基于边缘计算的家居管理系统

唐崑 胡嘉 邓春伟

摘要：本设计主要是针对家居环境所设计的边缘端家居管理系统，系统将树莓派作为边缘端的处理核心，多个子节点作为数据收集和指令下发的执行节点。中心节点主要是借助Homeassistant物联网平台完成用户交互、数据展示等操作，子节点借助ESPHome完成对NodeMCU程序的编写和烧录工作。系统根据多种环境数据进行场景自动化，提高用户的使用体验，并且可以根据用户的喜好设定贴切的场景。

关键词：Homeassistant;Raspberry;NodeMCU;ESPHome

0概述

伴随着互联网的高速发展，群众开始追寻多种多样的便捷生活，智能家居作为靠近群众的日常生活的存在，每年以指数的形式发生变化，越来越多的家居企业开始投入到智能家居的发展当中。

1系统方案设计

系统通过感知层分析出边缘节点涉及的传感器模块交互情况、通过网络层去分析数据传输的方式、通过应用层去分析用户交互的情况。从以上三方面去介绍系统总体。

感知层中每个采集控制节点都由NODEMCU子节点、各类传感器、相关控制设备组成。在每个节点当中传感器检测到环境不满足相关条件后，将会对子节点发送触发信号并接收控制信号。通过节点的感知情况联动其它节点。

网络层通信传输方案中每个采集控制节点采集到的环境参数等信息将通过子节点的wifi模块发送至树莓派当中，树莓派进行数据的收集和处理，最后与云服务器进行数据的同步，并对树莓派进行内网穿透，用户便可以通过移动终端访问Web界面，进行数据的查看和终端的控制。

应用层用户交互界面。用户可通过相应交互界面查看各个节点的环境信息、数据分析等功能，交互界面会根据使用设备的屏幕尺寸自动变化显示的样式，在历史选项中，用户可以查看各个传感器的历史数据，例如温湿度在白天和黑夜的断崖式变化，也可以看到用户在某个时段的晚上忘记关闭了台灯的记录。

2.边缘端数据采集软件设计

温湿度传感器在初次上电的时候需要进行温湿度模块的初始化，需要对模块接收到的模拟值进行校准和检测，模块会根据电阻阻值的不同改变其检测间隔的时间大小。传感器将接收到温湿度数值转换成NODEMCU可以处理的模拟值，经过处理后，便可以在网页端查看到实时的温湿度数值。

光照传感器在初次上电的时候需要进行光照模块的初始化，需要对模块接收到的模拟值进行校准和检测，模块会根据电阻阻值的不同改变其检测间隔的时间大小。传感器将接收到光照数值转换成NODEMCU可以处理的模拟值，经过处理后，便可以在网页端查看到实时的光照数值。

本设计采用0.96寸OLED显示模块，OLED模型的显示需要设定字体文件，将对应的字体文件放置在ESPHome的配置文件夹当中，配置成功后，将对应的传感器数值变量转换成字符的形式，最后，就可实现本地温湿度信息和室内光照强度等信息的显示。

树莓派是主控模块，主要是进行数据的接收与处理，在硬件方面，是边缘端设备交互的关键，在软件方面，是运行WEB交互界面的基础，同时运行着ESPHome、homeassistant等运行环境。通过树莓派完成数据收集及其运算。

3用户界面的设计与开发

主页界面设计，主页通过模块化的形式，将信息展示板块和设备控制板块通过拼接的方式进行了拼装，方便用户自定义板块。主页如图1所示。手机端如图2所示。

Homeassistant通过对设备历史数据的存储，可以将信息以可视化的形式展示出来。方便用户查看某个时间段的设备信息。

4内网穿透

内网穿透，也称为NAT穿透，此功能通过将本地IP地址和对应端口号通过路由等方式传递到内网的主机。在现在这个时代，普遍用户上网所使用的都为内网IP，公网IP属于稀缺资源，所以对于开发者用户受到了很大的限制。但如果想将用户内部私有的IP地址變成可以在公网上使用的公网IP地址，内网穿透提供了更加便捷的办法去实现更好的应用。有了内网穿透技术就相当于获得了网络地址翻译的能力，有了这种能力开发者用户就能像公网用户一样通过内网IP建立一个自己的服务器网站。本系统使用的为免费的Frp内网穿透服务，借助的是阿里云的域名服务。Frp是一种网络应用，是进行一种反向代理的服务，我们需要在树莓派端的frpc.ini文件当中设置好本地需要穿透的IP地址和对应的端口，在服务器端的frps.ini文件当中设置域名和对接的IP地址，最后在后台运行程序后，即可通过公网去访问网页。

结论

本文的设计主要是在于硬件和软件两个方向的研究：在硬件方面，通过独立设计边缘端PCB电路，完成所有涉及到的传感器的使用和独立工作，在边缘端续航方面，选用了可充电锂电池，可以让边缘节点放置到家里的各个角落。在软件方面，通过对物联网平台的环境搭建，将用户操控的Web界面通过可视化的形式，去展示出来，同时通过后端的内网穿透服务，可以将界面通过公网的形式，让用户可以离家也能看到数据信息。最后通过系统的总体测试和调试，完成最终的基于边缘计算的家庭管理系统。

参考文献

[1]苏蓓蓓，阚永恒.一种智能家居环境控制器的设计[J].数字技术与应用，2020，38（03）：136-137.

[2]谭宸，孙小进，姜楠，郭朋飞.基于MQTT协议的战场环境监测系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（03）：62-66.

[3]蒋树庆，房滢.一种基于MQTT协议的数据采集控制系统[J].信息通信，2019（08）：80-82.

[4]刘一镔，徐畅.基于HomeAssistant和MQTT的控制系统研究[J].信息通信，2020（09）：51-54.

作者简介

唐崑，男，汉族，生于1998.11.13，云南宣威人，本科在读

胡嘉，男，汉族，生于1999.6.5，四川三台人，本科在读

邓春伟，女，汉族，生于1981.3，黑龙江哈尔滨人，教授

单位：哈尔滨石油学院

课题：（黑龙江省大学生创新创业项目（项目编号：202013299018）基于边缘计算的家居场景智能推荐系统的研究）