so easy！分分钟动手搭建一套智能家居系统

作者 | Phodal

编辑 | 唐门教主

微信公众号ID | csdn_iot

这是一个探索性的项目，旨在提供一个完整的智能家居建设指南。回复官方账号后台的视频可以查看视频演示。具体系统架构图如下：

方案简介：

• 使用 Home Assistant、HomeBridge 作为智能家居的核心

• 使用 Amazon Echo 作为语音输入工具(目前只支持英语)

• 使用 iPhone 作为控制工具的家庭应用

• 任何设备都可以连接 Home Assistant 控制应用程序的服务

1

基础知识篇

1.1

智能家居简介

目前，当我们谈论智能家居时，我们实现了家庭自动化的讨论。引用维基百科全书介绍智能家居1：

Home automation or smart home (also known as domotics) is building automation for the home.

随着机器学习和深度学习等 AI 近年来，技术的进一步普及应该会发生一些剧烈的变化。无论如何，我不想被机器催促起床。

在实战开始之前，让我们先关注一下智能家居的几个关键点:

• 设备。要么使用这些设备 WiFi，要么用蓝牙，方便用手机连接这些设备。根据目前的情况，主要是 WiFi 在手机上配置后，可以轻松实现远程控制。与此同时，他们在与手机通信时，会使用一些自定义的通信规则，而且似乎很容易被破解(见模拟器一节)。如 Philips Hue 智能灯、Wemo 他们可以模拟开关等，并将其用作 Homekit 组件使用。

• 自动化。自动化是指你可以定期开关特定的设备，闹钟响了，打开灯等等。

• 场景（规则）。与自动化稍有不同的是，场景是一系列设备的操作，如早起、打开灯、窗帘、离家、锁门、关闭一系列电器、打开防盗功能等。

• 中心网关。当我们所使用的一系列设备拥有 WiFi 配备各种软件的手机相当于控制中心。而种设计本身是不合理的，你必须在手机上安装一系列应用程序。这个时候，便需要一个额外的软件作为中心，来接入这些设备，而手机上也不需要多余的额外软件。如 HomeKit、Home Assistant 就是这样的例子。

作为普通用户，我们只需要关注便利的生活。作为极客，我们关注如何将其转化为所需的功能。

1.2

智能音箱

有一个学术概念是传声器阵列，主要由一定数量的声学传感器组成，用于采样和处理声场的空间特性。

如下图所示 Amazon Echo 的电路板：

麦克风及相应的位置：

主要解决远程语音识别问题，确保真实场景中的语音识别率。这些设备的主要原理是将语音信号发送到服务器端，由服务器端识别并匹配到相应的指令。

Amazon Echo

实验表明 AWS 服务不太可靠~~，经常出现：Your Echo dot is not connected

如下图所示：

1.3

中心网关

Home Assistant

Home Assistant 是一种操作 Python 3 开源家庭自动化平台。它可以跟踪和控制家庭中的所有设备，实现自动化控制，完美支持 Raspberry Pi 上。

通过 Home Assistant 它可以直接与各种硬件设备兼容。其原理是通过 WiFi、BLE、Zigbee、MQTT 与不同的本地设备互联，并提供响应性协议 Web 界面、PWA 应用、iOS 应用程序允许用户轻松地与设备交互。

桌面浏览器上的界面如下图所示：

如下图所示：

提供丰富的功能(如 RGB 对于灯)设备，它还可以支持丰富的操作，即上图。同时，它也可以连接 Amazon Echo、HomeKit 等各种中心。

HomeBridge

HomeKit 是由 Apple 公司推出的智能家居平台包括iOS 上的 SDK、智能家居硬件通信协议 (HAP: HomeKit Accessory Protocol) 、以及 MFi(Made for iPhone/iPod/iPad) 认证等等。

借助于 iPhone、iPad、iWatch 等设备及『家庭』用户可以轻松控制各种应用程序 HomeKit 配件。并且可以通过设备 Siri 应用、Homepod，与设备直接交互。

当前要在 Homekit，有三种方法：

• 购买昂贵的 MFi 设备。

• 借助于 Home Assistant，来自建 Homekit API 服务连接设备。

• 模拟现有的 MFi 使用等设备 ESP8266 仿真 Philip Hues。

引自：使用iOS Homekit控制树莓派：HAP 需要加入协议部分 MFi Program 而且 MFi Program 不能作为个人开发者加入。

因此，此时我们需要帮助 Homebridge。

Homebridge 是一个用 Node.js 实现的轻量级以在家庭网络上运行，用于模拟iOS HomeKit API。 它支持社区提供的插件模块 HomeKit 到 智能家居 设备制造商提供各种第三方API基本桥梁。

而且我们只需要一个 iPhone 在手就可以了。

1.4

设备

如果只有上述中央网关，而缺乏设备，那么整个智能中心就不完善。这也是近年来限制智能家居发展的一个因素：找不到合适的用户需求。

通信机制与协议

• WeMo

• ZigBee

• WiFi

• BLE

• 红外

旧设备中枢

比如小米的万能遥控，Broadlink RM Pro 等。

仿真设备

设备：

• Amazone Echo Dot

• NodeMCU

• Broadlink RM Pro

• Yeelight

• Raspberry Pi 2

• Android、iOS 设备

2

实战设备篇

2.1

ESP8266 仿真设备

• Wemo：可以被 Amazon Echo 识别

• Philips Hue：可以被 HomeKit 识别 ?

ESP8266 仿真 Wemo

要求：下载 Ardunio IDE，地址： http://www.arduino.cc/en/main/software

一、安装 Arduino ESP8266

Arduino ESP8266 GitHub 地址： https://github.com/esp8266/Arduino

安装方法：

1. 启动 Arduino IDE，并进入 Preferences 窗口

2. 在 Additional Board Manager URLs 中输入： http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

3. 从 Tools > Board 菜单中打开 Boards Manager，并输入安装 esp8266 平台

二、测试仿真

下载安装包：https://github.com/kakopappa/arduino-esp8266-alexa-multiple-wemo-switch

Setup 步骤：

• 下载代码

• 在编辑器中打开 wemos.ino

• 修改 WiFi 设置

• 定义开关及其回调，在 officeLightsOn、officeLightsOff、kitchenLightsOn、kitchenLightsOff 中

• 烧录

相似项目：Arduino Esp8266 Alexa Wemo switch emulator

ESP8266 仿真 Philips Hue

ESP8266 Hue Emulator 项目地址：ESP8266HueEmulator

这个 Demo 需要这么几个库NeoPixelBus、aJson、Time、NtpClient，同时还需要修改一些相关的配置。

因此直接使用这个脚本安装，比较简单：

注意：如果是 Mac OS，需要将下面脚本中的 $HOME/Arduino/libraries/ 改为 $HOME/Documents/Arduino/libraries/

mkdir -p $HOME/Arduino/libraries/

cd $HOME/Arduino/libraries/

git clone --branch 2.1.4 https://github.com/Makuna/NeoPixelBus.git

git clone https://github.com/interactive-matter/aJson.git

git clone https://github.com/PaulStoffregen/Time.git

git clone https://github.com/gmag11/NtpClient.git

sed -i -e 's|#define PRINT_BUFFER_LEN 256|#define PRINT_BUFFER_LEN 4096|g'  aJson/aJSON.h

cd -

git clone https://github.com/probonopd/ESP8266HueEmulator.git

sed -i -e 's|#include "/secrets.h"|//#include "/secrets.h"|g' ESP8266HueEmulator/ESP8266HueEmulator/ESP8266HueEmulator.ino

sed -i -e 's|//const char|const char|g' ESP8266HueEmulator/ESP8266HueEmulator/ESP8266HueEmulator.ino

再将代码烧录到 ESP8266 上，就可以在 Homekit 看到相应的配置。

2.2

小米智能插座

寻找设备

npm install -g miio

miio --discover

npm install --save miio

3

集成网关篇

3.1

Raspberry Pi Home Assistant

Images: https://home-assistant.io/docs/hassbian/installation/

Images Downloader: https://etcher.io/

发现文档好像有点问题，便手动地尝试安装：

pip3 install --upgrade homeassistant

运行

sudo -u homeassistant -H /srv/homeassistant/bin/hass

并不没工作，于是执行官方的安装脚本：

curl -O https://raw.githubusercontent.com/home-assistant/fabric-home-assistant/master/hass_rpi_installer.sh && sudo chown pi:pi hass_rpi_installer.sh && bash hass_rpi_installer.sh

又在我的 MBP 上安装尝试

pip3 install homeassistant

hass --open-ui

然后发现安装完就可以了。

3.2

Home Assistant Broadlink PM PRO

在 configuration.yaml 文件中添加下面的配置：

# Example configuration.yaml entry

switch:

  - platform: broadlink

    host: IP_ADDRESS

    mac: 'MAC_ADDRESS'

    switches:

      reciever:

        command_on: 'switch_packet on'

        command_off: 'switch_packet off'

获取 Broadlink 配置

1. 从 https://github.com/NightRang3r/Broadlink-e-control-db-dump 获取数据导出脚本

2. 打开 易控（英语：E-Control） 应用，点击菜单 -> 共享 -> 云分享 就会生成相应的配置文件

3. 浏览手机上的 /broadlink/newremote/SharedData/ 目录，复制出 jsonSubIr、jsonButton、jsonIrCode 三个文件

4. 安装好 python 环境， 并安装 pip install simplejson

5. 执行第一步代码中的脚本，python getBroadlinkSharedData.py

6. 安装python-broadlink，地址 https://github.com/mjg59/python-broadlink.git

不知道是不是我的空调问题，获取到的配置是空的。

3.3

Homebridge

相关的插件：

• Yeelight：homebridge-yeelight

• 小米设备：homebridge-aqara

• Broadlink RM 红外：homebridge-broadlink-rm

• Broadlink SP 开关: homebridge-broadlink-sp

• Home Assistant: homebridge-homeassistant

安装 Homebridge

编辑软件源：

sudo vim /etc/apt/sources.list

修改为阿里云，速度会更快一些：

deb http://mirrors.aliyun.com/raspbian/raspbian/ jessie main non-free contrib

deb-src http://mirrors.aliyun.com/raspbian/raspbian/ jessie main non-free contrib

安装 Node.js ARM 版 ：

curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_7.x | sudo -E bash -

sudo apt-get install -y nodejs

安装 avahi：

sudo apt-get install libavahi-compat-libdnssd-dev

安装 homebridge：

npm install -g homebridge

安装相应的插件：

sudo npm install -g homebridge-yeelight

sudo npm install -g homebridge-homeassistant

sudo npm install -g homebridge-broadlink-sp

sudo npm install -g homebridge-broadlink-rm

sudo npm install -g homebridge-platform-wemo

sudo npm install -g homebridge-miio

对应的配置在 home-assistant 目录下的 configuration.yaml 文件。

开机启动

在 /etc/default 目录下创建 homebridge 文件，内容如下：

#Defaults / Configuration options for homebridge

#The following settings tells homebridge where to find the config.json file and where to persist the data (i.e. pairing and others)

HOMEBRIDGE_OPTS=-U /var/lib/homebridge

# If you uncomment the following line, homebridge will log more

# You can display this via systemd's journalctl: journalctl -f -u homebridge

# DEBUG=*

在 /etc/systemd/system 目录下创建 homebridge.service 文件，内容如下：

[Unit]

Description=Node.js HomeKit Server

After=syslog.target network-online.target

[Service]

Type=simple

User=homebridge

EnvironmentFile=/etc/default/homebridge

# Adapt this to your specific setup (could be /usr/bin/homebridge)

# See comments below for more information

ExecStart=/usr/local/bin/homebridge $HOMEBRIDGE_OPTS

Restart=on-failure

RestartSec=10

KillMode=process

[Install]

WantedBy=multi-user.target

启动服务：

systemctl daemon-reload

systemctl enable homebridge

systemctl start homebridge

4.4

HomeBridge 集成 Home Assistant

安装插件：

npm install -g homebridge-homeassistant

添加配置：

"platforms": [

  {

    "platform": "HomeAssistant",

    "name": "HomeAssistant",

    "host": "http://127.0.0.1:8123",

    "password": "yourapipassword",

    "supported_types": ["binary_sensor", "climate", "cover", "device_tracker", "fan", "group", "input_boolean", "light", "lock", "media_player", "scene", "sensor", "switch"],

    "logging": true

  }

]

4.5

Amazon Echo 设置

我用的是 Amazon Echo Dot 2 就是那个 Mini 版的

• 安装 Yeelight Skill

• 安装 Mijia

两者需要登录小米的账号，才能授权获得控制。

3

结合 HomeAssistant 和 Amazon Echo

文档：https://home-assistant.io/components/alexa/

如果只是为了打开、关闭设备，可以直接使用 emulated_hue 组件，它可以提供一个虚拟的 Philips Hue 桥。

只开关设备

使用 Home Assistant 的 Emulated Hue 组件就可以了，添加如下的配置：

emulated_hue:

  host_ip: 192.168.199.242

其中的 192.168.199.242 即是 Home Assistant 的服务器地址

更详细的配置，如：https://github.com/Teagan42/HomeAssistantConfig

定制命令

为了使用更多的功能，则需要使用将 Home Assistant 暴露到公网上——使用诸如花生壳等。（PS:由于当前家里使用的是光纤，需要光纤猫，实施上比较困难；因此，外部访问需要使用一级跌幅，暂时没有进行这方面的尝试）。

随后在 Amazon developer console

创建相应的 Alexa Skill，并添加 Endpoing：https://YOUR_HOST/api/alexa?api_password=YOUR_API_PASSWORD

必须使用 HTTPS

4.7

定制 Home Assistant

Home Assistant RESTful API 地址：Home Assistant API

4.8

Raspberry Pi Cornata

官方文档：Use Cortana Function on IoT Core

下载 Windows 10 IoT Core Dashboard

下载地址：https://developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/docs/iotdashboard

安装最新镜像

打开 Windows 10 IoT Core Dashboard，为 RPi 烧录镜像，如下图所示：

官方建议要更新到最新。使用 Web 界面打开设备的 Windows Update，http://:8080/#Windows%20Update，如http://192.168.199.223:8080/#Windows%20Update。

然后到 Devices 中看是否出现相应的 Microphone 设置。

开机启动 Cortana

在首页的 Device Settigns 最下面有一个 Start Cortana on Boot 的选项。

使用 Windows IoT Remote Server 访问：在 http://192.168.199.223:8080/#Remote 在勾上 Enable Windows IoT Remote Server

设置 speechlanguage 成中文：

打开 Processes -> Run command，执行：

IoTSettings -set region CN

IoTSettings -set speechlanguage zh-Hans-CN

4.9

工具集

Tools:

• Alexa Skill Testing Tool

• Raspberry Pi Burn images Tools

欢迎 star：https://github.com/phodal/smart-home

作者：黄峰达（@Phodal），ThoughtWorks软件开发工程师，CSDN博客专家。长期活跃于GitHub，专注于物联网和前端领域。出版著作《自己动手设计物联网》，以及《Growth：全栈增长工程师指南》等六本电子书，并译有《物联网实战指南》。 

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