一份写给极客的智能家居指南

只看该作者 · 2017-6-15 14:38

这是一个探索性项目，旨在提供一个完整的智能家居搭建指南。在此，可点击链接查看视频演示，具体系统架构图如下所示：
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（当前仅支持英语）
使用 iPhone 的“家庭”应用作为控制工具
可以使用任何的设备连接 Home Assistant 服务来控制应用

智能家居简介当前，我们谈论智能家居的时候，我们实现上是在讨论：家庭自动化。引自维基百科，对于智能家居的介绍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 技术的进一步普及，这一点（智能化）在最近几年里，应该会发生一些剧烈的变化。而无论如何，我可不太希望我要被机器催着起床。
开始实战之前，让我们先关注于当前智能家居的几个关键点：

设备。这些设备要么使用 WiFi，要么要使用蓝牙，方便使用手机连接上这些设备。依当前的情况来看，主要是以 WiFi 为主，在手机上配置完后，可以轻松地实现远程控制。与此同时，他们在与手机通讯的时候，会使用一些自定义的通讯规则，并且似乎很容易被**（参见仿真器一节）。如 Philips Hue 智能灯、Wemo 开关等等，他们都已经可以被仿真，并作为 Homekit 组件使用。
自动化。自动化是指你可以定时也开关某个特定的设备，闹钟一响，便打开灯诸如此类的。
场景（规则）。与自动化稍微区别的是，场景是某个特定场合下，对一系列设备的操作，如早起，便开灯、打开窗帘，离开家，则锁门、关闭一系列用电器、开启防盗功能等等。
中心网关。当我们所使用的一系列设备拥有 WiFi 功能时，装有各种软件的手机便相当于控制中枢。而这样的设计本身是不合理的，你要在手机上安装一系列的应用。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。

而作为一个普通的用户，我们只需要关注便利的生活。作为一个极客，我们则关注于如何改造成需要的功能。
智能音箱

学术上有个概念是“传声器阵列”，主要由一定数目的声学传感器组成，用来对声场的空间特性进行采样并处理的系统。

如下图所示 Amazon Echo 的电路板：
其及对应的麦克风的位置：
其所要主要解决远距离语音识别的问题，以保证真实场景下的语音识别率。而这些设备的主要原理，都是将语音信号发送到服务器端，由服务器端识别，并匹配到对应的指令上。
Amazon Echo实验表明 AWS 的服务并不是那么可靠的~~，经常出现：Your Echo dot is not connected
自定义组件的原理，如下图所示：
中心网关Home Assistant

Home Assistant 是一个运行在 Python 3 上的开源家庭自动化平台。能跟踪和控制家庭中的所有设备，并实现自动化控制，同时还完美的支持在 Raspberry Pi 上。

通过 Home Assistant 插件，它可以直接兼容各式硬件设备。其原理是通过 WiFi、BLE、Zigbee、MQTT 等不同的协议，来与不同的本地设备互联，并提供一个响应式的 Web 界面、PWA 应用、iOS 应用，让用户可以轻松地与设备进行交互。
其在桌面浏览器上的界面如下图所示：
手机浏览器的界面如下图所示：

对于提供丰富功能（如 RGB 灯）的设备来说，它也能支持丰富的操作，即上图。同时，还能接上 Amazon Echo、HomeKit 等各式各样的中心。
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』应用，用户可以轻松地掌控各种 HomeKit 配件。并且可以通过设备上 Siri 应用、Homepod，直接用语音来与设备交互。
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 设备。诸如使用 ESP8266 仿真 Philip Hues。

引自：使用iOS Homekit控制树莓派：HAP 协议部分是需要加入 MFi Program 才能获取文档，而且 MFi Program 无法以个人开发者身份加入。
因此，这个时候我们就需要借助于 Homebridge。
Homebridge 是一个用 Node.js 实现的轻量级后台，可以在家庭网络上运行，用于模拟iOS HomeKit API。它支持插件——由社区提供的模块，这些插件能提供从 HomeKit 到 “智能家居” 设备制造商，提供的各种第三方API的基本桥梁。
而我们只需要有一个 iPhone 在手便可以了。
设备如果只有上面的几种中心网关，而缺少设备，那么整个智能的中心就是不完善的。而这也是最近几年来，限制智能家居发展的一个因素：找不到合适的用户需求。
通讯机制与协议