如何自己DIY一套智能家居方案

隨著微功耗處理器以及通訊芯片的發(fā)展，以往較為耗能的有線通訊方式越來越阻礙了通訊網絡的發(fā)展，于是一大批的無線通訊方案應運而生，例如NBIOT，藍牙4.0，zigbee等等。同時微功耗無線處理器的流行使得傳統(tǒng)家電帶上了智能的色彩，智能家居必將是未來家庭的必備。某些高科技企業(yè)也在揶揄這塊市場，紛紛推出了自家的智能家居解決方案，比較知名的有米家方案以及阿里智能的解決方案。但是回到現實的使用上來說，每個家庭的條件環(huán)境其實不一樣，同樣的產品未必在每個家庭上都可以使用方便，所以個性化的定制產品才可以更好的方便我們的生活。

于是在暑假期間，萌生了DIY一套智能家居方案的想法，具有各種智能開關和傳感器等節(jié)點，并且對接物聯平臺實現聯網控制以及數據的上傳。由于家庭中將會使用到的智能設備種類繁多，所以我將采用模塊化的設計思路，即采用核心板加外圍功能部分的思路，像搭積木一樣的構建各個智能設備。大家有同樣想制作的想法可以參考。截至發(fā)帖前，我完成了智能網關，智能墻壁開關，無線遙控開關以及無線氣象站的設計制作，之后有新的設備加入的話，我會及時的更新。

設想篇

下面是一張我構思的網絡拓撲圖：

無線通訊方案的選擇：zigbee

好早之前就接觸過zigbee組網，對于這種低成本低功耗的網絡還是抱有很大信心的。這里講解選擇這個網絡的幾大理由：

mesh結構的網絡很適合智能家居的控制結構，在入網的任何一個節(jié)點都可以訪問到所有節(jié)點的數據，這點很適合網關控制各個設備。

低功耗使得終端設備甚至可以采用電池供電，使得所有的模組都盡量可能的無線化。

多跳傳輸，無線方案中最大的問題就是數據發(fā)送的不穩(wěn)定以及障礙物對信號的遮擋導致數據無法正確傳輸，而ZigBee的多跳恰好解決了這個問題，節(jié)點會自動選擇優(yōu)質的傳輸路線多跳傳輸，保證信號質量。

zigbee網絡確實是好，但是對于我這種比較懶惰的人并不想去學習那復雜的傳輸理論以及zigbee通訊芯片的編程，于是我選擇上網購買ZigBee模塊，最后選擇了一種小型的串口轉zigbee模塊，比較方便單片機通訊。

核心板的制作：

說到模塊化，那么就需要核心的控制板。本質來說就是將單片機以及購買的zigbee模塊集成到一張電路板上，并且預留各種接口，方便后期移植到各種設備上，這樣一張電路板就可以適用各種智能家居設備了。

在保證功能足夠的同時，體積也是我需要考慮的問題，如果核心板做的過大，會導致無法安裝到某些空間狹小的智能設備中，所以小體積是我所著重考慮的。

基于多方面考慮之后，stc8F2k08s2進入了我的視線，小巧的sop16封裝以及簡單的外圍電路，足夠的IO口（14個）。這款芯片成為了核心板的控制單片機。于是一番繪制原理圖以及PCB之后，成品大概明朗了：

焊接好的成品如下：

這將會成為以后所有我的智能家居方案的核心控制板。

完成了核心板的制作，網關成為了下一個比較關注的對象，因為家中的所有智能設備的控制以及通訊都會由他來完成，包括鏈接到互聯網上傳數據，所以說對于網關的硬件選取也是重中之重。上聯互聯網，下接zigbee小型通訊網，網關擔任了一個家庭控制中心的角色，對于它的選擇我認為esp8266是個不錯的方案，可以支持arduino ide編程，這對于不太了解網絡通訊協(xié)議的我來說是個好消息，因為在arduino的編程中，我可以借助強大的庫函數來完成我想要的功能。

esp8266是一個擁有了近80Mhz的主頻的32位處理器，內置了wifi模組省去了網線，并且擁有豐富的外設以及較高的性能，可以勝任智能網關的工作。當然，近期樂鑫發(fā)布的ESP32系列芯片也會是個好的選擇，更高的主頻以及wifi藍牙雙模的設計讓其擁有更加方便的接入方式，由于手頭上正好有一塊esp8266，所以沒有采用性能更好的ESP32。

這樣我需要對ESP8266進行片上編程，并調用它的串口和zigbee模塊通信，當zigbee的節(jié)點收到其他設備發(fā)來的數據的時候，esp8266可以對其處理或者通過WiFi上傳到云平臺，整體的設計思路就是這樣。

為了方便網關節(jié)點的狀態(tài)顯示以及相關信息讀取，為以后的調試提供便利，我給網關添加了一塊4.3寸的串口觸摸屏，這樣方便信息的讀取以及調試工作。

完成了zigbee節(jié)點核心板的設計以及網關的硬件選擇，整個智能家居系統(tǒng)的主要部分就構建完成了，我先不講解程序的編寫，因為我將會在調試好每一個智能設備之后，再對網關進行編寫對應設備的接口程序。即完成一個智能設備的開發(fā)之后再對接網關，使其加入到家中的zigbee網絡，實現聯動控制或者聯網控制，因為畢竟我使用的ZigBee模組只是起一個通訊的作用，具體的功能實現還是靠核心板上的單片機來完成。這種開發(fā)方法叫做迭代開發(fā)，對于較為龐大的項目是一種較好的解決方案。

制作篇

下面是介紹智能墻壁開關的設計，核心就是使得家里墻壁開關智能化，可以聯網控制，達到場景聯動，智能控制等目的。

我嘗試就家中的傳統(tǒng)開關進行改造，但是發(fā)現拆開之后內部空間實在不夠，沒法完成改裝

于是嘗試網購新的開關，尋找空間大些的墻壁開關，后來我找到了專門生產觸摸智能開關外殼的廠家，購買了幾個觸摸墻壁開關的外殼，內部空間較大，適合改造

由于是觸摸面板，所以我準備使用觸摸模塊作為輸入。關于執(zhí)行機構，也就是一充當原來機械開關的器件，我準備使用繼電器來代替。繼電器可以讓我使用單片機輸出的信號去控制220V交流電壓的通斷，并且提供良好的隔離以及絕緣性能。

1.代碼的編寫：

選擇了繼電器以及觸摸模塊之后，我在面包板上搭建了電路，接下來就是編寫代碼了

對于 智能開關節(jié)點，我將zigbee模塊配置成了路由器節(jié)點，這樣做的好處是，墻壁開關同時扮演了一個路由器的角色，看可以協(xié)助一些遠距離的終端節(jié)點完成多跳數據傳輸。。例如我想在臥室使用一個無線開關（下一章將會開發(fā)的）去控制家門口的燈光，直接將數據發(fā)送到家門口的智能開關上或許信號強度不夠造成通信失敗，這時我在客廳增加一個路由器節(jié)點之后，無線開關的信號便可以傳輸到家門口的智能開關上。

同樣的，為了響應國家節(jié)能減排的號召，我給單片機配置成了空閑模式以節(jié)省功耗，但是空閑模式下單片機沒法正確及時的檢測到觸摸按鍵的按下，所以我使用單片機的外部中斷來檢測觸摸按鍵，當觸摸按鍵按下時，單片機檢測到電平變化，引發(fā)中斷，喚醒單片機，使得單片機執(zhí)行相關指令。

當zigbee模塊收到來自智能網關的數據時候（例如閉合開關或者斷開開關），其輸出數據引發(fā)的串口中斷也會喚醒單片機，這時候單片機會執(zhí)行收到的指令，隨后再次進入空閑模式。

此外，為了更好的檢測每個開關的狀態(tài)，每次開關有動作之后，會將當前的狀態(tài)上報給智能網關，以便網關檢測家中所有的開關狀況。

2.開關的測試：

鏈接zigbee的協(xié)調器節(jié)點到電腦上，打開智能開關的電源，可以看到每當我觸摸開關，對應的繼電器都會動作，并且協(xié)調器節(jié)點串口都會輸出一些數據：

下面是一幀數據的解讀

同時，在串口監(jiān)視器輸入關閉兩路開關的指令，按回車發(fā)送，可以觀察到本來開啟的兩路開關，全部關閉了

測試完畢，智能開關達到了我想要的功能，下面就是針對我購買的外殼設計PCB板了

3.智能開關PCB的設計與制作：

對于購買的外殼，我先找到了一張廠家提供的CAD圖紙，上面標有了一些基本尺寸，這樣方便我去設計一塊合適的PCB板。

將之前在面包板上搭建的電路，繪制成原理圖之后效果如下：

轉換成PCB文件后，經過簡單的元件擺放以及布線后，完成的效果如下：

將交流高壓部分和直流低壓部分開槽隔離，提供了較好的抗干擾特性。而反面則設有zigbee模塊以及單片機的位置。

約幾天后，我收到了制作好的板子。

同時到來的還有一些元器件。

焊接過程太繁瑣無聊，略去。焊接好之后的效果圖

安裝上觸摸模塊之后，使用雙面膠將觸摸模塊粘貼在面板玻璃上。

燒錄程序，合上外殼

背后使用標簽標明出接線口定義，方便安裝。

使用智能開關替代家中的傳統(tǒng)開關。

4.網關對應程序的編寫：

這部分的程序主要是網關接受物聯平臺發(fā)來的控制指令json字符串，然后解碼翻譯，最后通過zigbee網絡告知智能開關引起相應動作。所以其核心在于接受服務器的json字符串，解釋其含義。

同樣的，還是使用arduino的json庫來處理這些信息，查閱物聯平臺的通訊協(xié)議手冊，發(fā)現采用如下格式：

所以只需要解讀say指令后面附帶的指令即可，于是很快的，一個使用else if語句的并列結構就寫好了，程序對收到的字符串依次判斷，如果相同則發(fā)送指令給智能開關。

上傳程序到ESP8266，開始測試！

5.綜合測試

安裝智能開關到位，接上網關的電源，觸摸觸摸開關，電燈可以正常開啟關閉

拿出手機，打開物聯平臺，按下開啟電燈按鈕，電燈開啟。

至此，我實現了智能開關的設計，電路搭建以及使用網絡控制。并且支持各種功能擴展（定時開關，和人體傳感器聯動等等），升級空間十分大，并且可聯網控制，給生活帶來了很大方便。

無線遙控開關制作

晚上睡覺前，有的墻壁開關距離床上太遠，因此不方便關燈，所以我準備設計一款遙控無線開關，可以通過配對的形式完成對家中所有智能設備的控制，類似與隨手貼開關。下面是介紹無線遙控開關的設計。

1.電路設計

作為zigbee網絡中的終端節(jié)點，無線遙控開關需要具有低功耗運行模式，因此根據我采用的e18zigbee模塊的數據手冊，將其配置成睡眠模式

拿出制作好的zigbee最小系統(tǒng)板

無線遙控開關上面有一個按鍵用來操作，所以焊接一個按鍵開關到最小板模塊上

另外焊接上電源線，采用紐扣電池供電

用3D打印機打印了殼子

將板子切割一下放進去

組裝好的樣子

2.網關對應的配置

我繪制了一個顯示屏的界面

在此界面下，按下墻壁開關的配對按鈕

此時顯示屏上會顯示相關信息，設備編號為1的會顯示在第一行，以此類推，超出一頁的部分會自動翻頁

如果復位按鍵損壞，還可以使用MAC地址添加方式

點擊信息右邊的配對按鈕，屏幕下方會顯示配對中的提示語

此時按下無線遙控開關的按鈕

即可在顯示屏上見到配對成功的提示語

此時使用無線遙控開關即可控制燈的亮滅

實現這個功能的主要原理就是無線開關記住了墻壁開關的短地址，這樣每次按下按鍵都會發(fā)送一次數據給智能墻壁開關以便控制亮滅。由于是電池供電的開關，為了避免在更換電池后需要重新配對的問題，我使用了單片機內置的EEPROM來存儲短地址，這樣就無需每次上電都要重新配對了。
責任編輯 LK