董晨乐，张富春，杨延宁

（延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000）

0 引 言

物联网概念的前身是传感网[1]。中国科学院于1999年启动了传感网技术的研究[2]。2009年6月欧盟委员会提出“物联网行动方案”[3]，明确表示在技术层面给予该方案大量资金支持。2009年之后，国内出现物联网技术研究热潮，2010年，物联网被写入政府工作报告，2019年我国初步完成从互联网到物联网的过渡，预计在2030年全面完成全国“万物互联”建设[4]。

随着智能家居行业的迅速发展，国内大批家装企业推出多种智能家居解决方案[5]。但无论是手机APP还是智能音箱等设备[6]均自成体系，难以互通。

1 超低成本方案

1.1 方案组成

超低成本的家庭物联网解决方案主要选用市场上的常规设备，旨在规避各智能家居厂商因采用软件不通用、硬件不协调、物料价格贵、工作原理单一且复杂导致的一系列问题。系统通过Home Assistant软件环境平台[7]实现自动开关电器、自动报警、垃圾智能分类、人脸算法识别、无接触乘坐电梯等功能，通过百度云平台组建物联网控制枢纽[8]。

1.2 硬件设备

1.2.1 硬件服务器

本方案服务器可采用树莓派或各品牌路由器等。

1.2.2 多功能网关

网关（Gateway）即网间连接器、协议转换器，它既可用于广域网互连，也可用于局域网互连。小米多功能网关可看作家电传感器、门窗传感器、无线开关等小米智能家居的联接控制器[9]。

1.2.3 主要第三方传感器

本方案采用的主要第三方传感器包括WiFi智能插座、PM2.5传感器、温湿度传感器。

WiFi智能插座[10]通过WiFi将手机与插座连接，由手机控制家中所有插座的开关，并随时查看插座是否存在安全隐患。

PM2.5传感器采用TF-LP01，它检测精度高，响应迅速，可自动检测空气中PM2.5的含量。

温湿度传感器采用DHT11。DHT11可与其他设备联动，实现对家庭环境温湿度的智能控制。超低成本的家庭物联网解决方案硬件见表1所列。

表1 超低成本的家庭物联网解决方案硬件

1.3 软件设备

Home Assistant是构建智能家居的核心，它能识别并连接约1 000个外部设备，如小米系列智能设备、摄像头等。可通过手动或按照自身需求自动化联动上述外部设备，构建个人智能空间。Home Assistant结构如图1所示。

图1 Home Assistant结构

2 系统开发

2.1 硬件安装

树莓派或Linux镜像烧录包括如下几个方面。

（1）访问树莓派中国官网

从https：//www.raspberrypi.org/downloads/下载最新版Raspberry镜像文件及镜像烧录工具。

烧录软件名称如图2所示。

图2 烧录软件名称

（2）树莓派Raspbian系统的烧录和写入

选择Win32 Disk软件进行系统安装，系统安装界面如图3所示。

图3 系统安装界面

（3）系统配置

将安全退出的系统SD卡插入到树莓派SD卡的卡槽中，根据电路板上的指示灯判断系统工作状态。树莓派指示灯状态见表2所列。

表2 树莓派指示灯状态

（4）使用远程计算机连接并控制树莓派（X-shell）

创建名称分别为ssh和wpa_supplicant.conf的空白文件，将其拷贝至系统根目录。wpa_supplicant.conf代码配置如下：

至此，连接权限的授权已完成，断开树莓派的电源，取下存储卡，修改其内存卡中系统根目录文件cmdline.txt。修改的内容为：在最前端加IP设置：ip=aaa.bbb.ccc.x。

Putty连接状态如图4所示，树莓派连接状态如图5所示。

图4 Putty连接状态

图5 树莓派连接状态

2.2 软件安装

无论Windows系统、MacOS系统或Linux系统，均以常规方式安装Home Assistant。

（1）访问网站https：//www.python.org/，下载需要的安装包，完成Python安装。

（2）使用Python工具安装Home Assistant。打开命令行窗口，输入命令：pip3 install homeassistant。

（3）运行并启动Home Assistant，进入后台管理界面，输入命令：hass。Home Assistant安装完成界面如图6所示。

图6 Home Assistant安装完成界面

（4）以Root身份运行以下命令，完成软件依赖包的安装。

2.3 本地计算机和树莓派控制端的连接

连接过程如下所示：

（1）进入登录界面；

（2）在登录界面输入账户名；

（3）输入用户账户密码。

登录成功后，进入用户控制界面。其中，home assistant.local为登录电脑的IP地址。Home Assistant主界面如图7所示。

图7 Home Assistant主界面

2.4 本地配置

将Linux系统中的所有文件通过局域网共享到Windows网络中，再将树莓派的用户文件夹目录或将指定需共享的目录设置为共享文件夹。

具体操作方法如下：

（1）在树莓派端下载Samba软件，并设置其配置文件，从更新源获取更新信息；

（2）下载并安装Samba软件；

（3）修改配置文件，为需要共享的目录指定位置和授权；

（4）重启Samba服务；

（5）添加默认用户Pi到Samba。

Samba配置界面如图8所示。

图8 Samba配置界面

2.5 传感器的接入说明

2.5.1 小米网关接入说明

（1）小米多功能网关简介

小米多功能网关可连接小米的温湿度计、开关、人体感应器等多种设备。在Home Assistant中接入小米多功能网关，使多功能网关连接的设备进入Home Assistant系统。

（2）配置米家

打开米家APP，选择需要接入的多功能网关，点击右上角的“关于”，连续点击下方的插件版本位置5次可激活开发者模式。米家网关配置如图9所示，网络信息显示如图10所示。

图9 米家网关配置

图10 网络信息显示

（3）配置Home Assistant

打开系统根目录下Home Assistant下的配置文件configuration.yaml，在其中添加如下代码：

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

2.5.2 DHT11传感器接入

（1）DHT11传感器简介

DHT11是一款已校准数字信号输出的温湿度传感器。DHT11工作原理如图12所示。

（2）硬件电路连接与配置

将电源VCC接口连接树莓派上任一个3 V引脚，GND接地，DATA数据接口连接树莓派的4号GPIO口。

（3）配置根目录下的Yaml文件

配置代码如下：

（4）温湿度显示

保存已编辑文件，并重新启动树莓派，即可看到图13所示的温湿度显示界面。

图13 温湿度显示界面

2.5.3 天气预报数据接入

（1）天气预报数据接入

天气预报数据采用和风天气的开放API进行数据获取，以确保数据的实时性、准确性和高效性。

（2）安装API接口读取插件

所需命令如下：

（3）获取密钥

注册和风天气API的免费账号（获取数据接口），按步骤注册之后获取官方发送的密钥。

（4）编辑Yaml文件

编辑Yaml文件代码如下：

（5）显示效果

保存已编辑文件，重新启动树莓派查看和风天气显示效果，如图14所示。

图14 和风天气显示效果

2.5.4 人体传感器配置

HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，灵敏度高，可靠性强，具有超低电压工作模式，被广泛应用于各类自动感应电器设备。SR501结构如图15所示。

图15 SR501结构

在Home Assistant的配置文件中编辑Yaml文件的代码如下：

3 操作调试

3.1 服务端控制

（1）Yaml配置说明

在对服务端进行配置时，任何代码的修改都是在Yaml文件的基础上进行更改。Yaml文件的编写格式可参考如下内容：

①“#”右边的文字用于注释，无实际意义；

②冒号（：）左边的字符串代表配置项的名称，冒号右边为配置项的值；

③若冒号右边为空，则从下一行开始缩进两个空格的字符串皆是该配置项的值。

（2）树莓派文件基础配置

若Home Assistant软件启动时未找到配置文件，则自动配置相关设备、sun实体及天气预报等内容。

基础配置见表3所列。

表3 基础配置

（3）Home Assistanr添加设备

Home Assistant连接的外部程序包括处理程序、人脸识别程序等。

3.2 客户端控制

（1）客户端控制

无论Android系统还是iOS系统，都可将Home Assistant作为“Web APP”添加为手机应用。其操作步骤为：打开Chrome—定位到Home Assistant—点击菜单。客户端显示效果如图16所示。

图16 客户端显示效果

（2）设置家庭APP

拥有家庭APP即可轻松、安全地掌控HomeKit配件。苹果客户端显示效果如图17所示。

图17 苹果客户端显示效果

4 结 语

本文以树莓派和Home Assistant为基本架构，实现了超低成本物联网解决方案，经测试，效果良好，市场应用前景广阔。