Alexaで実現するスマートホーム監視システム

必要なパーツと用品

パーツ	数量
Arduino UNO	1
Espressif ESP8266 ESP-01	1
DHT11 温湿度センサー（4ピン）	1
ControlEverything.com 4チャネル リレーコントローラー（I2C）	1
IR障害物センサー	1
カメラ	1
ジャンパーワイヤー	1

使用するアプリとオンラインサービス

• Arduino IDE
• Amazon Alexa Skills Kit
• Amazon Alexa echosim.io
• ThingSpeak API
• Backendless
• PushingBox

プロジェクト概要

はじめに

現代では職場で過ごす時間が自宅より長くなっています。そのため、仕事中でも自宅の状況を把握できるホームモニタリングシステムが必要です。さらに、「誰か」に自宅の状況を尋ねるだけで情報が得られたらもっと便利です。これはAmazon Alexaをアシスタントとして活用し、ユーザーが必要な自宅情報を取得できるようにすることで実現できます。

職場だけでなく、インターネット接続とAmazon Alexaデバイスがあれば、世界中のどこからでも自宅の状況を知ることができます。

本プロジェクトで実装する機能：

1. 家電デバイス（扇風機、照明）の制御
2. デバイスの状態通知
3. 自宅の気象条件（温度・湿度）の通知
4. 要求時に自宅内部のスナップショットをGmailで送信
5. 以下の場合に通知を送信（写真付きも含む）

• 侵入者検知（写真付き）
• 火災検知
• 来客検知（写真付き）

ステップ1：ArduinoとESP8266のプログラミング

Arduino IDEを公式サイトからダウンロード：
https://www.arduino.cc/en/Main/Software

Arduino IDEを開き、ファイル → 環境設定 → 追加のボードマネージャーのURLに以下を入力：
https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

ツール → ボード → ボードマネージャーで、最後にあるesp8266パッケージをインストール。

Arduinoのプログラミング： USBケーブルでArduinoをPCに接続し、ツール → ボードでArduino/Genuino UNOを選択。正しいCOMポートを選択（デバイスマネージャーで確認）。プログラムを書いてコンパイルし、エラーがなければアップロード。

ESP8266のプログラミング： 以下の図のように接続：

ArduinoからPCへUSB接続。ツール → ボード → Generic ESP8266 Moduleを選択し、正しいCOMポートを選択。プログラムを書いてコンパイル・アップロード。ArduinoのRSTをGNDに接続しておくこと（ArduinoがESP8266へのプログラマーとして動作）。

本プロジェクトでは、まずESP8266をプログラミングし、その後接続を外して「回路接続」図のように再接続し、最後にArduinoをプログラミングします。

ステップ2：ThingSpeak.comの設定

1. ThingSpeak.comでアカウント作成
2. チャネルを使用してデバイス制御情報を格納し、Arduino/Alexaへルーティング。温度・湿度値もチャネルに格納。情報のストレージとして機能。
3. チャネル → マイチャネル → 新しいチャネルで作成。名前と説明を入力。

本プロジェクトでは8つのチャネルを使用（チャネル数を減らすことも可能だが、プログラミングが複雑になる）。ThingSpeakには更新間隔の制約があり、同一チャネルへの連続更新には10-15秒の間隔が必要。

8つのチャネルとその値・意味：

チャネル名	値と意味
1) デバイス制御	0=照明ON, 1=照明OFF, 2=扇風機ON, 3=扇風機OFF
2) 照明状態	0=照明OFF, 1=照明ON
3) 扇風機状態	0=扇風機OFF, 1=扇風機ON
4) 湿度	湿度値
5) 温度	温度値
6) 侵入者通知	1=侵入者アラート
7) 火災通知	1=火災アラート
8) 来客通知	1=来客アラート

チャネルをクリックすると、API KeysタブでChannel IDとWrite API Keyが確認できます。Channel IDはチャネルから情報を読み取る際に、Write Keyは値を書き込む際に必要。

チャネル更新用HTTPリクエスト：
https://api.thingspeak.com/update?api_key=<write key>&field1=<value>

チャネル読み取り用HTTPリクエスト：
https://api.thingspeak.com/channels/<channel id>/field/field1/last.html

ステップ3：プログラム

プログラムは3部構成：

A) Arduino用プログラム

非常にシンプル。ESP8266からシリアルでデータを受信し、受信データに基づいてデバイスを制御。詳細はコード内のコメントを参照。

B) ESP8266用プログラム

以下の3つの処理を含みます：

1. 温度・湿度をHTTPリクエストでThingSpeakに更新：

client.print(String("GET ") + "/update?key=&field1=" + humidity + " HTTP/1.1\r\n" 
  + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n"); // 湿度更新
client.print(String("GET ") + "/update?key=&field1=" + temperature + " HTTP/1.1\r\n" 
  + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n"); // 温度更新

<write key>はThingSpeakの湿度・温度チャネルそれぞれのWrite Keyに置き換え。hostはapi.thingspeak.com。
DHTライブラリ：https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

2. ThingSpeakの対応チャネルから読み取り、取得値に基づいてデバイス制御：

client.print(String("GET ") + "/channels//field/field1/last.html HTTP/1.1\r\n" 
  + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");

<channel id>はThingSpeakで見つかる対応チャネルのIDに置き換え。

3. 高温時のアラートをPushingBox経由で送信：

String host1 = "api.pushingbox.com";
client.print(String("GET ") + "/pushingbox?devid= HTTP/1.1\r\n" 
  + "Host: " + host1 + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");

<your dev id>はPushingBoxのデバイスIDに置き換え。

ステップ4：LinkIt Smart 7688 DuoとWebカメラの設定

このプロジェクトではWebカメラとLinkIt Smart 7688 Duoを使用して必要な写真を撮影し、ユーザーに送信します。ArduinoカメラモジュールやIPカメラでも代替可能。

1. LinkIt Smart 7688のWiFiボタンを20秒長押ししてリセット。リセット後、ワイヤレスネットワーク接続にアクセスポイント名が表示されるので、PCで接続。
2. ブラウザで192.168.100.1を開き、ポータルにアクセス。パスワードを設定してログイン。

3. ログイン後、NetworkタブでStationモードを選択（インターネットアクセスのため）。自分のWiFiネットワークに接続し、Configure and Restartを押下。

4. 再起動後、ローカルIPアドレスが割り当てられる。IPツールやルーターポータルで確認（例：192.168.1.4）。
5. ブラウザでローカルIPアドレスを開き、再ログイン。
6. Webカメラからのストリーミングを有効化するには、MJPG Streamerを有効化。ポータル右上のOpenWrtをクリックし、再ログイン。

6. ServiceタブでMJPG Streamerを有効化し、ポート番号を割り当て（例：4440）。Save and Apply。

7. WebカメラをOTGケーブルでLinkIt Smart 7688 DuoのUSBホストに接続。
8. ブラウザで<ローカルIP>:<ポート>を開いてストリーム確認（例：192.168.1.4:4400）。

9. スナップショット撮影：<ローカルIP>:<ポート>?action=snapshot

10. ポートフォワーディングでこの画像を外部からアクセス可能にする。ルーターポータルで設定（通常NATサービス配下）。ルーターごとに手順が異なるため「ポートフォワーディング ルーター名」で検索。

11. ポートフォワーディング後、外部IP（Googleで「whats my ip」で確認）のhttps://<外部IP>:<ポート>?action=snapshotでアクセス可能。このアドレスをPushingBoxに設定すれば、必要時に画像を添付してメール送信できる。

LinkIt Smart 7688 DuoにはSDカードスロットもあり、画像をローカル保存することも可能。
詳細：MediaTek公式ドキュメント

ステップ5：PushingBoxの設定

PushingBoxで各種アラート通知をGmail送信します。

1. GoogleアカウントでPushingBoxにサインイン：https://www.pushingbox.com/
2. My Services → Add a serviceで、Gmailを選択（写真添付が必要なため）。適切な設定と、アラート送信先のGmailアドレスを入力。
3. My Scenariosで新しいシナリオを作成。名前を付け（例：ALERT）、先ほど作成したサービスを追加。

4. メールの件名と本文を記述し、Webカメラのスクリーンショット撮影用URL（スナップショット用URL）を入力して写真添付を設定。アラート種類ごとに異なるシナリオを作成。

シナリオ実行用API：
https://api.pushingbox.com/pushingbox?devid=<device id>

ステップ6：BackendlessでAlexaスキルを作成

Backendlessはシンプルなドラッグ＆ドロッププログラミングでAlexaスキル（やその他のプログラム）を作成でき、Backendless APIでアクセス可能。

1. Backendlessでアカウント作成：https://backendless.com/
2. ログイン後、Create appでアプリ名を入力。
3. 左側アイコンバーのBusiness Logicアイコンをクリック → API SERVICES画面。
4. 「+」アイコンで新しいサービス作成。CODELESSを選択、サービス名「AlexaService」でSAVE。

5. メソッド作成プロンプトが表示。メソッド名「handleRequest」、REST操作「POST」、引数名「req」、タイプ「Any Object」で宣言。

6. EDITでCodeless Logic Designerに切り替え。プレースホルダーブロックの「doSomething」を「sendAlexaResponse」に変更。この関数でAlexaが発話する内容を引数で渡せるようにする。SAVE。

7. 紫ブロック右横の歯車アイコンで引数を2つ追加：「whatToSay」と「waitForResponse」。引数追加に伴いContext Blocksエリアに自動的にブロックが追加される。

8. 関数ロジックを以下のように修正（歯車アイコンでオブジェクトプロパティ名を変更）。SAVEを忘れずに。

9. カスタム関数完成後、handleRequestメソッドに戻り、左ツールバーのCustom FunctionsからsendAlexaResponseブロックをドラッグし、サービスメソッドのreturnコネクタに接続。

上記手順は公式サイトでも解説されています：
Part 1
Part 2

10. BROWSERセクションのFunctions下にあるAdd Newノードをクリック。プレースホルダーの「doSomething」を「getIntentName」に変更。

11. ブロックを修正して以下のように：

これでサンプル発話に基づいてインテント名を取得可能。API Services → アプリ名 → handle request（BROWSERセクション）に戻り、VariablesとLogicをSystemセクションから作成：

インテント名をリクエスト変数に格納し、インテントと比較。例えばリクエストが「introduction」なら、応答変数を「こんにちは！私は照明制御などができます...」に設定し、最後にAlexaが読み上げます。

リクエストが「LightsOn」ならThingSpeakチャネルを'0'に更新（HTTP GETリクエスト）し、同時にデバイス状態も更新（ON/OFFに応じて1/0）。同じことを「LightsOff」「FanOn」「FanOff」で繰り返し。

「Weather」なら温度・湿度チャネルから読み取り、結果を応答変数に格納。チャネルは値のみ返すため、テキストを追加して意味のある応答に：

「リビングルームのスナップショット」ならPushingBoxシナリオを実行：

「デバイス状態」ならThingSpeakの状態チャネルから情報読み取り：

「通知・アラート」ならアラートチャネル（火災、侵入者、来客）から読み取り：

取得値に基づき対応するアラートメッセージをrespond0変数に格納。通知がない場合はメッセージなし。

通知を読み上げた後、通知チャネルに'0'を書き戻し、同じ通知を繰り返さないようにする。最後にリクエストに基づきrespond0またはrespond変数を読み上げ。

重要： Backendlessでモデル作成後、Codeless画面右上のDeploy Modelをクリックしてデプロイしてください。

ステップ7：Amazon Developer ConsoleでAlexaスキルを設定

1. Amazon Developer Consoleにサインイン：https://developer.amazon.com/
2. Developer Console → ALEXAタブ → Alexa Skills Kit → Get Started

3. カスタムスキルタイプを作成、名前と起動名（Invocation Name）を設定。

インテントとサンプル発話は以下のJSONで定義：

{
  "languageModel": {
    "intents": [
      {"name": "AMAZON.CancelIntent", "samples": []},
      {"name": "AMAZON.HelpIntent", "samples": []},
      {"name": "AMAZON.StopIntent", "samples": []},
      {"name": "Camera", "samples": ["リビングルームのスナップショットを送って", "家のスナップショットを送って", "リビングルームの写真を送って", "家の写真を送って"], "slots": []},
      {"name": "FanOff", "samples": ["扇風機を消して", "扇風機をオフにして", "扇風機を切って"], "slots": []},
      {"name": "FanOn", "samples": ["扇風機をつけて", "扇風機をオンにして", "扇風機を回して"], "slots": []},
      {"name": "Introduction", "samples": ["何ができるの", "何ができますか", "私に何ができますか"], "slots": []},
      {"name": "LightsOff", "samples": ["照明を消して", "ライトを消して", "照明をオフにして"], "slots": []},
      {"name": "LightsOn", "samples": ["照明をつけて", "ライトをつけて", "照明をオンにして"], "slots": []},
      {"name": "Notification", "samples": ["通知はある？", "通知を読み上げて", "更新はある？"], "slots": []},
      {"name": "Status", "samples": ["デバイスの状態は？", "デバイスのステータスは？"], "slots": []},
      {"name": "Weather", "samples": ["家の天気は？", "家の温度は？", "温度は？", "湿度は？"], "slots": []}
    ],
    "invocationName": "my home"
  }
}

4. Configurationタブで、サービスエンドポイントタイプにHTTPSを選択、デフォルトURLにBackendlessのAPI URLを入力。

5. デフォルトエンドポイントのSSL証明書で2番目のオプションを選択。テストシミュレーターでスキルテストも可能。
6. テスト完了後、必要な公開情報を入力してスキルを公開。

ステップ8：最終セットアップと完成！

以下の図のように回路を接続：

注意： ESP8266は電流不足で誤動作することがあります。回路図には記載されていませんが、ESP8266を別の3.3V電源から給電することを推奨します。モバイルバッテリーを使用する場合、5Vから3.3Vへレギュレーターで降圧してください。

ESP8266とArduinoにプログラムをアップロード。電球への接続を例示していますが、同じ要領で扇風機や他のデバイスにも拡張可能です。

最後にAmazon Echoまたはechosim.ioでスキルをテスト。

重要： スキルは起動名（私の場合「my home」）で有効化する必要があります。起動名なしでは動作しない場合があります（動画で何度か実演）。

チュートリアルをお楽しみいただけましたか？

ありがとうございました！

コード

Smart_bell_ESP8266.ino（侵入者・来客アラート用ESP8266コード）

/* 
 * スマートベルとホームセキュリティの実装
 */
#include 
#include 

// 変数
int intruder = 0, guest = 2; // ピン0: 侵入者アラート, ピン2: 来客アラート
const char* ssid = "SSID";       // WiFi SSID
const char* password = "password"; // WiFiパスワード
const char* host = "api.thingspeak.com";

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(10);
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to "); Serial.println(ssid);
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500); Serial.print(".");
  }
  Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected");
  Serial.println("IP address: "); Serial.println(WiFi.localIP());
}

int value = 0;
int x, y = 0, z, k = 0;

void loop() {
  delay(1000);
  ++value;
  Serial.print("connecting to "); Serial.println(host);
  WiFiClient client;
  const int httpPort = 80;
  if (!client.connect(host, httpPort)) {
    Serial.println("connection failed"); return;
  }
  Serial.print("Requesting URL: ");

  //===========================================================================
  // 侵入者アラート
  //===========================================================================
  x = digitalRead(intruder);
  if (x == 0) { y = 0; }
  if (x == 1 && y == 0) {
    Serial.println("Sending Alert Pls Wait.....");
    delay(1000);
    String host1 = "api.pushingbox.com";
    client.print(String("GET ") + "/pushingbox?devid= HTTP/1.1\r\n"
      + "Host: " + host1 + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");
    client.print(String("GET ") + "/update?api_key=&field1=1 HTTP/1.1\r\n"
      + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");
    delay(1000); y = 1;
  }

  //===========================================================================
  // 来客アラート
  //===========================================================================
  long t1;
  z = digitalRead(guest);
  if (z == 0 && (millis() >= t1 + 300000)) { // 5分待機でチャタリング防止
    k = 0;
  }
  if (z == 1 && k == 0) { // ※元コードはx==1だが、z==1の間違いか？
    t1 = millis();
    Serial.println("Sending Alert Pls Wait.....");
    delay(1000);
    String host1 = "api.pushingbox.com";
    client.print(String("GET ") + "/pushingbox?devid= HTTP/1.1\r\n"
      + "Host: " + host1 + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");
    client.print(String("GET ") + "/update?api_key=&field1=1 HTTP/1.1\r\n"
      + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");
    delay(1000); k = 1;
  }

  unsigned long timeout = millis();
  while (client.available() == 0) {
    if (millis() - timeout > 5000) {
      Serial.println(">>> Client Timeout !");
      client.stop(); return;
    }
  }
}

Home_monitor_arduino.ino（家電制御用Arduinoコード）

// ホームオートメーション実装
#include 
#include 

// ピン定義
#define Light 2  // ピン2: 照明制御
#define fan 3    // ピン3: 扇風機制御

// 変数
char e;
int p = 0, q = 0; // 既にON/OFF済みのデバイスを二重操作しないためのフラグ
SoftwareSerial home_monitor(10, 11); // RX, TX
char control_data; // Bluetooth経由で送信される制御データ

void setup() {
  home_monitor.begin(115200);
  Serial.begin(9600);
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (home_monitor.available()) {
    control_data = home_monitor.read();
    e = control_data;
    Serial.print(control_data);

    //===========================================================================
    // デバイス制御
    //===========================================================================
    // チャネルの値に基づいて操作実行
    //-------------------------------------------------------------
    // 照明
    //-------------------------------------------------------------
    if (e == '0' && p == 0) { // 照明ON
      digitalWrite(Light, LOW);
      p = 1;
    }
    if (e == '1' && p == 1) { // 照明OFF
      digitalWrite(Light, HIGH);
      p = 0;
    }
    //-------------------------------------------------------------
    // 扇風機
    //-------------------------------------------------------------
    if (e == '2' && q == 0) {
      digitalWrite(fan, HIGH);
      q = 1;
    }
    if (e == '3' && q == 1) {
      digitalWrite(fan, LOW);
      q = 0;
    }
  }
}

Home_Monitor_ESP8266.ino（温湿度更新・制御情報取得用ESP8266コード）

/*
 * ThingSpeakに気象情報を更新し、制御情報を取得してArduinoにシリアル送信
 */
#include 
#include 
#include "DHT.h"

#define DHTTYPE DHT11
#define dht_dpin 2  // GPIO2をデータ入力に
DHT dht(dht_dpin, DHTTYPE);

// 変数
char c, e;
float temp, h;
String humidity, temperature, line;
int co = 0; // アラート送信制御

const char* ssid = "SSID";
const char* password = "password";
const char* host = "api.thingspeak.com";

void setup() {
  dht.begin();
  Serial.begin(115200);
  delay(10);
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to "); Serial.println(ssid);
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500); Serial.print(".");
  }
  Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected");
  Serial.println("IP address: "); Serial.println(WiFi.localIP());
}

int value = 0;

void loop() {
  delay(1000);
  ++value;
  Serial.print("connecting to "); Serial.println(host);
  WiFiClient client;
  const int httpPort = 80;
  if (!client.connect(host, httpPort)) {
    Serial.println("connection failed"); return;
  }
  Serial.print("Requesting URL: ");

  //===========================================================================
  // ミニ気象ステーション
  //===========================================================================
  h = dht.readHumidity();
  temp = dht.readTemperature();

  if (temp < 50.0) { co = 0; }
  if (temp >= 50.0 && co == 0) { // 50度以上でアラート（coで多重送信防止）
    Serial.println("Sending Alert please wait.......");
    delay(1000);
    String host1 = "api.pushingbox.com";
    client.print(String("GET ") + "/pushingbox?devid= HTTP/1.1\r\n"
      + "Host: " + host1 + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");
    delay(1000);
    client.print(String("GET ") + "/update?key=&field1=1 HTTP/1.1\r\n"
      + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");
    co = 1;
  }

  humidity = String(h);
  temperature = String(temp);
  Serial.println(h); Serial.println(temp);

  client.print(String("GET ") + "/update?key=&field1=" + humidity + " HTTP/1.1\r\n"
    + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");
  client.print(String("GET ") + "/update?key=&field1=" + temperature + " HTTP/1.1\r\n"
    + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");

  //===========================================================================
  // Arduinoへ制御情報をシリアル送信
  //===========================================================================
  client.print(String("GET ") + "/channels//field/field1/last.html HTTP/1.1\r\n"
    + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n");

  unsigned long timeout = millis();
  while (client.available() == 0) {
    if (millis() - timeout > 5000) {
      Serial.println(">>> Client Timeout !");
      client.stop(); return;
    }
  }
  while (client.available()) {
    line = client.readStringUntil('\r');
  }
  Serial.print(line); // Arduinoがシリアルで受信
}

回路図