基于Home Assistant簡易家電智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

羅志富 陸 瑩 楊程鈞 蒙成舉 陳東昕 梁珊珊 黃華振

（河池學(xué)院人工智能與制造學(xué)院，廣西 宜州 546300）

0 引言

隨著社會的進步，人們的生活質(zhì)量不斷提高，越來越多的人開始追求高質(zhì)量的生活。智能家居作為智能化發(fā)展的重要組成部分，在人們的生活中逐漸發(fā)揮著更重要的作用［1-2］。如今物聯(lián)網(wǎng)和智能家居已深入人心，眾多廠商相繼推出基于ZWAVE、ZIGBEE、藍牙、WiFi、SUB1G 等協(xié)議的智能家居系統(tǒng)［3］。這些廠商可獨自形成完整的生態(tài)系統(tǒng)，但不同廠商的產(chǎn)品的設(shè)備接口、通信協(xié)議等有所不同，尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同品牌的設(shè)備的聯(lián)動較為困難，這極大地制約了智能家居產(chǎn)品的推廣與普及。Home Assistant 系統(tǒng)是一款基于Python 語言的智能家居開源系統(tǒng)［4-6］，其支持接入眾多廠商的智能家居設(shè)備，能非常方便快捷地連接各種外部設(shè)備，并能通過軟件代碼模塊的添加與修改，按照需求來自動連接外部設(shè)備，從而輕松實現(xiàn)設(shè)備的語音、圖像識別等自動控制功能，同時其軟件還支持大部分操作系統(tǒng)，包括macOS、Linux、Windows 等，可實現(xiàn)協(xié)同控制與集中化管理，從而避免一種設(shè)備一個APP軟件的繁雜安裝過程，能極大節(jié)省控制系統(tǒng)的存儲空間。目前，智能家居已逐漸進入人們的生活，但眾多智能家居系統(tǒng)的互聯(lián)互通問題依然難以解決。

基于此，本研究基于聯(lián)網(wǎng)平臺，在Windows 系統(tǒng)中搭建Home Assistant 環(huán)境，并以Home Assistant系統(tǒng)為核心，結(jié)合具體需求來搭建各種功能硬件模型，把搭建好的硬件功能模塊接入到Home Assistant系統(tǒng)中，并通過Home Assistant系統(tǒng)對已接入的簡易家用電器設(shè)備進行配置，從而進行集中化的控制管理，具有方便、智能、低成本等特點，使人們的居住體驗和生活品質(zhì)得到提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本研究設(shè)計的系統(tǒng)是以Home Assistant 云端服務(wù)器為上位機系統(tǒng)，下位機Cortex-A11ARM主控板是基于ubuntu的操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 微型家用電器智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

Home Assitant系統(tǒng)通過對各類智能家居設(shè)備的自動化規(guī)則進行設(shè)置，從而使其智能聯(lián)動。本研究設(shè)計的系統(tǒng)具有智能門禁、智能家電控制、智能窗簾控制、家居自動化設(shè)置等功能。智能門禁系統(tǒng)通過判斷探測攝像頭影像中是否存在人臉，并將其以圖片的形式存放在指定的目錄文件夾中，通過Home Assistant系統(tǒng)中自動化配置相關(guān)信息后，可實現(xiàn)對門禁的控制。智能家電控制系統(tǒng)既保留了傳統(tǒng)的人工開（關(guān)）照明器，又能通過紅外感應(yīng)的方式來自動開（關(guān)）照明器。此外，還增加無線模塊，可通過手機、平板或電腦進行開關(guān)操作，從而實現(xiàn)對家電設(shè)備的遠程控制。智能窗簾控制系統(tǒng)通過氣體傳感器對室內(nèi)氣體的成分進行探測，并將采集到的信息發(fā)送到電腦系統(tǒng)中，通過自動化配置后，可對窗簾系統(tǒng)步進電機進行正反轉(zhuǎn)的控制，從而實現(xiàn)窗簾的開、關(guān)動作。

1.1 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的控制中心是基于開源軟件Home Assistant平臺，系統(tǒng)選擇的是hassos 鏡像系統(tǒng)，該鏡像系統(tǒng)是特別定制的高集成度、圖形化操作、易于上手的Home Assistant操作系統(tǒng)，由ResinOS及Docker進行驅(qū)動，旨在簡化Home Assistant 的配置操作，具體流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計流程圖

人臉識別開鎖的偽代碼實現(xiàn)如下。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本研究設(shè)計的簡易家電控制系統(tǒng)是由中心管理平臺、無線轉(zhuǎn)發(fā)器、信息家電控制器、控制模塊、智能控制開關(guān)、步進電機等組成。以Home Assistant 為中心管理平臺，通過傳感器模塊、WiFi 通信協(xié)議與家庭智能終端進行通信，從而完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和控制。該系統(tǒng)是基于云端服務(wù)平臺，并采用HUAWEI1080P 攝像頭模塊來對人臉圖像進行采集，ESP32 WiFi 通信模塊用于實現(xiàn)無線通信功能，家電照明器控制使用6 路繼電器模塊來演示本系統(tǒng)的6 個照明器，如果有更多的電器，也可適當(dāng)增加控制回路。窗簾、門禁系統(tǒng)的控制模塊均采用磁吸繼電器來對電機進行控制，從而實現(xiàn)帶動窗簾、門鎖開關(guān)的功能。系統(tǒng)硬件的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

Home Assistant系統(tǒng)支持大部分操作系統(tǒng)，包括macOS、Linux、Windows 等。Home Assistant 的內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要負(fù)責(zé)家庭自動化系統(tǒng)中的家居控制模塊?？煞譃樗膫€部分。①事件總線。處理信息模塊采集到的事件信息，并傳送到Esp核心。②狀態(tài)機。跟蹤事件信息狀態(tài)，并在狀態(tài)更改時觸發(fā)狀態(tài)更改事件。③服務(wù)。在事件總線上偵聽調(diào)用服務(wù)事件，并允許其他代碼的注冊服務(wù)。④計時器。在事件總線上定時發(fā)送一個時間更改事件。

圖4 Home Assistant內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖

2 基于聯(lián)網(wǎng)平臺的家電控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 Dlib人臉探測與人臉識別的系統(tǒng)實現(xiàn)

本研究設(shè)計的人臉檢測與人臉識別系統(tǒng)是基于Dlib.face_recognition 庫與安卓手機IP 攝像頭的，從而實現(xiàn)人臉探測與人臉識別的功能，face_recognition的安裝如圖5所示。

圖5 安裝face_recognition

在Home Assistant 系統(tǒng)中安裝搭建好face_recognition 庫后，在Home Assistant 的配置文件configuration.yaml 中配置好安卓手機IP 攝像頭、人臉探測和人臉識別的相關(guān)代碼程序。在配置dlib 時，要指定使用相應(yīng)的攝像頭。其中，人臉探測的探測周期設(shè)為2 s。因為每隔2 s會判斷一下攝像頭的影像是否出現(xiàn)人臉，配置代碼如圖6所示。

圖6 Dlib人臉探測與識別的配置代碼截圖

2.2 窗簾控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

Home Assistant 系統(tǒng)通過直接控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)窗簾的開與關(guān)。步進電機通過ESPHome 接入到Home Assistant 系統(tǒng)中，要在ESPHome 的配置文件中配置服務(wù)，名稱為control_stepper。然后將UploadESPHome.yaml 配置文件上傳到ESP32 中。ESP32 與步進電機接好線路，在Home Assistant 系統(tǒng)的概覽界面滑動窗簾控制滑條，實現(xiàn)對步進電機的控制。無線開關(guān)信號、窗簾控制信息是由ESPHome.yaml 系統(tǒng)進行信息交互，通過WiFi 可使HA 的APP 軟件進行智能控制。具體的信息配置部分代碼如下。

其他的電氣設(shè)備控制系統(tǒng)可采用類似的方法，在ESPHome 的配置文件中配置服務(wù)，名稱為control_stepper，然后將配置文件安裝到ESP32 上，ESP32與繼電器接好線路即可。

2.3 系統(tǒng)硬件接線電路設(shè)計

所有的智能家電系統(tǒng)硬件都按如圖7 所示的電路進行連接。用數(shù)據(jù)線將ESP32 連接到電腦上，在ESPHome 中進行編譯，并將ESPHome.yaml 固件文件上傳到ESP32 開發(fā)板上。其中，舵機與紅外傳感器系統(tǒng)配置信息的部分代碼如下。

圖7 智能家電系統(tǒng)硬件連接圖

在電腦網(wǎng)頁登錄訪問Home Assistant 系統(tǒng)，添加集成，并將接入到Home Assistant 中的實體以卡片的形式存放在Home Assistant 的概覽界面中，如圖8所示。

圖8 Home Assistant系統(tǒng)界面

3 簡易家電系統(tǒng)測試

在Home Assistant 概覽界面中逐個點擊卡片上的按鈕，即可實現(xiàn)對家用電器的通斷控制。例如，打開各個房間的燈和風(fēng)扇，通過步進電機的正反轉(zhuǎn)來控制繼電器的通斷，從而控制家電的通斷、控制舵機的轉(zhuǎn)動，并可調(diào)節(jié)WS2812B 燈帶的狀態(tài)及顯示人體紅外傳感器是否觸發(fā)等。

圖9 為Home Assistant 中的總開關(guān)選項，圖10為控制調(diào)節(jié)WS2812B 燈帶，可實現(xiàn)燈帶的開關(guān)、調(diào)節(jié)亮度、調(diào)節(jié)燈顏色、燈光閃爍效果選擇等功能。

圖9 家電控制開關(guān)

圖10 WS2812B燈帶調(diào)節(jié)

圖11 為窗簾開關(guān)控制測試，滑動控制窗簾的滑條，步進電機逐步轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)窗簾的開啟與關(guān)閉效果。設(shè)置窗簾的自動化規(guī)則，從而實現(xiàn)自動開關(guān)窗簾，減少日常的人工干預(yù)，從而達到每日定時開關(guān)窗簾，測試結(jié)果與預(yù)期相符合。

圖11 窗簾滑條開關(guān)

4 結(jié)語

當(dāng)前，智能家居并未在普通家庭中普及，這是因為產(chǎn)品的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)還存在很多問題，并沒有形成統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范，這一直是該行業(yè)的痛點。本研究通過對Home Assistant 系統(tǒng)的基本原理和基于聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計的簡易家電系統(tǒng)控制配置過程進行研究，為開發(fā)設(shè)計新型智能型家居系統(tǒng)提供一定指導(dǎo)。