第三方傳感器包括WiFi智能插座、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器。

WiFi智能插座[10]通過WiFi將手機(jī)與插座連接，由手機(jī)控制家中所有插座的開關(guān)，并隨時(shí)查看插座是否存在安全隱患。

PM2.5傳感器采用TF-LP01，它檢測精度高，響應(yīng)迅速，可自動(dòng)檢測空氣中PM2.5的含量。

溫濕度傳感器采用DHT11。DHT11可與其他設(shè)備聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境溫濕度的智能控制。超低成本的家庭物聯(lián)網(wǎng)解決方案硬件見表1所列。

表1 超低成本的家庭物聯(lián)網(wǎng)解決方案硬件

1.3 軟件設(shè)備

Home Assistant是構(gòu)建智能家居的核心，它能識(shí)別并連接約1 000個(gè)外部設(shè)備，如小米系列智能設(shè)備、攝像頭等。可通過手動(dòng)或按照自身需求自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)上述外部設(shè)備，構(gòu)建個(gè)人智能空間。Home Assistant結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Home Assistant結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 硬件安裝

樹莓派或Linux鏡像燒錄包括如下幾個(gè)方面。

（1）訪問樹莓派中國官網(wǎng)

從https：//www.raspberrypi.org/downloads/下載最新版Raspberry鏡像文件及鏡像燒錄工具。

燒錄軟件名稱如圖2所示。

圖2 燒錄軟件名稱

（2）樹莓派Raspbian系統(tǒng)的燒錄和寫入

選擇Win32 Disk軟件進(jìn)行系統(tǒng)安裝，系統(tǒng)安裝界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)安裝界面

（3）系統(tǒng)配置

將安全退出的系統(tǒng)SD卡插入到樹莓派SD卡的卡槽中，根據(jù)電路板上的指示燈判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)。樹莓派指示燈狀態(tài)見表2所列。

表2 樹莓派指示燈狀態(tài)

（4）使用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接并控制樹莓派（X-shell）

創(chuàng)建名稱分別為ssh和wpa_supplicant.conf的空白文件，將其拷貝至系統(tǒng)根目錄。wpa_supplicant.conf代碼配置如下：

至此，連接權(quán)限的授權(quán)已完成，斷開樹莓派的電源，取下存儲(chǔ)卡，修改其內(nèi)存卡中系統(tǒng)根目錄文件cmdline.txt。修改的內(nèi)容為：在最前端加IP設(shè)置：ip=aaa.bbb.ccc.x。

Putty連接狀態(tài)如圖4所示，樹莓派連接狀態(tài)如圖5所示。

圖4 Putty連接狀態(tài)

圖5 樹莓派連接狀態(tài)

2.2 軟件安裝

無論Windows系統(tǒng)、MacOS系統(tǒng)或Linux系統(tǒng)，均以常規(guī)方式安裝Home Assistant。

（1）訪問網(wǎng)站https：//www.python.org/，下載需要的安裝包，完成Python安裝。

（2）使用Python工具安裝Home Assistant。打開命令行窗口，輸入命令：pip3 install homeassistant。

（3）運(yùn)行并啟動(dòng)Home Assistant，進(jìn)入后臺(tái)管理界面，輸入命令：hass。Home Assistant安裝完成界面如圖6所示。

圖6 Home Assistant安裝完成界面

（4）以Root身份運(yùn)行以下命令，完成軟件依賴包的安裝。

2.3 本地計(jì)算機(jī)和樹莓派控制端的連接

連接過程如下所示：

（1）進(jìn)入登錄界面；

（2）在登錄界面輸入賬戶名；

（3）輸入用戶賬戶密碼。

登錄成功后，進(jìn)入用戶控制界面。其中，home assistant.local為登錄電腦的IP地址。Home Assistant主界面如圖7所示。

圖7 Home Assistant主界面

2.4 本地配置

將Linux系統(tǒng)中的所有文件通過局域網(wǎng)共享到Windows網(wǎng)絡(luò)中，再將樹莓派的用戶文件夾目錄或?qū)⒅付ㄐ韫蚕淼哪夸浽O(shè)置為共享文件夾。

具體操作方法如下：

（1）在樹莓派端下載Samba軟件，并設(shè)置其配置文件，從更新源獲取更新信息；

（2）下載并安裝Samba軟件；

（3）修改配置文件，為需要共享的目錄指定位置和授權(quán)；

（4）重啟Samba服務(wù)；

（5）添加默認(rèn)用戶Pi到Samba。

Samba配置界面如圖8所示。

圖8 Samba配置界面

2.5 傳感器的接入說明

2.5.1 小米網(wǎng)關(guān)接入說明

（1）小米多功能網(wǎng)關(guān)簡介

小米多功能網(wǎng)關(guān)可連接小米的溫濕度計(jì)、開關(guān)、人體感應(yīng)器等多種設(shè)備。在Home Assistant中接入小米多功能網(wǎng)關(guān)，使多功能網(wǎng)關(guān)連接的設(shè)備進(jìn)入Home Assistant系統(tǒng)。

（2）配置米家

打開米家APP，選擇需要接入的多功能網(wǎng)關(guān)，點(diǎn)擊右上角的“關(guān)于”，連續(xù)點(diǎn)擊下方的插件版本位置5次可激活開發(fā)者模式。米家網(wǎng)關(guān)配置如圖9所示，網(wǎng)絡(luò)信息顯示如圖10所示。

圖9 米家網(wǎng)關(guān)配置

圖10 網(wǎng)絡(luò)信息顯示

（3）配置Home Assistant

打開系統(tǒng)根目錄下Home Assistant下的配置文件configuration.yaml，在其中添加如下代碼：

保存配置文件后退出，重啟Home Assistant。小米配置界面如圖11所示。

2.5.2 DHT11傳感器接入

（1）DHT11傳感器簡介

DHT11是一款已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。DHT11工作原理如圖12所示。

（2）硬件電路連接與配置

將電源VCC接口連接樹莓派上任一個(gè)3 V引腳，GND接地，DATA數(shù)據(jù)接口連接樹莓派的4號(hào)GPIO口。

（3）配置根目錄下的Yaml文件

配置代碼如下：

（4）溫濕度顯示

保存已編輯文件，并重新啟動(dòng)樹莓派，即可看到圖13所示的溫濕度顯示界面。

圖13 溫濕度顯示界面

2.5.3 天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)接入

（1）天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)接入

天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)采用和風(fēng)天氣的開放API進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和高效性。

（2）安裝API接口讀取插件

所需命令如下：

（3）獲取密鑰

注冊(cè)和風(fēng)天氣API的免費(fèi)賬號(hào)（獲取數(shù)據(jù)接口），按步驟注冊(cè)之后獲取官方發(fā)送的密鑰。

（4）編輯Yaml文件

編輯Yaml文件代碼如下：

（5）顯示效果

保存已編輯文件，重新啟動(dòng)樹莓派查看和風(fēng)天氣顯示效果，如圖14所示。

圖14 和風(fēng)天氣顯示效果

2.5.4 人體傳感器配置

HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，具有超低電壓工作模式，被廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備。SR501結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 SR501結(jié)構(gòu)

在Home Assistant的配置文件中編輯Yaml文件的代碼如下：

3 操作調(diào)試

3.1 服務(wù)端控制

（1）Yaml配置說明

在對(duì)服務(wù)端進(jìn)行配置時(shí)，任何代碼的修改都是在Yaml文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行更改。Yaml文件的編寫格式可參考如下內(nèi)容：

①“#”右邊的文字用于注釋，無實(shí)際意義；

②冒號(hào)（：）左邊的字符串代表配置項(xiàng)的名稱，冒號(hào)右邊為配置項(xiàng)的值；

③若冒號(hào)右邊為空，則從下一行開始縮進(jìn)兩個(gè)空格的字符串皆是該配置項(xiàng)的值。

（2）樹莓派文件基礎(chǔ)配置

若Home Assistant軟件啟動(dòng)時(shí)未找到配置文件，則自動(dòng)配置相關(guān)設(shè)備、sun實(shí)體及天氣預(yù)報(bào)等內(nèi)容。

基礎(chǔ)配置見表3所列。

表3 基礎(chǔ)配置

（3）Home Assistanr添加設(shè)備

Home Assistant連接的外部程序包括處理程序、人臉識(shí)別程序等。

3.2 客戶端控制

（1）客戶端控制

無論Android系統(tǒng)還是iOS系統(tǒng)，都可將Home Assistant作為“Web APP”添加為手機(jī)應(yīng)用。其操作步驟為：打開Chrome—定位到Home Assistant—點(diǎn)擊菜單。客戶端顯示效果如圖16所示。

圖16 客戶端顯示效果

（2）設(shè)置家庭APP

擁有家庭APP即可輕松、安全地掌控HomeKit配件。蘋果客戶端顯示效果如圖17所示。

圖17 蘋果客戶端顯示效果

4 結(jié) 語

本文以樹莓派和Home Assistant為基本架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超低成本物聯(lián)網(wǎng)解決方案，經(jīng)測試，效果良好，市場應(yīng)用前景廣闊。