树莓派和HomeAssistant

September 28, 2021

Categories:
iot

目标

使用开源软件和米家智能硬件，实现简单的智能家居系统

采用米家智能硬件的原因是, 小米智能家居做的比较早（也许是起初推广的更好，刚接触智能家居的时候就用的小米）, 另外一点是小米智能硬件确实物美价廉，在国外也很受欢迎，Github上也有很多相关项目.

系统架构

HomeAssistant 系统架构图

整个系统以树莓派上的 Home Assistant 为核心：

接入层：通过 xiaomi_miio 直连米家 WiFi 设备（插座、灯泡、红外遥控器），红外遥控器再控制空调、小夜灯等传统电器；通过刷了第三方固件的小米网关接入 ZigBee / 蓝牙子设备。
感知层：树莓派相机用于定时抓拍。
交互层：手机 / Web 前端本地访问，通过 Telegram Bot 实现远程通知与控制，接入天猫精灵 / Google Assistant 实现语音控制。
云端：设备 Token 通过米家云获取。

HomeAssistant 实现架构

上一节的系统架构展示的是"部署视图"，这一节从"实现视角"看 Home Assistant 这个软件本身是怎么工作的。它的核心是事件驱动：一切状态变化都通过事件总线广播，各组件通过订阅事件解耦协作，而不是相互直接调用。

HomeAssistant 核心实现架构图

核心三件套

Home Assistant 启动时创建唯一的 hass 对象，作为所有组件的"中枢"。它内部承载三个最核心的子系统：

事件总线 (Event Bus, hass.bus)：发布/订阅模型。任何状态变化都会触发 state_changed 事件，组件也可以定义自定义事件。组件通过 hass.bus.async_listen() 订阅，通过 hass.bus.fire() 发布。所有组件之间的通信都走这里，实现完全解耦。
状态机 (State Machine, hass.states)：保存所有实体的当前状态。实体通过 hass.states.async_set() 写入状态（例如 light.living_room 为 on），通过 hass.states.get() 读取。状态一旦变化，就触发 state_changed 事件。
服务注册表 (Service Registry, hass.services)：可调用的"动作"，例如 light.turn_on、xiaomi_miio.remote_learn_command。前端、自动化、脚本都通过 hass.services.async_call() 调用服务，由注册表路由到对应组件处理。

设备如何接入：Integration 体系

功能扩展通过 Integration（集成） 实现，每个集成是 components/<domain>/ 下的一个 Python 包：

manifest.json：声明依赖、前置条件（如需要特定平台）、需求列表，是集成的"身份证"。
Config Entry / Config Flow：通过 UI 添加集成时，config_flow.py 引导用户填写配置，生成 config entry 持久化到 .storage/core.config_entries，支持 UI 配置而无需改 YAML。
Platform：light.py、sensor.py、switch.py 等平台文件定义该设备类型对应的实体类。集成负责把物理设备抽象成一个个 Entity 实例。

实体与注册中心

Entity：设备在 HA 中的逻辑抽象，继承 LightEntity、SensorEntity 等基类。实体通过 async_write_ha_state() 把状态推送到状态机，从而产生事件。
设备/实体注册中心 (.storage/entity_registry)：持久化维护每个实体的 unique_id、显示名称、归属设备等，保证实体身份稳定。

数据流：一条完整的状态上报链路

以小米插座为例，一次状态变化的完整链路：

物理设备(插座)
  -> 集成适配器(xiaomi_miio) 轮询/推送状态
  -> Entity 实例调用 async_write_ha_state()
  -> 状态机更新状态
  -> 触发 state_changed 事件
  -> 事件总线广播
  -> 监听者: 自动化触发 / 前端更新 / Recorder 记录历史

指令下发则走反向链路：call_service → 服务注册表 → 实体 → 适配器 → 物理设备。

关键点：事件总线把"采集侧"(设备→状态) 和"执行侧"(自动化/前端→设备) 解耦，新增一个设备类型只需要新增一个 Integration，无需改动核心和已有组件，这就是 Home Assistant 扩展性的来源。

环境和设备

RaspberryPi 4 (4GB版本)
Ubuntu arm64 树莓派版本

安装HomeAssistant

这里使用Ubuntu而不是Raspbian的一个原因是Ubuntu官方软件包更新更快（比如raspbian当前为3.7而hass需要3.8+版本)，且自己笔记本一直用Ubuntu，统一发行版使用起来更加方便

在现代 Linux (如 Ubuntu 24.04 及 Python 3.12+) 环境下，推荐使用 Python 虚拟环境 (venv) 进行隔离安装：

# 安装基础构建与 venv 依赖
sudo apt update
sudo apt install -y python3-dev python3-venv build-essential libssl-dev libffi-dev libjpeg-dev zlib1g-dev

# 创建虚拟环境
python3 -m venv ~/homeassistant-venv

# 使用镜像源安装 homeassistant 及前端组件
~/homeassistant-venv/bin/pip install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple homeassistant home-assistant-frontend

也可以通过编辑 ~/.config/pip/pip.conf 配置默认 PyPI 镜像源：

[global]
index-url = https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

设置开机自启动

创建 systemd service unit 文件

systemctl --user edit --full --force homeassistant.service

加入以下内容

[Unit]
Description=Home Assistant
After=network.target

[Service]
Type=simple
ExecStart=/home/pi/homeassistant-venv/bin/hass
Restart=on-failure
RestartSec=5

[Install]
WantedBy=default.target

开启 systemd 用户服务常驻（即使未登录控制台也可开机自启）：

sudo loginctl enable-linger pi
systemctl --user daemon-reload
systemctl --user enable --now homeassistant.service

设置用户自动登录

安装raspi-config, 然后配置 1. System Options -> S5 Boot / Auto Login -> B2 Console Autologin

会生成/etc/systemd/system/getty@tty1.service.d/autologin.conf, 内容如下

[Service]
ExecStart=
ExecStart=-/sbin/agetty --autologin pi --noclear %I $TERM

重启即可生效

常用设备接入

这里主要使用小米硬件设备，开始之前需要获取各个设备的token。参考homeassistant获取miio token的教程

目前推荐使用云端获取的方式 https://github.com/PiotrMachowski/Xiaomi-cloud-tokens-extractor

设备协议mihome-binary-protocol

homeassistant 参考配置

.homeassistant/configuration.yaml

# Configure a default setup of Home Assistant (frontend, api, etc)
default_config:

homeassistant:
  allowlist_external_dirs:
    - "/mnt/usb/media"
  media_dirs:
    local: /mnt/usb/media

# Text to speech
tts:
  - platform: google_translate

rpi_camera:
  image_quality: 100
  timelapse: 5000
  file_path: /mnt/usb/media/camera/snapshot.jpg
  

group: !include groups.yaml
automation: !include automations.yaml
script: !include scripts.yaml
scene: !include scenes.yaml
light: !include lights.yaml
yeelight: !include yeelight.yaml
remote: !include remote.yaml
stream:
media_player: !include media_player.yaml
device_tracker: !include device_tracker.yaml
shell_command: !include shell.yaml
telegram_bot: !include telegram.yaml
notify: !include notify.yaml

插座/灯泡

小米插座chuangmi.plug.m1和灯泡（这里我用的是飞利浦灯泡), 使用[python miio]即可以控制。

可以在homeassistant管理界面添加Xiaomi Miio集成。

网关

小米网关提供了ZigBee和蓝牙设备接入和管理的功能。

型号: lumi.gateway.mgl03

升级官方新版本固件后，不能直接接入。可以刷入第三方固件，然后接入homeassistant。

刷机

telnet登录网关，按照GitHub上的此教程执行刷机步骤

如果访问不了Github下载链接，可以使用代理，例如设置环境变量 https_proxy=socks5://192.168.50.60:1080

红外遥控器

红外遥控器也可以使用xiaomi_miio接入homeassistant。

型号: chuangmi.remote.v2

配置示例remote.yaml(示例里的raw command我瞎填的, 根据自己的实际需要写）

- platform: xiaomi_miio
  name: 'chuangmi.remote.v2'
  host: 192.168.50.72
  token: <token>
  slot: 1
  timeout: 30
  hidden: false
  commands:
    # haier
    air_conditioner_turn_on:
       command:
         - raw:mcwm84lgAkzSazOcSyazScSyYzacTYAhAA3AQ8BjwIfAZ8DfwIfAh8APwA:38400
    air_conditioner_turn_off:
       command:
         - raw:mcwm84lgAkzSazOcSyazScSyYzacTYAhAA3AQ8BjwIfAQ8BDwO/Bd8APwA/AD8APwA/AD8APwA/AD8AP:38400
    air_conditioner_cool:
       command:
         - raw:mcwm84lgAkzSazOcSyazScSyYzacTYAhAA3AQ8BjwIfAQ8BDwO/Bd:38400
    magic_ball_turn_on:
      command:
        - raw:nMxm8wlk0mk2mEsm0ymEsmsxAHKYADlMwB2mgB/ADmBP4B9TGbAYMAR4BFApoBmUxAEMAjwNPA0gJCwcHCI8A/wJ6BjoKrwCOCHuYQA=
    magic_ball_turn_off:
      command:
        - raw:nMxmswlk0mk4mEsm0ymEsmsxAHKYADlNAD+mYA9AL+APUxmwHDTGbAQsAjQAhAdwAhYBCgV2BFoR7g/+Ae01nID/g2cBAYLShH+AjQDXgEJMIAA=

然后我们可以在scripts.yaml里定义常用的操作（这些操作可以在安卓的设备控制器快捷方式找到)

'air_conditioner_turn_on':
  alias: '打开空调(睡眠模式)'
  sequence:
    - service: remote.send_command
      entity_id: 'remote.chuangmi_remote_v2'
      data:
        command:
          - 'air_conditioner_turn_on'
'air_conditioner_turn_off':
  alias: '关闭空调'
  sequence:
    - service: remote.send_command
      entity_id: 'remote.chuangmi_remote_v2'
      data:
        command:
          - 'air_conditioner_turn_off'

'air_conditioner_cool':
  alias: '空调制冷'
  sequence:
    - service: remote.send_command
      entity_id: 'remote.chuangmi_remote_v2'
      data:
        command:
          - 'air_conditioner_cool'

'magic_ball_turn_on':
  alias: '打开小夜灯'
  sequence:
    - service: remote.send_command
      entity_id: 'remote.chuangmi_remote_v2'
      data:
        command:
          - 'magic_ball_turn_on'
'magic_ball_turn_off':
  alias: '关闭小夜晚灯'
  sequence:
    - service: remote.send_command
      entity_id: 'remote.chuangmi_remote_v2'
      data:
        command:
          - 'magic_ball_turn_off'

效果如下

学习红外码

接入遥控器后，我们可以通过它学习红外码。进入开发者工具 -> 服务，选择xiaomi_miio.remote_learn_command

点击调用服务，然后把遥控器对准米家万能遥控器按下要学习的按键，就可以学习了。识别的红外码会出现在homeassistant 的通知那里, 可以配置到上面yaml的raw command。（在使用前，可以用remote.send_command测以下）

刚好别人送我一个小夜灯，试了一下，可以智能地控制了。

Hack红外码

使用xiaomi_miio.remote_learn_command方式只能学习简单的红外码。对于复杂的红外码，比如空调，遥控器学习识别的红外码不起作用（我傻乎乎地尝试了好久才发现这个知识）

解决方式之一是, 你知道空调的各个按键的raw command是什么，即使用红外码库。查了一下，国外有一些开源的红外码库，但没有国内的设备型号，而且设备类型比较少。

我使用的是海尔空调，只找到https://github.com/crankyoldgit/IRremoteESP8266库，可能有可以利用的信息（有测试代码），但是它使用的是pronto格式，支持的设备类型也有限。

后面发现了硬核的hack方式, 可以通过串口连上遥控器的控制台，从调试日志中获取红外码。

这里简单说一下步骤。

焊接

对于一个新手来说，焊接PCB板是一个比较麻烦的事情。基于大学时，曾焊接制作过一个完整收音机的经历，我开始动手了。

如图，拆完后焊点是PCB板上的三个圆形金属接触点(TX, RX, GND)。可能不是设计用来焊接的（我猜测应该是有专门的金属探头压在上面，使电路接通），先要将导线镀焊，不然焊接会颇为麻烦, 不太容易焊上。

PS, 虽然焊接这个成功了，但是小米台灯焊接后却没能连上，不过它可以接入到Google Home，作为一个桌面上的台灯也没必要太多的智能控制场景了

串口调试

连接好USB串口线后，启动电源。

在笔记本上安装好screen软件, 执行以下命令

screen -L /dev/ttyUSB0 115200

# Ctrl + A + : 打开screen菜单

日志将输出到screenlog.0, 随着你在米家App上按下空调键，可以从中看到有用的日志信息(token)。

这里给出部分日志(被我删除处理过敏感信息了)

------Now net status:4------
23:06:44.740 [D] otu: [192.168.50.32:51222] talking, len=32
23:06:44.740 [W] otu: Token private!!. (otu_packet_handle,706)
23:06:44.750 [D] otu: [192.168.50.32:51222] talking, len=32
23:06:44.750 [W] otu: Token private!!. (otu_packet_handle,706)
23:06:44.760 [D] otu: [192.168.50.32:51222] talking, len=32
23:06:44.760 [W] otu: Token private!!. (otu_packet_handle,706)
23:06:44.770 [D] otu: [192.168.50.32:57072] talking, len=304
23:06:44.780 [D] otu: local rpc packet.
23:06:44.780 [D] otu: {"id": 43, "method": "miIO.ir_play", "params": {"freq": 38400, "code": "mcwm84lgAkzSazOcSyazScSyYzacTYAhAA3AQ8BjwIfAQ8CrwCPAr8APwA/AD8APwA/AD8APwA/AD8APwA/AD8APwA/AD8APwA/AD8APwA"}}.
23:06:44.810 [D] otu: down rpc_local = 7
23:06:44.810 [D] ot: miIO.ir_play found
------do_ir_play cmd:{"id": 43, "method": "miIO.ir_play", "params": {"freq": 38400, "code": "mcwm84lgAkzSazOcSyazScSyYzacTYAhAA3AQ8BjwIfAQ8CrwCPAr8APwA/AD8APwA/AD8APwA/AD8KDwA/AD8APw6vAh8APwA"}}------
ir_play:Cannot found length
Base64Decode------------>len=143
99,cc,26,f3,89,60,2,4c,d2,6b,33,9c,4b,26,b3,49,c4,b2,63,36,9c,4d,80,21,0,d,c0,43,c0,63,c0,87,c0,43,c0,ab,c0,23,c0,af,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,cf,c0,f,c0f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c2,27,c0,53,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c0,f,c5,63,c0,f,c0,a3,c0,a3,c8,93,c0,87,e6,33,9,84,c0,
Base64Decode------------>end
tmp_ct=941
23:06:44.880 [I] user_main: ----origin_code:3078,3078,3078,4,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,1686,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,1686,548,1686,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,1686,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,548,1686,548,548,548,548,548,548,548,548,548,1686,548,548,548,548,548,1686,548,1686,548,548,548,1000

23:06:44.970 [I] splitnums=230

23:06:44.970 [I] item nums=120

last = 1000
wave_data_len=115

-----------------------------

-----send_infrared_fro23:06:m_buf--
len=115
0~2456,1~2456||0~2456,1~3644.990 24||0~432,1~1344||0~432,1~432||0~432,1~1344||0~4[D] otu: {"id":43,"result":["ok"]}
32,1~432||0~432,1~432||0~432,1~1344||0~432,1~1344||0~432,1~432||23:06:45.010 [D] otu
0~432,1~1344||0~432,1~432||0~432,1~1344||0~432,1~1344||0~432,1~1344||0~432,1~1344||0~

日志中的code部分就是红外码了。

和来源的作者一样，我这里也告警一下，红外码库可能涉及到授权和购买, 不要用作商业用途和违法事情

Telegram通知

完成了硬件设备的接入，我们还需要实现自动监控和远程控制。

除了将API托管到云端，还可以通过邮件或者IM工具实现。这里Telegram机器人就可以满足这个需求了。

配置

telegram.yaml

- platform: polling
  proxy_url: http://127.0.0.1:8118
  api_key: <token数字：字符>
  allowed_chat_ids:
    - 123456

- platform: broadcast
  proxy_url: http://127.0.0.1:8118
  api_key: <token数字：字符>
  allowed_chat_ids:
    - 123456

注意这里使用的是http代理，socks5代理貌似有bug

接入语音助手

天猫精灵

Google Assistant

自定义

UI Icons

https://materialdesignicons.com/icon/air-conditioner

usage: mdi:air-conditioner

参考

HomeAssistant Xiaomi Miio