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[2019参赛作品] 【脑洞大赛】DIY属于你的智能家居系统,zigbee,esp8266,51单片机

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本帖最后由 2877137721 于 2019-7-16 15:14 编辑

【介绍】
       随着微功耗处理器以及通讯芯片的发展,以往较为耗能的有线通讯方式越来越阻碍了通讯网络的发展,于是一大批的无线通讯方案应运而生,例如NBIOT,蓝牙4.0,zigbee等等。同时微功耗无线处理器的流行使得传统家电带上了智能的色彩,智能家居必将是未来家庭的必备。某些高科技企业也在揶揄这块市场,纷纷推出了自家的智能家居解决方案,比较知名的有米家方案以及阿里智能的解决方案。但是回到现实的使用上来说,每个家庭的条件环境其实不一样,同样的产品未必在每个家庭上都可以使用方便,所以个性化的定制产品才可以更好的方便我们的生活。
      于是在暑假期间,萌生了DIY一套智能家居方案的想法,具有各种智能开关和传感器等节点,并且对接物联平台实现联网控制以及数据的上传。由于家庭中将会使用到的智能设备种类繁多,所以我将采用模块化的设计思路,即采用核心板加外围功能部分的思路,像搭积木一样的构建各个智能设备。大家有同样想制作的想法可以参考。
      截至发帖前,我完成了智能网关智能墙壁开关无线遥控开关以及无线气象站的设计制作,之后有新的设备加入的话,我会及时的更新。


【准备事项】
        完成这个涉及到多方面的项目,需要的硬件设备以及开发环境较多,所以我先大概给出一个列表:
       软件篇:
  •    Arduino IDE:用于给ESP8266编程使用 2345截图20190716113701.png
  •    KEIL uVision5 :用于给51单片机编程使用 2345截图20190716113712.png
  •    串口调试器:用于监控单片机输出数据 2345截图20190716113752.png
  •    lceda设计软件:绘制电路原理图,设计PCB电路板 2345截图20190716113522.png
      硬件篇
  •   NodeMCU开发板一块
  •   亿佰特zigbee模块若干(视节点数量而定)
  •   STC8F2系列单片机若干
      核心的主要控制器件在此列出,其他元器件会在制作过程中一一说明。


【制作过程】
我构想了一张智能家庭的网络拓扑图,大家可以欣赏以下,后期图上的设备都将加入进来:
未命名文件.jpg
由于涉及到多个设备的设计制作,所以本个报名贴先奉上智能家居核心板,智能网关以及无线气象站的制作过程:

#制作过程之核心板篇#
>>>本项目使用zigbee网络进行智能家居之间的通信。
好早之前就接触过zigbee组网,对于这种低成本低功耗的网络还是抱有很大信心的。这里讲解选择这个网络的几大理由:
  • mesh结构的网络很适合智能家居的控制结构,在入网的任何一个节点都可以访问到所有节点的数据,这点很适合网关控制各个设备。
  • 低功耗使得终端设备甚至可以采用电池供电,使得所有的模组都尽量可能的无线化。
  • 多跳传输,无线方案中最大的问题就是数据发送的不稳定以及障碍物对信号的遮挡导致数据无法正确传输,而ZigBee的多跳恰好解决了这个问题,节点会自动选择优质的传输路线多跳传输,保证信号质量。

总结一下:zigbee网络确实是好,但是对于我这种比较懒惰的人并不想去学习那复杂的传输理论以及zigbee通讯芯片的编程,于是我选择上网购买ZigBee模块,最后选择了一种小型的串口转zigbee模块,比较方便单片机通讯。
2345截图20190716121023.png
       说到模块化,那么就需要核心的控制板。本质来说就是将单片机以及购买的zigbee模块集成到一张电路板上,并且预留各种接口,方便后期移植到各种设备上,这样一张电路板就可以适用各种智能家居设备了。
       在保证功能足够的同时,体积也是我需要考虑的问题,如果核心板做的过大,会导致无法安装到某些空间狭小的智能设备中,所以小体积是我所着重考虑的。
基于多方面考虑之后,stc8F2k08s2进入了我的视线,小巧的sop16封装以及简单的外围电路,足够的IO口(14个)。这款芯片成为了核心板的控制单片机。于是一番绘制原理图以及PCB之后,成品大概明朗了:
2345截图20190716121636.png 2345截图20190716121648.png
焊接好的成品如下:
微信图片_20190716121838_看图王.jpg
这将会成为以后所有我的智能家居方案的核心控制板。

#制作过程之智能网关篇#
      完成了核心板的制作,网关成为了下一个比较关注的对象,因为家中的所有智能设备的控制以及通讯都会由他来完成,包括链接到互联网上传数据,所以说对于网关的硬件选取也是重中之重。上联互联网,下接zigbee小型通讯网,网关担任了一个家庭控制中心的角色,对于它的选择我认为esp8266是个不错的方案,可以支持arduino ide编程,这对于不太了解网络通讯协议的我来说是个好消息,因为在arduino的编程中,我可以借助强大的库函数来完成我想要的功能。
TB2rNAIhkqvpuFjSZFhXXaOgXXa_!!2658592015_看图王.jpg 2345截图20190716124156.png
     ESP8266是一个拥有了近80Mhz的主频的32位处理器,内置了wifi模组省去了网线,并且拥有丰富的外设以及较高的性能,可以胜任智能网关的工作。当然,近期乐鑫发布的ESP32系列芯片也会是个好的选择,更高的主频以及wifi蓝牙双模的设计让其拥有更加方便的接入方式,由于手头上正好有一块ESP8266,所以没有采用性能更好的ESP32。这样我需要对ESP8266进行片上编程,并调用它的串口和zigbee模块通信,当zigbee的节点收到其他设备发来的数据的时候,ESP8266可以对其处理或者通过WiFi上传到云平台,整体的设计思路就是这样。
2345截图20190716123338.png
     为了方便网关节点的状态显示以及相关信息读取,为以后的调试提供便利,我决定给网关添加了显示屏屏,这样方便信息的读取以及调试工作。最终选择了下面的这块4.3寸的串口组态触摸屏。
微信图片_20190716123436_看图王.jpg
     完成了zigbee节点核心板的设计以及网关的硬件选择,整个智能家居系统的主要部分就构建完成了,我先不讲解程序的编写,因为我将会在调试好每一个智能设备之后,再对网关进行编写对应设备的接口程序。即完成一个智能设备的开发之后再对接网关,使其加入到家中的zigbee网络,实现联动控制或者联网控制,因为毕竟我使用的ZigBee模组只是起一个通讯的作用,具体的功能实现还是靠核心板上的单片机来完成。这种开发方法叫做迭代开发,对于较为庞大的项目是一种较好的解决方案。搭建好的智能网关。 微信图片_20190716143711.jpg

#制作过程之无线气象站篇#
      接下来我将会进行首个智能设备的制作,我将会从制作这个设备的缘由开始,一步一步去实现我想要的功能,帖子篇幅较长,请慢慢观看。
1.起因:
      说到气象站这个东西,一般大家都会觉得气象局才需要这个东西去量测各种气象数据(温湿度,气压,风速风向,紫外线强度等等),而我们得知当天的气象数据多半是靠手机上的天气软件来查看的,但是这样带来一些问题:手机上获得的数据往往不能代表区域中所有的数据,如果我们可以在家中自己搭建一个气象站,这样就可以得知最实时的,最精确的数据,最具有参考性。同时,气象站的各种数据输出还可以在以后为我带来更加合适的穿衣建议,以及可以和家中的其他设备联动,比如室外光线弱会自动开启室内电灯之类的。

2.气象数据选择
     气象数据有很多种类,我选择了几项对生活影响较大的参数:温度、湿度、气压、光照强度、紫外线强度。选择这些参数的原因,基于以下几方面:
  • 温湿度数据可以给让我知道外面是高温还是低温,干燥还是湿润,这对一些出行需要携带的衣物以及保湿工作起到很好的参考作用。
  • 气压数据很能说明接下来的天气情况,相信大家都知道雨前蜻蜓低飞的原因,就是因为气压较低,如果当前测得的气压较低,那么周边高气压的区域的空气会向低气压区域流动,低气压区域的空气就是越聚越多,导致空气上升,遇冷凝结,造成降雨。所以气压数据可以很好的预报将来是否会有降雨发生。
  • 光照强度以及紫外线强度可以很好提醒我是否需要防晒以及携带墨镜等等,因为并不是光照强度越大紫外线强度就越大的,前者表示了照明强度,单位是勒克斯,后者表示了紫外线的强度,单位是瓦每平方米。在中国近赤道的城市,太阳的紫外线强度普遍比其他城市大,但是光照强度并不会比一些“火炉”城市大。这就是为什么有的太阳光看起来不耀眼,实际上很伤害我们的皮肤。

3.传感器选择
      这个气象站由于需要长时间使用,那么在倡导节能减排的今天,低功耗是必须要考虑在内的。所以对于传感器的选择,我使用了一些采用iic接口通讯的数字传感器,既可以保证数据的精确,也可以设置传感器进入低功耗的模式。下面是我所 使用的传感器,输入这些名字就可以在某宝搜索到 :
  • SHT20 :温湿度传感器
  • BMP280:气压传感器
  • VEML6070:紫外线传感器
  • BH1750:光照强度传感器
2345截图20190716130047.png
4.代码的编写:
      这么多传感器的调试是一个比较费时费力的工作,我耗费了几乎一周的时间来调试这些传感器,索性终于都可以正常的输出数据了。
下面用一张表来解释气象站的代码逻辑:
2345截图20190716125907.png
      可以看到,在程序开始执行之后,首先初始化了各个传感器以及设置他们的工作模式,然后四个传感器纷纷进入低功耗模式节省电力。由于气象站需要在每次间隔一段时间后上传所有的传感器数据,所以我在这里用到了STC8系列单片机所带有的掉电唤醒定时器,这个定时器在单片机进入掉电模式之后仍然可以运行,这样定时器在设定时间到来之后就会唤醒单片机,这时候单片机就可以依次唤醒所有传感器并且获取数据,然后再次进入掉电模式,等待下一次唤醒。
这样我使用所有传感器都带有的低功耗睡眠模式以及单片机的掉电模式很大程度上节省了电力,使得这个气象站使用电池供电成为可能。

5.实物的焊接制作
调试好了所有的传感器,下面就是把他们焊接到一起了,我使用洞洞板来焊接四个传感器。
微信图片_20190716131943_看图王.jpg
焊接好了之后,实测待机状态下的电流数据11uA:
微信图片_20190716132150_看图王.jpg
单片机唤醒,采集传感器数据,使用zigbee模块发射出去时的整体电流数据28mA
微信图片_20190716132144_看图王.jpg

      综合来说,待机状态下的电流数据几乎可以忽略不计(微安级),而在发射状态下,其电流可以达到28ma左右,但是毕竟此状态下需要的时间极少(800ms左右,包括收集传感器数据以及发送)所以气象站决定采用锂电池供电,我采用了比传统锂聚合物电池稳定许多的18650电池(很害怕锂聚合物电池鼓包)。 微信图片_20190716132900_看图王.jpg
      但是采用了电池供电的设备,免不了更换电池或者充电的苦恼,所以进过一番设计过后,一个永远都不用充电的气象站诞生了:
      由于气象站长期在室外(我家阳台上),所以我没有浪费室外较好的太阳能资源,于是我购买了一个太阳能电池板以及一个太阳能充电器,这样在晴天太阳能就可以给电池补充电力,在没有太阳的情况下,则使用锂电池来给气象站供电,下面是太阳能电池板在多云天下的输出电压: 微信图片_20190716134011_看图王.jpg 微信图片_20190716133729_看图王.jpg

锂电池用的是一个2200mah的18650电池,根据理论计算,满电的18650电池大概够气象站续航:
微信图片_20190716151021_看图王.jpg
这样的续航成绩保证了连续近一个半月可以用纯靠电池供电,加上太阳能电池板晴天下近9小时的电力输出,这下可以永远不需要充电了!!
但是为了考虑周全一点以及保护电池,我给18650电池增加了一个保护板,这样即使极端环境下,电池也不会过放了。

6.气象站输出数据测试
      现在气象站可以正常的定时唤醒了,我开始准备测试数据是否正常,链接zigbee的协调器节点到电脑上,打开气象站的电源,可以看到每隔一段时间,串口都会输出一些数据:
2345截图20190716134918.png
下面是对一帧数据的解读:(当前的测试位置是气象站放在室内上,当天晴天)
2345截图20190716135149.jpg
经过16进制到10进制换算后,可以得到当前的气象数据:
  • 湿度:64.8%
  • 温度:32.08度
  • 气压:100194帕斯卡
  • 光照强度:213勒克斯
  • 紫外线强度:1(室内几乎为0,此数据请参考VEML6070的数据手册,作进一步分析)

可以看到气象站的数据正确无误,所以接下来就是针对网关的开发了

7.网关对应程序的编写:
      由于ZIgbee协调器节点是采用串口通信的方式,于是需要ESP8266的串口来于协调器节点进行通信,所以我使用了Arduino自带的软串口库,这样我可以随意定义两个io口作为串口使用。
2345截图20190716140953.png
网关对于气象站来的数据需要分为接受,处理,上传到物联平台共3个过程,所以我一部分一部分的讲解如何处理。

  • 接受过程
      从之前的气象站测试数据图来看,一帧数据一共有近20多个字节,所以当一帧数据到来时,我一次性的将其从串口取出,并且依据数据的格式,从中获取节点类型,节点编号,指令类型,数据长度等信息。
2345截图20190716141138.png
得到了这些数据之后,就方便我的网关去判断到底数据来自哪个设备,从而执行相关的程序。
那么现在我的网关凭借节点类型知道了是无线气象站发来的数据,接下来就进入到数据处理的过程了。

  • 处理过程:
大家可以看出,气象站发来的数据全部是16进制的,所以我需要将其转换成整数型变量,以便发送到物联平台。在气象站的数据包中,取其中数据如下:
2345截图20190716141238.png
经过一些移位操作,我获得了所有的数据(十进制格式),下面就方便我上传到物联平台了!

  • 对接物联平台过程:
      这次我使用的物联平台是贝壳物联平台,是免费的,只要注册一个账号即可使用,并且有手机APP以及微信小程序,这样给我以后的控制提供了很多选择。连接方式是采用TCP链接,即我的网关需要不停的发送心跳包来保持一个在线的状态,建立好TCP链接之后,只需要向服务器不停的上传数据,这些数据就可以正常的在手机上查看了。这里借用贝壳物联通讯协议中的一个图片来说明。
2345截图20190716141459.png

得益于Arduino众多的库文件,只需要几行代码,就可以链接到自家的WIFI并且建立一个TCP链接了。
2345截图20190716141640.png
      之后的事情变得简单了许多,由于贝壳物联平台的通讯格式采用的是json字符串(这也是大多数物联平台网站要求的通讯格式,即智能设备发送给服务器,服务器反馈回数据都是这个格式),所以我添加了一个用于处理json字符串的json库,这样我的智能网关就可以处理来自服务器的数据了。
2345截图20190716141846.png

至此对接物联平台的工作就完成了,下面开始演示!

【照片演示】
      编写好代码,并且用arduino自带的millis函数来让ESP8266每隔5s上传一次气象站发送来的数据,下载代码到ESP8266后,登录贝壳物联手机端,我查看到了这些信息:
微信图片_20190716143355_看图王.jpg

此时ESP8266成功的收到了zigbee协调器发送来的数据,并且成功的将数据的格式转换了过来,上传到了服务器。

      至此,我实现了气象站以及网关的设计,电路搭建以及数据的上传。给家里添加了相对准确的气象参考数据,并且只要我的手机有网络的情况下,随时可以查看家中的气象数据,给家庭带来了很大方便。

      接下来智能墙壁开关无线遥控开关的设计制作我会持续发帖更新,以及其他更多的智能设备加入。

【相关文件或资源】
      在这里我附上全部各个传感器的调试代码(基于STC8系列单片机开发),所以你如果也使用了STC8系列的单片机,可以直接使用。




气象站传感器.zip

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安卓机器人  初级技神

发表于 2019-8-8 08:40:04

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发表于 2019-7-17 22:05:05

内容详实,学习了!点个赞!
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