基于樹莓派和Home Assistant語音控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王振鐸 邊倩 申海杰 陳曉范 田新志

摘要：由于智能家居行業(yè)缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，造成智能家居系統(tǒng)不兼容、功能有限，從而制約了智能家居產(chǎn)品的應(yīng)用。設(shè)計(jì)了一款基于樹莓派和HomeAssistant、天貓精靈為主的智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對家居產(chǎn)品的語言控制，降低了成本、方便了應(yīng)用。測試表明系統(tǒng)性能穩(wěn)定、兼容性好。

關(guān)鍵詞：智能家居;樹莓派;HomeAssistant;天貓精靈

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）18-0020-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

智能家居又稱“智能住宅”，是利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動控制、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。

智能家居發(fā)展到現(xiàn)在可以分為四大階段：第一代手機(jī)操控、第二代場景聯(lián)動、第三代語音交互、第四代人工智能[2]。

文獻(xiàn)3提出了一種基于手機(jī)的語音識別的智能家居控制系統(tǒng)，主要利用科大訊飛的語音識別模塊和開發(fā)的手機(jī)端控制程序?qū)崿F(xiàn)家居的控制。文獻(xiàn)4調(diào)用百度語音識別、圖靈機(jī)器人、Snowboy喚醒詞檢測、itchat庫，以及亞馬遜云端，通過 ZigBee 的單播通訊方式，設(shè)計(jì)了一款基于語音交互的智能家居系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)提出一種樹莓派和Home Assistant語音控制的智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，用戶通過語音，利用Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)施的控制和監(jiān)測，包括燈光、門禁、環(huán)境（溫濕度）的、窗簾控制等功能，構(gòu)建一個高效、方便的家居設(shè)施管理系統(tǒng)，提升人們家居的安全性、便利性、舒適性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本作品是基于AI語音控制的智能家居系統(tǒng)，通過語音識別來發(fā)送操作指令給控制模塊，再由控制模塊來控制智能開關(guān)、智能燈以及屋內(nèi)溫度，空氣質(zhì)量檢測播報(bào)。語音控制作為一種新的控制方式，是智能家居系統(tǒng)中人機(jī)交互的一種重要手段。無須任何肢體動作，便可極大地簡化操作流程，同時對于行動不便的老人、殘疾人等群體，語音指令控制更是能夠提供相當(dāng)大的便利，大大提高人們的生活質(zhì)量。

本項(xiàng)目中核心內(nèi)容為基于AI的智能家居語音控制系統(tǒng)，其中首先要實(shí)現(xiàn)的是用戶和語音識別設(shè)備（如：天貓精靈）的交互。比如“打開臥室燈”指令，首先語音識別設(shè)備將用戶語音返回服務(wù)器進(jìn)行解析，同時云服務(wù)器根據(jù)解析結(jié)果調(diào)用智能家居服務(wù)HASS。由HASS 管理的燈設(shè)備接收到“開燈”命令后，需要去控制世界中實(shí)際的燈設(shè)備。HASS 總管一切設(shè)備（燈、攝像頭、開關(guān)、溫度計(jì)……）。在具體的實(shí)現(xiàn)過程中，使用 MQTT 協(xié)議進(jìn)行 HASS 和世界中的真實(shí)臥室燈設(shè)備通信。ESP8266 WiFi模塊通過 MQTT 協(xié)議接收到開燈命令，控制電磁繼電器來開關(guān)真實(shí)世界里的臥室燈。其他的控制過程類似。

Home Assistant是一款基于Python的智能家居開源系統(tǒng)，采用Home Assistant （簡稱HA）獨(dú)立平臺，可集成大量量產(chǎn)或 DIY 的智能家居設(shè)備，且擁有獨(dú)立的控制前端。利用Home Assistant，結(jié)合 Home bridge，最終實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備對智能家居的控制問題。

系統(tǒng)可以通過手機(jī)進(jìn)行云端操作，讓用戶在室外也可以對智能家居進(jìn)行操作。因此系統(tǒng)很適應(yīng)普通的工薪階層并有智能控制家居設(shè)備意愿的家庭。

2 系統(tǒng)功能

（1）入戶門鎖開鎖可通過：指紋識別、人臉識別和遠(yuǎn)程控制等方式實(shí)現(xiàn)。

（2）打開門時系統(tǒng)通過門窗感應(yīng)器和光線感應(yīng)器綜合判斷決定是否自動開燈。

（3）人體感應(yīng)器檢測到室內(nèi)有人后自動打開飲水機(jī)電源，夜間或者所有人員離開后自動關(guān)閉飲水機(jī)等電器設(shè)備電源。

（4）人體感應(yīng)器檢測到人員在房間后結(jié)合室內(nèi)溫度傳感器值決定是否自動打開空調(diào)。

（5）可以語音或者App等方式控制各房間所有燈光及窗簾開關(guān)。

（6）夜間自動關(guān)閉窗簾白天自動開窗簾、午間陽光強(qiáng)烈時自動拉上窗簾。

（7）攝像頭設(shè)置離開模式時可自動推送闖入者畫面至微信。

（8）門窗感應(yīng)器檢查到闖入者可自動發(fā)出語音警報(bào)并推送微信。

（9）煙霧、水浸、天然氣泄漏等相關(guān)傳感器檢測到異常情況均可實(shí)時語音播報(bào)警報(bào)并推送微信。

（10）空氣檢測儀檢測到室內(nèi)濕度過低自動打開相應(yīng)房間的加濕器。

（11）空氣檢測儀檢測到室內(nèi)PM2.5超標(biāo)自動打開空氣凈化器。

（12）空氣檢測儀檢測到室內(nèi)甲醛含量超標(biāo)且根據(jù)系統(tǒng)中戶外空氣質(zhì)量決定是否自動打開換氣扇。

（13）可通過高識別的語音入口（天貓精靈或者iOS設(shè)備的SIRI功能）來控制室內(nèi)的智能設(shè)備。

（14）可通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程利用手機(jī)、PC等終端控制所有設(shè)備。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智能家居系統(tǒng)的硬件部分

智能家居硬件控制系統(tǒng)常用的控制器有單片機(jī)、STM32、FPGS等。本系統(tǒng)采用樹莓派作為核心控制器。相對于上述其他控制器，樹莓派具有擴(kuò)展性好、體積小、功能多等優(yōu)點(diǎn)，并且樹莓派上可以運(yùn)行Linux系統(tǒng)。另外，樹莓派上利用開源的Python語言，可以根據(jù)自己的需求定制開發(fā)自己的應(yīng)用。

3.2通訊設(shè)計(jì)

樹莓派和家居設(shè)備的通訊，采用WIFI方式，因?yàn)閃IFI成為日常生活必須和常用的通訊方式。利用樹莓派上的ESP8266 WiFi shied模塊，選用USB無線網(wǎng)卡、TL-WN823N構(gòu)建無線局域網(wǎng);人機(jī)交互采用天貓精靈或手機(jī)。其中實(shí)現(xiàn)語音控制，關(guān)鍵的技術(shù)是HomeAssistant控制天貓精靈。

HomeAssistant支持眾多品牌的智能家居設(shè)備，可以輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備的語音控制、自動化等。天貓精靈本身也能夠支持許多品牌的智能電器，實(shí)現(xiàn)語音控制。將天貓精靈的語音識別能力和Home Assistant的家電控制能力結(jié)合，讓天貓精靈能夠控制小米系列甚至更多其他品牌的智能家電成為目前主要的控制方式。

但是如果需要外網(wǎng)訪問，就必須實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透。可以使用向日葵遠(yuǎn)程控制和花生棒內(nèi)網(wǎng)穿透。其中，花生棒實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透真的十分簡單。首先，把花生棒通過網(wǎng)線，連接到需要進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透的那個設(shè)備所處的路由器上。然后，登錄注冊并綁定好花生棒硬件的Oray賬號，進(jìn)入花生殼的內(nèi)網(wǎng)穿透管理頁面。在映射列表里，增加一條映射。

3.3系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的核心內(nèi)容為基于AI的智能家居語音控制系統(tǒng)，其中首先要實(shí)現(xiàn)的是用戶和語音識別設(shè)備（如：天貓精靈）的交互。比如“打開臥室燈”指令，首先語音識別設(shè)備將用戶語音返回服務(wù)器進(jìn)行解析，同時云服務(wù)器根據(jù)解析結(jié)果調(diào)用智能家居服務(wù)HASS。由HASS 管理的臥室燈設(shè)備接收到“開臥室燈”命令后，需要去控制世界中實(shí)際的臥室燈設(shè)備。HASS 總管一切設(shè)備（燈、攝像頭、開關(guān)、溫度計(jì)……）。在具體的實(shí)現(xiàn)過程中，使用 MQTT 協(xié)議進(jìn)行 HASS 和世界中的真實(shí)臥室燈設(shè)備通信。ESP8266 WiFi模塊通過 MQTT 協(xié)議接收到開燈命令，控制電磁繼電器來開關(guān)真實(shí)世界里的臥室燈，其他的控制過程類似。其系統(tǒng)原理如圖 1 所示。

3.4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.4.1系統(tǒng)開發(fā)準(zhǔn)備

（1）工作電腦一臺（安裝好Windows或Linux操作系統(tǒng)）

（2）樹莓派4，8G

（3）tf卡及tf卡讀寫器

（4）燒錄軟件etcher—U盤鏡像制作軟件

1）樹莓派上部署HA

首先在自己的工作電腦上安裝好燒錄軟件etcher，然后上網(wǎng)下載HA軟件鏡像文件，地址為https：//pan.baidu.com/s/1INCX_0wkHnGdzJIBJyRuHQ，根據(jù)開發(fā)者的樹莓派版本選擇日期最新的鏡像，下載到電腦上，利用燒錄軟件將鏡像文件燒錄到tf卡上。如果用WIFI連接還需要配置WIFI連接，在燒錄的鏡像文件夾中增加CONFIG＼network目錄，并添加一個my-network文件，在其文件中修改自己的ssid信息及psk（WIFI密碼），以便能夠樹莓派使用WIFI通訊。將燒好的tf卡插入樹莓派的tf卡槽上，給樹莓派通電，訪問http：//homeassistant.local：8123或利用無線路由器查看樹莓派的IP地址，利用http：//ip地址：8123的方式進(jìn)入HA系統(tǒng)，配置用戶名和密碼，并確定自己的位置，HA可以自動識別到網(wǎng)絡(luò)中的一些其它硬件設(shè)備，可以在后面再設(shè)置。

2）HomeAssistant軟件配置管理智能設(shè)備

Home Assistant 是一個成熟完整的基于 Python 的智能家居系統(tǒng)，設(shè)備支持度高，支持自動化（Automation）、群組化（Group）、UI 客制化（Theme） 等等高度定制化設(shè)置。背后又有龐大的社群基礎(chǔ)，且不斷在更新。最重要的是我們可以通過Homeassistant-homebridge插件打通兩個平臺，同樣實(shí)現(xiàn)設(shè)備的 Siri 控制。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

本項(xiàng)目較市場中各廠商智能家居產(chǎn)品方案具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)使用開源硬件平臺“樹莓派”+開源智能家居軟件平臺“Home Assistant”構(gòu)建，硬件部分大部分通過自制實(shí)現(xiàn)，軟件功能自主開發(fā)，整體價格相對市面上現(xiàn)有產(chǎn)品更加低廉。

（2）所有功能通過統(tǒng)一入口集中管理，避免安裝各種廠家智能家居產(chǎn)品APP造成的管理混亂問題。

（3）相對于市場上各廠商智能硬件產(chǎn)品間無法互聯(lián)互通、?同一廠商產(chǎn)品間場景聯(lián)動模式單一的現(xiàn)狀，本系統(tǒng)采用統(tǒng)一整合，自動化場景功能更加強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的場景聯(lián)動功能。

（4）依托于AI人工智能技術(shù)的突破性發(fā)展，本項(xiàng)目使用語音入口作為高交互的入口中心，用戶體驗(yàn)效果更佳。

5 結(jié)束語

本文介紹了利用樹莓派和HomeAssistant及天貓精靈設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)的靈活性、兼容性良好，本系統(tǒng)中還涉及較多的技術(shù)細(xì)節(jié)，這里不在贅述。利用HomeAssistant實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的控制和自動化已成為目前較為常用的技術(shù)，希望對其它智能家居的設(shè)計(jì)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】