基于ESP8266的智能家居實(shí)踐平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘 要：當(dāng)前，我國提出了深層次工程教育改革的新工科建設(shè)理念，建設(shè)合適的實(shí)踐平臺(tái)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)、工程興趣、工程能力和應(yīng)用能力具有重要意義。以大連海事大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為例，以智能家居為背景，以ESP8266作為傳感器節(jié)點(diǎn)，以樹莓派4B作為服務(wù)器，搭載HomeAssistant智能平臺(tái)，利用內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)內(nèi)外網(wǎng)的訪問與控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)與控制。最后，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接入智能家居產(chǎn)品作為拓展。通過測(cè)試，系統(tǒng)功能滿足了預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)需求，具有良好的可拓展性與實(shí)用性，對(duì)學(xué)生進(jìn)一步掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、強(qiáng)化工程實(shí)踐能力具有重要意義。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐平臺(tái)；智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；ESP8266；HomeAssistant；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-0-04

0 引 言

當(dāng)前，我國提出了深層次工程教育改革新工科建設(shè)，努力探索和實(shí)踐中國特色工程教育模式，進(jìn)一步打造多學(xué)科交叉融合模式，而實(shí)踐教育是工程教育改革的重要環(huán)節(jié)[1-2]。教師以實(shí)際項(xiàng)目作為實(shí)踐教育平臺(tái)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)、工程興趣、工程能力和應(yīng)用能力具有重要

意義[3-4]。

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著智能產(chǎn)品的普及和5G技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用也得到了更大范圍的普及[5]。本文以大連海事大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為例，通過智能家居實(shí)踐平臺(tái)開發(fā)讓學(xué)生真實(shí)感受到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際生活中發(fā)揮的巨大作用，從而打開物聯(lián)網(wǎng)的視界，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

1 智能家居實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)分析

智能家居系統(tǒng)涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中數(shù)據(jù)采集與處理、智能控制、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信原理等相關(guān)課程的知識(shí)體系[6]。通過實(shí)踐平臺(tái)的搭建，能培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的能力，使其全面了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文旨在設(shè)計(jì)一款易于實(shí)現(xiàn)、能夠體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展水平的智能家居系統(tǒng)。平臺(tái)使用樹莓派4B作為智能家居服務(wù)器，ESP8266作為傳感器節(jié)點(diǎn)，借助WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能家居服務(wù)器通信。通過智能家居服務(wù)器接收處理數(shù)據(jù)并發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)以及對(duì)家中智能電器的遠(yuǎn)程控制。此外，還可根據(jù)需求將市面上已有的智能家居設(shè)備接入本系統(tǒng)，對(duì)已有的智能家居產(chǎn)品進(jìn)行功能拓展，并實(shí)現(xiàn)語音控制。

經(jīng)過分析，本智能家居實(shí)踐平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)能夠讀取傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，控制傳感器；并且傳感器節(jié)點(diǎn)可通過繼電器控制部分電子設(shè)備。

（2）建立智能家居服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信。服務(wù)器能夠讀取和分析傳感器信息，向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令用來控制傳感器。

（3）通過Web界面、智能手機(jī)APP等，對(duì)家中情況進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和控制。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)自定義功能，如：在可燃?xì)怏w傳感器檢測(cè)到可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)時(shí)發(fā)出警報(bào)。

（5）能夠按照使用者的需求增加其他器件，如：智能門鎖、監(jiān)視器等。

2 智能家居實(shí)踐平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述功能，使用樹莓派4B搭建本系統(tǒng)的服務(wù)器，在樹莓派中安裝并開發(fā)基于Python的開源項(xiàng)目HomeAssistant。樹莓派處理能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，功耗低，能夠完成智能家居服務(wù)器相關(guān)部分的工作[7-8]。Python是當(dāng)今最流行的編程語言，具有良好的跨平臺(tái)開發(fā)特性，被人們廣泛使用。在開源項(xiàng)目基礎(chǔ)上，平臺(tái)既能更加方便快捷地實(shí)現(xiàn)智能家居所需要的功能，又能夠擁有自定義功能空間。通過ESP8266搭建傳感器節(jié)點(diǎn)。ESP8266是一款使用WiFi通信的小型控制器，它體積小巧且工作穩(wěn)定，很適合用于家中[9]。

在傳感器選擇上使用低成本的硬件模塊，通過將傳感器模塊化能更方便快捷地增加、減少所需要（放棄）的功能。將所有設(shè)備通過智能家居服務(wù)器連接到互聯(lián)網(wǎng)，即使人不在家中，也能使用手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)查看傳感器狀態(tài)，了解家中的情況。通過繼電器、紅外遙控等智能設(shè)備控制家中設(shè)備的停止與運(yùn)行，并且能夠通過樹莓派自定義控制方法，當(dāng)光照強(qiáng)度較低且有人經(jīng)過時(shí)會(huì)自動(dòng)開燈。

在本智能家居實(shí)踐平臺(tái)，基于樹莓派搭建可供訪問、控制的智能家居控制頁面，使用者可通過Web網(wǎng)頁、APP訪問控制平臺(tái)中的傳感器以及電子器件。同時(shí)，樹莓派通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，采用MQTT協(xié)議與傳感器節(jié)點(diǎn)ESP8266通信，監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及被控對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并將其顯示在控制頁面上。樹莓派在顯示信息的同時(shí)，還將對(duì)接和處理收到的信息，并按照程序設(shè)定的邏輯，對(duì)特定信息進(jìn)行響應(yīng)。智能家居實(shí)踐平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)上述功能及結(jié)構(gòu)可知，本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠傳感器節(jié)點(diǎn)采集與控制、智能家居服務(wù)器搭建、智能家居系統(tǒng)通信、外接設(shè)備與API接口。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)采集與控制

在智能家居系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)ESP8266模塊如圖2所示。通過I/O口連接傳感器以及電子開關(guān)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)和設(shè)備控制，然后通過MQTT協(xié)議，經(jīng)由同一WiFi下的局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能家居服務(wù)器中，并且通過MQTT協(xié)議，查詢是否有改變電子器件狀態(tài)的命令，以控制電子器件改變家居環(huán)境的狀態(tài)。由于ESP8266只有1路ADC端口，設(shè)計(jì)時(shí)可通過AD/DA模塊拓展模擬量通道數(shù)，通過I2C與ESP8266連接。

ESP8266搭載的所有傳感器采用輪詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。為了合理分配傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗，設(shè)置ESP8266每隔10 s輪詢一次搭載的所有傳感器，并在獲得相關(guān)信息后延時(shí)一段時(shí)間。在這期間，ESP8266與樹莓派的MQTT通信協(xié)議不會(huì)停止，仍需確保控制繼電器報(bào)警的及時(shí)性。同時(shí)，ESP8266實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繼電器等設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)?shù)捷喸儠r(shí)間時(shí)，ESP8266將從傳感器讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到JsonData數(shù)據(jù)包中，通過client.publish（）函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定主題（topic）中。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖3所示。

2.2 智能家居服務(wù)器

樹莓派4B（智能家居服務(wù)器）如圖4所示。在安裝樹莓派系統(tǒng)之后，安裝Python以及開源項(xiàng)目HomeAssistant所需要的軟件或程序，最后安裝HomeAssistant。通過安裝開源的MQTT實(shí)現(xiàn)Mosquitto平臺(tái)，借助MQTT協(xié)議與傳感器節(jié)點(diǎn)通信。基于開源項(xiàng)目，通過修改配置文件得到智能家居控制頁面。開發(fā)者能夠訪問控制頁面，從控制頁面查看傳感器信息和實(shí)現(xiàn)控制傳感器的功能；設(shè)置自定義功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。智能家居服務(wù)器主要完成以下工作：接收從各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送而來的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行分析、顯示，之后基于這些信息發(fā)送合理的控制信號(hào)給傳感器節(jié)點(diǎn)，比如：當(dāng)接收到的可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)時(shí)，通過發(fā)送報(bào)警命令給傳感器節(jié)點(diǎn)，控制蜂鳴器報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)報(bào)警功能。

樹莓派上的HomeAssistant通過配置文件進(jìn)行配置，使用YAML語言規(guī)范編寫，完成設(shè)備連接、信息處理、自動(dòng)化控制等操作。需要注意的是，配置文件的語言格式、內(nèi)容必須正確，這樣HomeAssistant平臺(tái)才能夠正常啟動(dòng)，ESP8266發(fā)送的信息才能被正確顯示。

2.3 智能家居系統(tǒng)通信

傳感器節(jié)點(diǎn)通過WiFi與智能家居服務(wù)器通信。樹莓派使用HomeAssistant作為MQTT客戶端，通過配置MQTT服務(wù)器相關(guān)信息，正確連接到對(duì)應(yīng)的MQTT服務(wù)器，否則將無法正常發(fā)送和接收消息。在樹莓派目錄下的配置文件中配置MQTT服務(wù)的代理、端口、用戶名與密碼，其中用戶名與密碼為配置Mosquitto時(shí)使用的賬號(hào)密碼[10]。樹莓派能通過HomeAssistant連接各種使用MQTT協(xié)議的設(shè)備，在樹莓派與傳感器節(jié)點(diǎn)通信之前，需要它們的主題位置與信息內(nèi)容達(dá)成一致，即在樹莓派的配置文件中與ESP8266保持一致。只要傳感器節(jié)點(diǎn)與樹莓派連接在同一WiFi局域網(wǎng)下，它們就可以通過MQTT協(xié)議通信。同時(shí)，HomeAssistant開源平臺(tái)集成了現(xiàn)有大部分主流智能家居產(chǎn)品接口。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)使用JSON格式，便于連接傳感器節(jié)點(diǎn)與智能家居服務(wù)器，并能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在控制頁面上。

由于基于HomeAssistant搭建的智能家居平臺(tái)無法使用外網(wǎng)訪問，因此在平臺(tái)開發(fā)過程中，使用花生殼內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)，將原先只能在同一局域網(wǎng)下訪問的樹莓派產(chǎn)生的控制頁面進(jìn)行了內(nèi)網(wǎng)穿透，使控制頁面即使不在同一局域網(wǎng)下也能夠進(jìn)行訪問操作，使得用戶隨時(shí)隨地都能通過手機(jī)或者電腦使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問控制頁面，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。內(nèi)網(wǎng)穿透流程如圖5所示。

2.4 外接設(shè)備與API接口

智能家居系統(tǒng)通過ESP8266接入傳感器，再由MQTT將數(shù)據(jù)傳入樹莓派，還能使用樹莓派中的HomeAssistant直連其支持的設(shè)備，如圖6所示。在本設(shè)計(jì)中采用接入溫濕度模塊DHT11的方式。除了溫濕度模塊，市面上大部分的智能家居產(chǎn)品，如：小米臺(tái)燈、飛利浦燈具等都能夠使用該方法直接接入樹莓派。此連接方式基于前人開發(fā)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行連接和控制，能夠方便快捷地連接市面上已有的產(chǎn)品，有利于系統(tǒng)今后的功能拓展。

在https：//www.home-assistant.io/integrations/中搜索需要的電子產(chǎn)品后，將實(shí)例寫入樹莓派配置文件中，即可在HomeAssistant平臺(tái)檢測(cè)到電子產(chǎn)品并顯示在控制頁面當(dāng)中。將配置文件中的內(nèi)容傳入驅(qū)動(dòng)程序中，以此控制傳感器的工作方式。

為了不通過傳感器就能夠得知外界的溫度信息，需要使用氣象網(wǎng)站提供的API接口，將京東天氣提供的API接口接入到樹莓派中，再通過HomeAssistant顯示氣象信息。在HomeAssistant的配置目錄下創(chuàng)建文件夾custom_components及Python文件，用于編寫京東萬象API接口的驅(qū)動(dòng)程序。之后訪問京東萬象，注冊(cè)登錄獲取APPKEY，并將APPKEY寫入到配置文件中。在驅(qū)動(dòng)程序中獲取配置文件中的信息后訪問京東天氣，并將獲得的氣象信息顯示在控制頁面中。

3 智能家居實(shí)踐平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證本次智能家居系統(tǒng)各部分功能是否正常，在面包板上搭建智能家居系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如

圖7所示。檢測(cè)系統(tǒng)能否對(duì)各Web端、手機(jī)端的控制頁面進(jìn)行讀取、控制。

通過MQTT將處于同一WiFi環(huán)境下的樹莓派與ESP8266連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)了“無線”智能家居分布模式，并且完成了各子模塊的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)，之后將其連接到智能家居系統(tǒng)中。訪問控制界面如圖8所示。

4 結(jié) 語

本平臺(tái)基于樹莓派和ESP8266，設(shè)計(jì)了一款易于實(shí)現(xiàn)且實(shí)用的智能家居系統(tǒng)，能夠從手機(jī)和電腦端控制家中電器、檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)功能滿足了設(shè)計(jì)需求。通過智能家居實(shí)踐平臺(tái)，能夠提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，促進(jìn)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)可度以及教師的實(shí)踐教學(xué)水平，達(dá)到實(shí)踐教學(xué)資源的整合和共享。

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作者簡(jiǎn)介：柳麗川（1987—），男，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。

林師江（1998—），男，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)。

收稿日期：2024-01-22 修回日期：2024-02-28

基金項(xiàng)目：大連海事大學(xué)2022年校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專項(xiàng)（2022Y127）；遼寧省普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（遼教通[2022]166號(hào)-366）；大連海事大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目（YJG2023509）