如何自己DIY一套智能家居方案

2020-12-06 電子發燒友

如何自己DIY一套智能家居方案

皮皮學電子發表於 2020-02-04 10:33:31

隨著微功耗處理器以及通訊晶片的發展，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展，於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，所以個性化的定製產品才可以更好的方便我們的生活。

於是在暑假期間，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點，並且對接物聯平臺實現聯網控制以及數據的上傳。由於家庭中將會使用到的智能設備種類繁多，所以我將採用模塊化的設計思路，即採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。大家有同樣想製作的想法可以參考。截至發帖前，我完成了智能網關，智能牆壁開關，無線遙控開關以及無線氣象站的設計製作，之後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，對於這種低成本低功耗的網絡還是抱有很大信心的。這裡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點都可以訪問到所有節點的數據，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採用電池供電，使得所有的模組都儘量可能的無線化。

多跳傳輸，無線方案中最大的問題就是數據發送的不穩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，節點會自動選擇優質的傳輸路線多跳傳輸，保證信號質量。

zigbee網絡確實是好，但是對於我這種比較懶惰的人並不想去學習那複雜的傳輸理論以及zigbee通訊晶片的編程，於是我選擇上網購買ZigBee模塊，最後選擇了一種小型的串口轉zigbee模塊，比較方便單片機通訊。

核心板的製作：

說到模塊化，那麼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，並且預留各種接口，方便後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。

基於多方面考慮之後，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）。這款晶片成為了核心板的控制單片機。於是一番繪製原理圖以及PCB之後，成品大概明朗了：

焊接好的成品如下：

這將會成為以後所有我的智能家居方案的核心控制板。

完成了核心板的製作，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，包括連結到網際網路上傳數據，所以說對於網關的硬體選取也是重中之重。上聯網際網路，下接zigbee小型通訊網，網關擔任了一個家庭控制中心的角色，對於它的選擇我認為esp8266是個不錯的方案，可以支持arduino ide編程，這對於不太了解網絡通訊協議的我來說是個好消息，因為在arduino的編程中，我可以藉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，並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，近期樂鑫發布的ESP32系列晶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，由於手頭上正好有一塊esp8266，所以沒有採用性能更好的ESP32。

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

為了方便網關節點的狀態顯示以及相關信息讀取，為以後的調試提供便利，我給網關添加了一塊4.3寸的串口觸控螢幕，這樣方便信息的讀取以及調試工作。

完成了zigbee節點核心板的設計以及網關的硬體選擇，整個智能家居系統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後，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之後再對接網關，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。這種開發方法叫做迭代開發，對於較為龐大的項目是一種較好的解決方案。

製作篇

下面是介紹智能牆壁開關的設計，核心就是使得家裡牆壁開關智能化，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開關進行改造，但是發現拆開之後內部空間實在不夠，沒法完成改裝

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

由於是觸摸面板，所以我準備使用觸摸模塊作為輸入。關於執行機構，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，並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後，我在麵包板上搭建了電路，接下來就是編寫代碼了

對於智能開關節點，我將zigbee模塊配置成了路由器節點，這樣做的好處是，牆壁開關同時扮演了一個路由器的角色，看可以協助一些遠距離的終端節點完成多跳數據傳輸。。例如我想在臥室使用一個無線開關（下一章將會開發的）去控制家門口的燈光，直接將數據發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點之後，無線開關的信號便可以傳輸到家門口的智能開關上。