0x00 序言

离开学校，进入社会，笔者变成了打工人。在感慨时光流逝的同时，也庆幸于住宿条件变好了，有了更多的空间来做自己的爱好。原先难以部署的 3D 打印机等设备，由于有了单人宿舍，现在也可以提上日程。

笔者的宿舍并不很大，类似于酒店单间：使用面积大约 30 余平米，有一个卧室，带卫生间，门口有厨房区域。在过去的两周里，笔者忙里偷闲，对宿舍进行了一系列智能家居改造，故以本文记录下来。

在智能家居方面，笔者也不算是新手。本科四年级时，笔者在校外租住了一年，当时用小爱音箱和蓝牙 mesh 灯泡组装了一套极简版的智能家居，能用语音关掉卧室里的灯，这样就不必下床去摸开关了。然而，今次笔者要组装的系统远比当时复杂，在做完之后，很有一种成就感。若读者亲身实践一次，相信也会有类似的感受。

简而言之，笔者最终实现了：

  • 用手机 / 平板控制全部灯具（卫生间除外）；
  • 按照笔者的作息规律，定时开关电热水器和空调；
  • 推开门之后，自动开灯；
  • 接入 Apple HomeKit 以便在 iPhone 和 iPad 上控制家居设备。

笔者采用了米家方案。借助网关，所有设备都可以远程控制（外出时也能控制宿舍里的设备）。

0x01 架设网络

智能家居的核心是网络。笔者用到的 iot 设备要么是 wifi 的，要么是蓝牙 mesh 的。在没有网关的情况下：

  • wifi 设备通过 internet 通讯，所以用户无论在哪里，都能控制设备。缺点在于功耗比蓝牙设备大。
  • 蓝牙 mesh 设备通过蓝牙 BLE 通讯，优点在于低功耗。用户在家时，可以用手机连接 iot 设备，但一出门便失去控制。解决方案是在家部署蓝牙网关。
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理论上说，蓝牙 mesh 由于是自组网的，可以对抗单点失效；但在笔者的应用场景下，这个优势无法体现。我们使用一个 wifi AP 就能覆盖整个房间，单点失效概率很低。
有传言称蓝牙 mesh 的可靠性不如 zigbee，但笔者在使用过程中，没有发现显著问题。

公寓的网络提供商是中国电信的二道贩子，笔者从他们那里买来了宽带。他们提供了一台 H3C Magic R2+ 路由器，这台路由器无线速率很低，因此笔者让它仅负责拨号，关闭 wifi；另购了一台中兴巡天 BE5100 路由器（支持 WiFi-7）作为 AP。幸运的是，墙壁上有网线端口与弱电箱相通，因此笔者无需在房间中到处布线。网络结构设计如下：

关于 nas。它是一台 R5 5600G 电脑，运行 win10 系统。除了当 nas 之外，还承担了虚拟化平台的功能。笔者使用 Hyper-V 方案，运行了若干个 vm，接入主网络（网络结构类似于 ESXi 的虚拟交换机）。所以逻辑上说，各个虚拟机都是直接挂在 192.168.10.0/24 下的主机。

关于打印机。笔者的打印机型号是 brother DCP-1608，它本身只有 usb 接口，不像网络打印机那样可以直接联机使用。不过，我们可以将它连接到 nas，使用 windows 的「共享」功能，让局域网中的其他 windows 电脑也能打印。

关于蓝牙网关。笔者用「小爱音箱 Play 增强版」作为蓝牙 mesh 网关，它还自带一个红外发射器，可以用来控制空调。

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笔者不喜欢依赖 DHCP 静态分配，因为这种方案过于中心化，在网络维护时，业务很容易受其影响而中断。
本文网络中的服务全部使用静态 IP。即使 DHCP 路由器宕机，也能依靠下级路由器和交换机完成基本的数据传输。

树莓派可以通过 nmtui 程序配置网络，用 nmcli con reload 使新配置生效。

费了九牛二虎之力，终于把光猫、拨号路由器（扯断天线）和树莓派都塞进了弱电箱：

至此，我们的网络环境已经搭好，只待接入 iot 设备。

0x02 灯光智能化

在搭建智能家居之前，笔者每天睡觉前都得手动关灯，这是智能化改造所需解决的最紧迫的问题。卧室的灯是传统的 LED 环形灯管，不支持智能控制，因此笔者一方面采购其他光源，一方面调研控制这种灯管的方法。

首先来添加灯具。笔者从宜家购买了工作台灯（焊接时使用）、上照灯（放在靠窗的小吧台）、落地灯（放在台式机旁边）。台灯是 E14 灯泡接口（宜家有售智能灯泡，能接入米家），其他两盏灯是 E27 接口（小米有售蓝牙 mesh 灯泡）。这里提到的灯泡都支持 2700K-6500K 色温调节，可以为工作和休闲提供不同的灯光氛围。

▲ 左起：台灯（芙萨）、上照灯（特佳普）、落地灯（勒斯达）。图片来源：宜家官网

摆上这些灯之后，即使不开顶灯，室内也足够亮了，因此晚上睡觉前可以不再使用顶灯。但这几个分布式的光源毕竟没法照到房间的每个角落，我们迟早还得解决顶灯控制的问题。

最容易想到的方案是改开关面板：拆掉原来的非智能开关，装一个智能开关上去。然而，iot 设备肯定是要持续耗电的，如果开关面板的 86 盒里面没有零线，则无法构成回路，也就无法给 iot 设备供电了。很不幸，笔者拆了开关面板之后，发现它是一个单火开关。

市场上也存在单火开关的改造方案。它的思路是在「火线 - 控制器 - 灯 - 零线」的回路中长期维持微小的电流，以供控制器运行；当用户需要开灯时，则提供能让灯正常工作的电流。这个方案极度不雅：微小的电流也可能让小功率灯泡发出一些光（俗称「鬼火」）。可以参考一篇讨论文章。

既然改造开关面板的方向走不通，我们来考虑改造灯具本身。至少有三种方案：

  • 把灯管换成智能灯管。不过，笔者没有找到满意的智能环形灯管（淘宝上能搜到的产品都是不知名小厂家做的），所以放弃此方案。读者若有推荐，可在评论区留言。
  • 拆掉整个灯具，换成智能吸顶灯。这方面的产品很多（当然，溢价也高，厂家也是无利不起早）。这个方案的问题在于要重新打孔，比较麻烦。
  • 使用通断器。这是笔者最终采用的方案。

首先解释一下通断器方案的原理。让开关保持在打开的状态，这样顶灯位置的火线和零线之间始终有电压。我们便在那里放一个智能控制的断路器，需要开灯时给灯管通电即可。由于通断器体积很小，它可以塞进灯罩。安装方法如下：

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在此套方案中，我们不能再去碰墙壁开关。如果家中不止自己一个人，则这样的设计可能会令人困扰。凌动开关可以解决此问题，可参考这篇文章。
这套方案是 Merrg1n 先生告知笔者的，在此致谢。

现在，宿舍里还剩下厨房区的两盏筒灯、以及卫生间灯没有智能化。筒灯直接换成小米的产品即可，在米家 app 中绑定成灯组，以便一次性控制所有筒灯。至于卫生间灯，似乎没有智能化改造的必要，毕竟开关位于如厕的必经之路上。当然，如果想要改造，我们可以使用通断器。

0x03 空调和热水器

某天，笔者听同事谈起热水器过于耗电，于是决定将热水器也智能化。本文把空调和热水器合在一起讨论，因为这两种电器都是人在家时需要开启、人离家后可以关闭。

控制空调是简单的，笔者的音箱即可发出遥控信号。至于热水器，笔者选择使用智能插座，它不仅可以控制电热水器的开关，还能监控其功率和耗电量。

现在讨论如何实现「人来通电，人走断电」。由于热水器和空调都不是即时见效的（大致需要提前 30min 打开），我们需要根据自己的作息规律，调整其开启时间。具体而言，笔者的设置是：

  • 当用户离开家 1km 后，关闭空调和热水器
  • 下班前 30min 打开空调和热水器
  • 01:30 关闭热水器，05:00 打开热水器

0x04 门窗传感器

接下来实现「开门后自动开灯」的功能。这个功能依赖门窗传感器，它是蓝牙 mesh 设备，由纽扣电池供电，一半装在门上，一半装在门框上。实践发现它的信号似乎比其他持续供电的 mesh 设备弱一些，建议把音箱摆放在靠近门窗传感器的位置。

门窗传感器上自带了环境光传感器，可以检测「环境光亮 / 环境光暗」。因此，我们可以设计这样的自动化逻辑：「当门打开，且环境光暗时，自动打开一些灯具」。

▲ 环境光传感器的输出数据。这张图是在部署 Home Assistant 之后截取的
💡
门窗传感器不能判断门开的原因。换句话说，门窗传感器不知道是「进人」还是「出人」，所以如果我们在夜间出门，上述自动化逻辑反而会把灯打开。
要解决这个问题，可以采用人体传感器；或者像笔者一样，设置一个「离家 500m 后自动关灯」的自动化逻辑。考虑到传感器误差，后者应该更实用，代价无非是稍微浪费几分钟电。

0x05 通过 Home Assistant 接入 HomeKit

迄今为止，所有的控制都是在米家 app 上完成的。这样的交互方式不太方便。即便使用小组件，也需要先把手机划到主屏，然后划到组件屏，找到「米家智能场景」和「米家快捷操作」。

因此，我们接下来把这些智能家居设备都接入 ios 原生的「家庭」应用中。它至少给我们带来了以下好处：

  • 在控制中心（即从屏幕右上角下拉的菜单）中，我们能直接操控设备，即使是锁屏状态也可以使用。
  • 多端同步，无需在 iPad 上重新设置。
  • 可以用 Siri 控制设备，它远比小爱音箱聪明，语音识别也更准确。

我们可以通过 Home Assistant 或 Homebridge 将米家设备接入 HomeKit。由于笔者打算以后使用 ESP32 自行开发一些智能设备，故选用 Home Assistant（以下简称 HA）。接下来的步骤主要参考了 Wulu 的文章。

首先是在树莓派 4B 上安装 HA。笔者不建议使用 Home Assistant OS，因为它的初始化阶段非常黑盒：必须连接以太网（且必须是 DHCP）、在初始化时从 github 下载数百 MB 的文件，而当这一切发生时，我们甚至无法介入。

现在使用 docker compose 部署 HA。使用官方模板：

services:
  homeassistant:
    container_name: homeassistant
    image: "ghcr.io/home-assistant/home-assistant:stable"
    volumes:
      - /PATH_TO_YOUR_CONFIG:/config
      - /etc/localtime:/etc/localtime:ro
      - /run/dbus:/run/dbus:ro
    restart: unless-stopped
    privileged: true
    network_mode: host

启动：

docker-compose up -d

至此，我们已经搭建好了 HA。接下来，我们需要把米家设备接入 HA，这个功能由 hass-xiaomi-miot 项目提供，文档建议使用 HACS 包管理器安装。

按照指引，安装 HACS：

docker-compose exec homeassistant bash

wget -O - https://get.hacs.xyz | bash -
# Connecting to get.hacs.xyz (104.26.6.112:443)
# Connecting to raw.githubusercontent.com (185.199.110.133:443)
# writing to stdout
# -                    100% |************************************************************************|  4525  0:00:00 ETA
# written to stdout
# INFO: Trying to find the correct directory...
# INFO: Found Home Assistant configuration directory at '/config'
# INFO: Creating custom_components directory...
# INFO: Changing to the custom_components directory...
# INFO: Downloading HACS
# Connecting to github.com (140.82.116.4:443)
# Connecting to github.com (140.82.116.4:443)
# Connecting to objects.githubusercontent.com (185.199.111.133:443)
# saving to 'hacs.zip'
# hacs.zip             100% # |************************************************************************| 15.9M  0:00:00 ETA
# 'hacs.zip' saved
# INFO: Creating HACS directory...
# INFO: Unpacking HACS...
# 
# INFO: Verifying versions
# INFO: Current version is 2024.8.2, minimum version is 2024.4.1
# 
# INFO: Removing HACS zip file...
# INFO: Installation complete.
# 
# INFO: Remember to restart Home Assistant before you configure it

# 重启 HA
docker-compose restart homeassistant

在 HA 界面中操作：

接下来在 HACS 中安装 hass-xiaomi-miot：

再次重启 HA：

docker-compose restart homeassistant

接下来，在 HA 中添加设备，选择使用「账号集成」，并提供小米 ID 和密码。于是能找到我们所有的设备了：

添加完成之后，在「实体」页可以看到一大群设备：

现在，HA 可以操控灯泡了：

按照 Wulu 博客中的指引，禁用一些不需要由 HA 控制的设备：

在多次实验之后，笔者的操作是：

  • 禁用热水器智能开关的指示灯；
  • 禁用音箱；
  • 由于厨房的两个筒灯只需要一同控制，所以分别禁用两个筒灯，保留灯组。

最后，把 Home Assistant 连接到 HomeKit：

接下来，在「通知」中找到二维码：

扫描后可以在「家庭」应用中导入桥接设备。逐一分配 iot 设备的房间、名称：

现在，我们在控制中心即可操纵灯泡：

对 Siri 说「打开厨房灯」，可以正常控制。至此，我们实现了所有需求。