了得網計算機/網絡_智能家居設計:樹莓派上的Python實現

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本書由上海電力大學“嵌入式智能技術”產教融合教學團隊編寫，是上海市2019年高校本科重點教學改革項目“基於人工智能應用場景的產教深度融合實踐教學改革與探索”的成果，也是2019年上海市高水平應用型大學建設上海電力大學重點教改項目“新工科背景下卓越工程師培養模式探索”的成果。經過校企合作卓越工程師教學實踐，采用開源硬件樹莓派、開源軟件Home Assistant，結合Python程序編寫，開發的第三代智能家居繫統（“全屋智能”）解決了教學與實際應用中的脫節問題。

內容簡介

本教材拋棄傳統的面面俱到的做法，簡單介紹Python及庫的安裝後，馬上利用開源軟件Homeassistant在計算機上進行智能家居的實踐，包括語音、短信、攝像頭、飛利浦燈具、小米智能家居設備；隨後根據進一步擴大智能家居功能的目標出發，介紹Python的相關程序開發方法並把它結合到Home assistant中；同理介紹OpenCV及其在Home assistant的應用，包括人臉識別、運動檢測等。隨後引入樹莓派進行Homeassistant智能家居的開發，通過樹莓派在外網利用手機操作智能家居的方法。*後通過幾個綜合案例提升智能家居的開發能力。

作者簡介

賀雪晨，男，高級工程師，現任上海電力大學電子與信息工程繫主任。主持2019年上海高校本科重點教學改革項目“基於人工智能應用場景的產教深度融合實踐教學改革與探索”；主持2019年上海市高水平應用型大學建設重點教改項目“新工科背景下卓越工程師培養模式探索”和“嵌入式智能技術產教融合教學團隊”。

第1章概述1
第2章Home Assistant5
第3章樹莓派39
第4章Python122
第5章OpenCV169
第6章綜合實踐項目190
6.1智能音箱設計與實現190
6.1.1雙傳聲器樹莓派擴展板190
6.1.2喚醒詞服務snowboy192
6.1.3語音識別模塊SpeechRecognition194
6.1.4喚醒後語音識別196
6.1.5文字處理與反饋199
6.1.6圖靈機器人204
6.1.7自定義喚醒詞206

第1章概述1

1.1Python安裝2

1.2查看安裝的庫3

1.3思考題4
第2章Home Assistant5

2.1安裝和測試Home Assistant5

2.2修改經緯度10

2.3Internet信息服務中的天氣預報11

2.4語音與媒體播放器——百度語音與Kodi12

2.4.1創建百度語音應用13

2.4.2配置Home Assistant13

2.4.3使用Kodi進行語音播報14

2.5攝像頭與圖像處理——IP攝像頭15

2.5.1安裝IP攝像頭15

2.5.2修改配置文件15

2.6利用Twilio實現通知提醒17

2.7家電控制——飛利浦燈具18

2.8家電控制——小米設備22

2.8.1添加小米網關及小米ZigBee設備22

2.8.2添加小米WiFi設備25

2.9自動化31

2.9.1觸發器31

2.9.2條件33

2.9.3動作34

2.9.4在Home Assistant前端配置自動化34

2.9.5編寫代碼實現自動化36

2.10思考題38
第3章樹莓派39

3.1樹莓派的安裝和使用39

3.1.1燒寫映像文件至SD卡39

3.1.2啟動樹莓派41

3.1.3PuTTY44

3.1.4VNC Viewer47

3.1.5文件傳輸50

3.1.6Linux常用命令與文本編輯51

3.2樹莓派中的Home Assistant53

3.2.1自啟動Home Assistant53

3.2.2備份映像與SD卡克隆56

3.3組件接入57

3.3.1語音與媒體播放——Google語音與VLC57

3.3.2利用電子郵件實現通知提醒61

3.3.3腳本與自動化64

3.3.4模板與自動化69

3.3.5利用小米遙控器實現家電控制74

3.3.6USB攝像頭77

3.3.7虛擬攝像頭79

3.4人臉識別80

3.4.1dlib配置80

3.4.2本地dlib人臉探測84

3.4.3微軟人臉特征檢測88

3.4.4微軟人臉識別與認證91

3.5界面States UI與Lovelace UI95

3.5.1States UI界面優化95

3.5.2Lovelace UI界面優化97

3.6手機訪問Home Assistant102

3.6.1免費雲服務器102

3.6.2SSH隧道構建109

3.6.3FRP隧道構建111

3.7使用TensorFlow進行物體識別115

3.7.1安裝TensorFlow116

3.7.2配置TensorFlow116

3.7.3在Home Assistant中實現物體識別119

3.8思考題121
第4章Python122

4.1Python快速入門122

4.1.1Python程序編寫122

4.1.2方法123

4.1.3循環124

4.1.4分支124

4.2樹莓派Python編程基礎125

4.2.1變量126

4.2.2值和類型127

4.2.3結構體129

4.2.4控制程序流程133

4.2.5函數135

4.2.6類137

4.2.7模塊140

4.3Python與Home Assistant141

4.3.1組件和域142

4.3.2實體、狀態和屬性143

4.3.3事件和服務148

4.3.4平臺152

4.4編寫二維碼組件153

4.5樹莓派GPIO設備控制156

4.5.1Python編程控制LED158

4.5.2利用Home Assistant組件控制LED164

4.5.3利用自定義Home Assistant服務控制LED165

4.6思考題168
第5章OpenCV169

5.1圖像170

5.1.1圖像讀寫170

5.1.2圖像處理172

5.2視頻179

5.2.1視頻捕獲179

5.2.2保存視頻180

5.3人臉識別180

5.3.1人臉檢測180

5.3.2人臉加工182

5.3.3人臉比對183

5.4運動檢測184

5.5KNN背景分割器186

5.6OpenCV在Home Assistant中的實現187

5.7思考題189
第6章綜合實踐項目190

6.1智能音箱設計與實現190

6.1.1雙傳聲器樹莓派擴展板190

6.1.2喚醒詞服務snowboy192

6.1.3語音識別模塊SpeechRecognition194

6.1.4喚醒後語音識別196

6.1.5文字處理與反饋199

6.1.6圖靈機器人204

6.1.7自定義喚醒詞206

6.2MagicMirror在Home Assistant中的實現209

6.2.1MagicMirror安裝209

6.2.2天氣組件Open Weather的配置與安裝211

6.2.3第三方組件Weekly Schedule的配置與安裝213

6.2.4獲取Home Assistant中的實體信息215

6.2.5與智能音箱聯動217

6.3思考題219

前言

物聯網是國家新興戰略產業中信息產業發展的核心領域之一，智能家居是物聯網技術的重要應用。經過3年多的校企合作卓越工程師教學實踐，我們采用開源硬件樹莓派、開源軟件Home Assistant並結合Python程序設計開發的第三代智能家居繫統（“全屋智能”）解決了教學與實際應用中的脫節問題。

本書由上海電力大學“嵌入式智能技術”產教融合教學團隊編寫，是上海市2019年高校本科重點教學改革項目“基於人工智能應用場景的產教深度融合實踐教學改革與探索”的成果，也是2019年上海市高水平應用型大學建設上海電力大學重點教改項目“新工科背景下卓越工程師培養模式探索”的成果。

本書以開源軟件Home Assistant貫穿全書的內容。

第1章介紹“全屋智能”的背景以及Home Assistant所需要的Python環境的安裝。

第2章和第3章介紹如何采用純配置的方式實現Internet信息服務、語音與媒體播放、攝像頭與圖像處理、通知提醒、家電控制等功能。第2章還介紹了如何通過前端配置、編寫代碼兩種方式實現自動化功能；第3章還介紹了樹莓派的環境配置和Linux常見命令，通過Dlib和微軟Azure 認知服務進行人臉識別，Home Assistant界面優化，手機訪問Home Assistant，使用TensorFlow進行物體識別等內容。

第4章介紹Python編程基礎知識，以及如何通過Python編程增加新的組件和平臺，以擴充Home Assistant的能力，實現二維碼組件編寫和GPIO設備控制。

第5章介紹在開源計算機視覺環境（OpenCV）下進行圖像和視頻處理的基本方法，通過Python編程在Home Assistant中實現人臉識別、檢測和計數。

第6章應用前5章的知識進行智能音箱、魔鏡兩個綜合項目的開發。其中，智能音箱項目完成了小米、百度等智能音箱所具有的基本功能，包括聽、說以及根據聽到的內容執行指定的任務等；魔鏡項目實現了將鏡子轉換成個人助理的功能，並實現了與智能音箱的聯動。

書中難免有不妥之處，懇請同行專家及讀者批評指正。請將意見和建議發至郵箱heinhe@126.com，與作者交流。

作者
2020年11月

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