基于樹莓派的智慧生活

楊庭利，程 鵬，張一恩

（武漢商學(xué)院，湖北 武漢 430056）

我國社會的主要矛盾是人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。人們越來越看重生活水平的質(zhì)量，如今生活當(dāng)中智能家居等很多的智能化的設(shè)備給我們的生活提供了很多的便利，相較于我國傳統(tǒng)的商品房住宅方式，以及人力成本的上升，在很多方面不能夠很好地滿足人們對于美好生活的需要，這個(gè)時(shí)候人們已經(jīng)開始趨向于智能家居的選擇，這些年來，智能家居市場發(fā)展迅速，市場上涌現(xiàn)了很多的智能家居設(shè)備，而在生活當(dāng)中就有很多品牌的智能家居，品牌之間的系統(tǒng)也出現(xiàn)了很多。同時(shí)對于一些老舊的電器設(shè)備的使用和管理值得人們思考。

本文的研究采用了樹莓派4B 以及相應(yīng)的傳感器模塊，紅外發(fā)射模塊，并且基于樹莓派上安裝Home Assistant 智能家居控制系統(tǒng)，聯(lián)動傳感器模塊，發(fā)射模塊，使得相應(yīng)不同系統(tǒng)的智能家居在樹莓派上統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)適合人們自己的智慧生活智能家居。同時(shí)利用樹莓派將傳統(tǒng)家居智能化，控制多個(gè)傳感器模塊加上不同品牌的智慧家居，從而對整個(gè)家庭的家居設(shè)備進(jìn)行管理，進(jìn)而大大降低智能家居設(shè)備的成本。

1 智能家居系統(tǒng)的總體方案

系統(tǒng)的總體框架以樹莓派4B{XE“1”}{XE"1"}{XE"1"}{X E"1" }{X E"1" }{X E"1" }{X E"1:1" y" 1:1" }{XE"1:1"y"1:1"}{XE"1:1"y"1:1"}{XE"1:1"y"1:1"}{XE"1:1"y"1:1"}為載體，在python 環(huán)境下運(yùn)行Home Assistant 家庭自動化的免費(fèi)開源軟件，使其成為智能家居設(shè)備的中央控制系統(tǒng)。智能家居通過WiFi 鏈接到樹莓派，溫度傳感器，繼電器開關(guān)紅外線開關(guān)模塊通過樹莓派的GPIO 接口通過底層硬件接入Home Assistant 中。

1.1 關(guān)于樹莓派

樹莓派（英語：Raspberry Pi，簡寫為RPi，別名為RasPi/ RPI）是為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)，只有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux[1]。隨著Windows 10 IoT 的發(fā)布，用戶可以用上運(yùn)行Windows 的樹莓派。

1.2 Home Assistant 智能家居控制系統(tǒng)

Home Assistant 是一款基于Python 的智能家居開源系統(tǒng)[2]，開源家庭自動化，將本地控制和隱私放在首位，由全球修補(bǔ)匠和DIY 愛好者社區(qū)提供支持，非常適合在樹莓派或本地服務(wù)器上運(yùn)行，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[3]。Home Assistant 運(yùn)行在Python3.5.3 及以上的環(huán)境下，一般來說，符合Python 運(yùn)行條件的系統(tǒng)皆可安裝Home Assistant。

1.3 傳感器簡介

我們采用的是DS18B20 智能溫度傳感器，由美國DAL-LAS 半導(dǎo)體公司推出，具有體積小、性價(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，DS18B20 溫度傳感器可編程的分辨率為9～12 位，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃DS18B20，僅需要一條口線即可與微處理器連接，實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊，且測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號以方便在Home assistant上直觀看出[4]。

表1 樹莓派參數(shù)和對比（詳細(xì)數(shù)據(jù)來源dfrobot 社區(qū)）

1.4 繼電器簡介

我們采用的繼電器為JOC-3FF-S-Z，是一款5 腳的繼電器，具有一組常開，一組轉(zhuǎn)換，超小型，標(biāo)準(zhǔn)印刷制版引出腳，低價(jià)格，具有塑封型和非塑封型兩種分裝方式。將繼電器接入傳統(tǒng)的電器家居中，替換傳統(tǒng)電器家居的開關(guān)設(shè)置，通過樹莓派的GPIO 與繼電器相連接，通過樹莓派提供GPIO 的權(quán)限給予Home Assistant，使其直接通過樹莓派控制繼電器實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電器家居的開關(guān)控制。

1.5 紅外線開關(guān)

在此采用的是IR1308 紅外接收頭，模塊封裝，體積小巧，工作電壓4.5V～5.5V，高靈敏度，抗光、電磁干擾能力強(qiáng)。最遠(yuǎn)工作距離30 米，輸出匹配TTL CMO禺平，低電平有效，上電短延時(shí)（低于1ms）。同樣地通過樹莓派的GPIO 與繼電器相連接，通過樹莓派提供GPIO 的權(quán)限給予Home Assistant。在Home Assistant 中進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，使得通過樹莓派實(shí)現(xiàn)對于一些擁有紅外開關(guān)的傳統(tǒng)家居進(jìn)行控制，取代傳統(tǒng)的紅外遙控器。在智慧生活聯(lián)動方面，使得這些傳統(tǒng)的如空調(diào)這樣的已經(jīng)安裝不方便改動的家居可以并入智能家居當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動場景。

2 設(shè)備的搭建

2.1 樹莓派鏡像的燒錄和配置

1.前往樹莓派官網(wǎng)下載官方燒錄工具樹莓派鏡像燒錄器。

2.選擇樹莓派的最新的官方系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)這里采用的是樹莓派的最新的64 位系統(tǒng) 2022-09-22-RASPBERRY PI OS (64-BIT)。

3.將鏡像文件燒錄到8G 及以上的SD 卡中。

4.用讀卡器打開SD 卡，在初始目錄下配置ssh 無后綴文本文件，開啟ssh 命令。

5.配置WiFi 信息文件，新建wpa_supplicant.conf 文件，在其中加入網(wǎng)絡(luò)信息。

country=CN

ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev

update_config=1

network={

ssid=“無線網(wǎng)名字”

psk=“密碼”

priority=10

}

6.將SD 卡插回樹莓派，等待樹莓派鏈接WiFi 后，通過WiFi 路由器后臺獲取樹莓派的IP 地址。

7.使用putty 軟件通過ssh 協(xié)議和樹莓派進(jìn)行通行。

2.2 Home Assistant 的安裝

1.安裝python3 及依賴。在開始之前，請確保您的系統(tǒng)已完全更新，本指南中的所有軟件包都安裝了，如果您的操作系統(tǒng)沒有，請尋找替代方案。

sudo apt-get update

sudo apt-get upgrade -y

安裝依賴項(xiàng)：

sudo apt-get install -y python3 python3-dev python3-venv python3-pip bluez libffi-dev libssl-dev libjpeg-dev zlib1g-dev autoconf build-essential libopenjp2-7 libtiff5 libturbojpeg0-dev tzdata

上面列出的依賴項(xiàng)可能會有所不同或缺失，具體取決于您的系統(tǒng)或個(gè)人對家庭助理的使用。

2.pip 國內(nèi)鏡像配置。使用清華大學(xué)開源軟件鏡像來升級 pip：

[https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/help/pypi/](https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/help/pypi/)

3.創(chuàng)建虛擬環(huán)境。首先，我們將創(chuàng)建一個(gè)用于安裝家庭助理核心的目錄，并將所有者更改為帳戶。Home Assistant 提供GPIO 的權(quán)限，方便以后連接其它傳感器。添加Home Assistant 賬號及安裝目錄：

sudo mkdir/srv/homeassistant

sudo chown homeassistant:homeassistant/srv/homeassistant

4.python 虛擬容器創(chuàng)建及Home Assistant 安裝。

sudo -u homeassistant -H -s

cd/opt/homeassistant

python3 -m venv .

source bin/activate

python3 -m pip install wheel #（這一條可以不執(zhí)行，實(shí)測執(zhí)行了反而又會變慢，多次重試才安裝成功）

cd/opt/homeassistant &&pip3 install homeassistant

5.Home Assistant 運(yùn)行。

sudo -u homeassistant -H -s

source/opt/homeassistant/bin/activate

6.等待Home Assistant自動配置10到30分鐘左右后，通過下面的Web 界面進(jìn)行訪問：http://homeassistant.local:8123。如果此地址不起作用，也可以嘗試（將X.X.X.X替換為您機(jī)器的IP 地址）http://localhost:8123http://X.X.X.X:8123 。

傳感器安裝搭建，通過使用Home Assistant 用戶的GPIO 的權(quán)限連接其它傳感器。

2.3 樹莓派硬件的鏈接

通過杜邦線將溫度傳感器、繼電器模塊和紅外發(fā)射模塊連接到面包板上搭建簡單的電路，并且使用杜邦線和樹莓派GPIO 接口相連接，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊與樹莓派的通信。在連接時(shí)注意樹莓派的GPIO 接口和傳感器正負(fù)級連接是否正確。

3 智能家居實(shí)現(xiàn)效果

Home Assistant安裝效果：檢查樹莓派是否正常開機(jī)，在路由器后臺是否找到樹莓派的IP 地址，使用Putty 連接樹莓派，檢查連接情況。同時(shí)使用終端命令查看樹莓派是否成功執(zhí)行相關(guān)的命令。

Home Assistant 的界面演示：在上個(gè)界面獲取http://homeassistant.local:8123 后，在瀏覽器中輸入，選擇相關(guān)的信息后，設(shè)置一個(gè)賬號和密碼。

進(jìn)入Home Assistant 后就可以根據(jù)自己的需求去配置，在設(shè)備與服務(wù)當(dāng)中選擇集成，在集成當(dāng)中添加所需要的智能設(shè)備的相關(guān)集成，最后集中在概覽當(dāng)中。

4 總結(jié)

如今，在居民的生活當(dāng)中使用智能家居的比例越來越大。但是市面上不同的廠商之間使用的智能家居只能在自家的智能家居系統(tǒng)當(dāng)中使用。很多時(shí)候，廠商之間最好的產(chǎn)品想要同時(shí)使用，只能在不同的應(yīng)用之間切換使用，對于統(tǒng)一管理十分的不方便，在不同的產(chǎn)品之間的聯(lián)動更加的困難。安裝Home Assistant 后，用戶可以在自己的家庭中創(chuàng)建一個(gè)智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化控制，比如控制家庭照明、溫度、安防等。用戶可以通過Home Assistant 的Web 界面或手機(jī)應(yīng)用程序來控制家庭設(shè)備，也可以通過Home Assistant 的自動化功能來實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備的自動控制。此外，Home Assistant 還支持多種第三方服務(wù)，比如Amazon Alexa、Google Home、IFTTT 等，可以讓用戶更加方便地控制家庭設(shè)備。而且Home Assistant 的使用無疑打破了各個(gè)廠家之間的屏障壁壘，同時(shí)，使用繼電器和相關(guān)的傳感器原件，可以使得原先的老舊電器也同樣加入智慧生活系統(tǒng)。并且高度的自制劃的生活智慧系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更多的智能家居的場景。