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用行空板做一个智能家居控制器

本帖最后由 NciJlUN1qMan 于 2022-7-22 13:52 编辑

用行空板做一个智能家居控制器

浙江省温州中学胡潇桓
指导教师：邱奕盛

如今智能家居产品越来越多，大家通常会使用手机App控制它们。行空板的出现，给我带了灵感。我使用它制作了一款操作界面简洁的智能家居控制器，实现任意改变灯光颜色与亮度的功能。那具体是怎么实现的呢？读完这篇文章，你就了解了。

制作智能家居控制器所需的材料如附表所示。

附表

序号          名称                               数量

1                行空板                              1 块

2          Yeelight 智能灯                      1 盏

3    安装有 HASS 的树莓派                1 块

注：可参考树莓派官方网站中的教程，给树莓派安装 HASS。

相关知识与工作原理

1. HASS

HASS 的全称为 Home Assitant，是一款开源智能家居管理平台。强大的插件和集成使得它可以方便地连接各个品牌的智能家居设备。HASS 网关独立于企业网关，可以实现统一管理多个智能家居设备——查询设备状态和控制设备的功能。

2. MQTT

MQTT 协议是物联网常用的通信协议，因为它对通信带宽要求低，所以绝大多数的智能传感器和智能家居设备支持MQTT 协议。

MQTT 服务器是统一管理和转发MQTT 协议消息的服务器。向 MQTT服务器发送消息和订阅消息，可以实现设备之间的通信。各大云计算平台提供了免费的 MQTT 服务。我们可以使用EasyIoT、SIoT 搭建 MQTT 服务器。 HASS 支持连接各种 MQTT 服务器。

3. 行空板

行空板是一款新型国产教学用开源硬件，集成 LCD 彩色触摸屏、Wi-Fi 通信模块、蓝牙通信模块、多种常用传感器和丰富的扩展接口。同时，其自带 Linux 操作系统和 Python 编译环境，并预装了常用的 Python 库，让使用者只需两步就能开始学习 Python。

4. 工作原理

由于行空板等开源硬件不能直接接入 HASS，需要利用 MQTT平台做中转，我们将行空板与MQTT 服务器连接。这样有一个好处，就是传递消息不再受限于局域网，而是在任何有网络的地方都可以传递。然后，行空板通过 MQTT 服务器接入 HASS 网关，从而控制智能家居设备。智能家居设备与行空板的交互流程如图 1 所示。

图 1 智能家居设备与行空板的交互流程

功能实现过程

第一步：将Yeelight智能灯接入HASS

首先给 Yeelight 智能灯上电，然后根据 Yeelight App 的网络连接引导将Yeelight 智能灯接入自己家的 Wi-Fi。在浏览器中输入“你自己的树莓派的地址:8123”访问 HASS，如图 2 所示，单击界面左侧下方的“配置”，再选择界面右侧的“设备与服务”，在新的界面中依次单击“集成”和“添加集成”，然后在搜索框中输入“Yeelight”并按下键盘上的回车键，此时，HASS 会搜索周围已连入网络的 Yeelight 设备，在自动搜索到我们的 Yeelight 智能灯后，选择“提交”。如果我们在集成看到了新出现的 Yeelight设备或 Yeelight 设备中出现了新的设备编号，如图 3 所示，就代表我们已经成功把Yeelight 智能灯接入 HASS 了。

图 2 访问 HASS 平台

图 3 将 Yeelight 智能灯接入 HASS

第二步：配置行空板

使用数据线将行空板连接到计算机上，长按行空板左侧的确定按键打开菜单，选择“应用开关”（见图 4），在新弹出的界面中启用 Jupyter 和 SIoT（见图 5），操方法为通过行空板右侧的按键移动光标，当光标移动至 Jupyter 和 SIoT 上时，按下行空板左侧的确定按键。

设定好后，退出“应用开关”，再选择“查看网络信息”，在出的界面中查看USB 网口（见图 6）。将 USB 网口地址输入浏览器中，选择“网络设置”，扫描附近 Wi-Fi，并在扫描结果中选择自己家的 Wi-Fi，然后按照提示，输入 Wi-Fi 密码并选择“连接”（见图 7），当界面显示连接成功时，行空板就连接至自己家的Wi-Fi 了。此后，行空板只要上电，就会自动连接上家中的 Wi-Fi 了。

图 7 输入 Wi-Fi 密码并选择“连接”

第三步：将SIoT接入HASS

通过浏览器访问“你自己的行空板的无线连接地址：8080”，就可以进入SIoT，登录 SIoT 的用户名和密码分别为siot 和 dfrobot。在 HASS 中，依次选择“配置”“设备与服务”“集成”“添加集成”，然后搜索“MQTT”，在图 8 所示的服务器选项界面中输入行空板的无线连接地址、端口、SIoT 的用户名和密码，单击“下一步”，按提示完成连接。如果 HASS 界面出现了 MQTT 就代表连接成功了，如图 9所示。

图 8 服务器选项界面

图 9 成功将 MQTT 连接至 HASS

第四步：编写程序实现用滑条控制灯光颜色及亮度的功能

通过浏览器访问“你自己的行空板的无线连接地址：8888”，进入行空板内置的 jupyter notebook，在这里编写的Python 文件会自动存入行空板中，并在行空板中运行，如图 10 所示。

图 10 进入行空板内置的 jupyter notebook

我们新建一个文本文件，然后开始编写程序。

导入库和利用 tk 库创建交互 UI 窗口的程序如下所示。

import siot
import time
import tkinter as tk
window = tk.Tk()
window.title(“ 控制啊灯的颜色 ”)
window.geometry(‘240x320’)
复制代码

生成代表不同功能（发出红色光、发出绿色光、发出蓝色光、调整亮度）的滑条的程序如下所示。其中，label 后的字符串为滑条上显示的标签，from_ 与 to 后面的数字表示滑条的数字区间，width 与length 分别控制滑条的长与宽。

s l _ r e d = t k . S c a l e ( w i n d o w , 
label=”RED”, from_=1, to=255, 
orient=’horizontal’, width=20, 
length=300) 
sl_red.pack()
s l _ g r e e n = t k . S c a l e ( w i n d o w , 
label=”GREEN”, from_=1, to=255, 
orient=’horizontal’, width=20, 
length=300)
sl_green.pack()
s l _ b l u e = t k . S c a l e ( w i n d o w , 
label=”BLUE”, from_=1, to=255, 
orient=’horizontal’, width=20, 
length=300)
sl_blue.pack()
s l _ b r i g h t = t k . S c a l e ( w i n d o w , 
label=”BRIGHT”, from_=1, to=100, 
orient=’horizontal’, width=20, 
length=300)
sl_bright.pack()
复制代码

设置按钮响应函数，用于获取颜色值并调用发送函数，程序如下所示。这里一定要注意 rgb 与 bright 的两端使用的必须是半角的双引号，否则会导致程序无法正常运行。

def set_rgb():
 rgb_color = ‘[‘ + str(sl_red.
get()) + ‘,’ + str(sl_green.get()) + 
‘,’ + str(sl_blue.get()) + ‘]’
 print(rgb_color)
 return rgb_color
复制代码

消息发送函数，向 SIoT 中指定的Topic 发送指定的信息，程序如下所示。在 SERVER 后方填入行空板的无线连接地址，在 IOT_pubTopic 中输入设定的Topic 名称（前后必须要用“/”隔开），如果 SIoT 中尚没有对应的 Topic 也不要紧，在发送一次消息后，SIoT 会自动创建Topic。

def send(mess):# 发送消息
 SERVER = “192.168.1.5”
 CLIENT_ID = “”
 IOT_pubTopic = ‘deng/secai’
 IOT_UserName = ‘siot’
 IOT_PassWord = ‘dfrobot’
 siot.init(CLIENT_ID, SERVER, 
user=IOT_UserName, password=IOT_
PassWord)
 siot.connect()
 siot.loop()
 siot.publish(IOT_pubTopic, mess)
复制代码

设置按钮 UI 和响应函数，程序如下所示。text 后的内容为按钮上要显示的文字，command 后面的内容为按钮的响应函数名。

turn_color = tk.Button(window, 
text=u’turn color’, command=turn_
color)
turn_color.pack()
复制代码

如下所示，运行窗口程序。

window.mainloop()
复制代码

UI 窗口可以根据个人喜好进行个性化设计。我们在图 11 蓝框所示的地方修改文件名，修改时要记住后缀一定要为 .py。修改好后，保存文件，我们就可以退回行空板内置的 jupyter notebook 的初始界面了。在初始界面找到刚刚保存的文件并打开。如果生成了操作界面，就单击界面下方的按钮，再到 SIoT 中查看是否可以收到对应的 Topic（见图 12），如果可以收到，此步就完成了。

图 11 修改文件名称

图 12 在 SIoT 中查看 Topic

第五步：在HASS中编写自动化接

收SIoT中对应的Topic的程序在 HASS 中，依次选择“配置”“场景自动化”“添加自动化”，在弹出的窗口中选择“从空的自动化开始”，如图 13所示。在新的界面中，将名称填写为“灯光颜色”，将触达条件类型选为“MQTT”，将主题填写为对应的 Topic，即上文程序中 IOT_pubTopic 后填写的 Topic，如图14 所示。

图 13 选择“从空的自动化开始”

图 14 配置自动化

下滑界面至“ 动作”（见图 15），将动作类型选为“调用服务”，服务选为“ 灯光：Turn on”，单击“ 选择设备”选择 Yeelight 智能灯（设备名称可在HASS 的设备与服务处选项下查看），勾选“Brightness”，再拖动“Brightness”后的圆点至任意位置。然后单击界面右上角的 3 个点，选择 “以 YAML 编辑”，此时会出现如图 16 所示的内容。除了device_id 会随不同设备变化，其余内容均需要参考图 17 进行修改。