家庭自動化系統開源構建

描述

我正計劃構建一個廉價的家庭自動化系統。我希望這是一個模塊化系統，這樣我就可以不斷地向其中添加傳感器和設備，而無需進行太多更改。WARAN（Windows IoT、A zure、R aspberry Pi、A rduino、N RF24L01+）是一個模塊化的家庭自動化系統，由一個 Hub 和多個模塊組成。該模塊將結合微控制器和傳感器，從房屋的不同位置收集數據，并通過射頻將數據傳輸到集線器。集線器和模塊之間的所有通信都通過 RF 進行。Hub 還將有一個配套的 Windows Phone 應用程序。這是一個解釋設置的簡單流程圖。

為什么選擇 Windows 物聯網？

我是一名軟件開發人員，目前正在涉足 IoT。憑借我之前使用 XAML/C# 和 Visual Studio（我認為這是有史以來最好的 IDE）的經驗，這對我快速實現這些非常有幫助。

為什么是 NRF24L01+？

當我研究無線選項時，NRF24L01+ 是一種廉價且低功耗的解決方案。有了一些非常強大的庫，它為我提供了最佳解決方案。

為什么選擇 Windows Azure

Windows Azure 非常容易學習和適應。由于啟動服務所需的配置很少，我們可以更多地關注開發而不是配置和部署。我之前使用 Azure 的經驗幫助我快速集成。

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流程圖

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樞紐

Hub是WARAN的一個中央控制中心。它由 RPI2、Arduino Uno 和 nRF24L01+ 組成。RPI2 運行 Windows IoT Core。它運行一個通用應用程序作為控制中心。集線器將連接到一個大顯示器（通常是電視或監視器），通過它我們可以看到來自模塊的數據并控制模塊。連接到 RPI2 的鍵盤和鼠標將有助于從控制中心添加、刪除模塊。這是它的電路圖（參考項目中的 WARAN.Hub.fzz. 文件）?

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集線器電路

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它是如何運作的？

每個模塊都有一個唯一的地址，集線器使用該地址與其通信。我們將使用此地址向控制中心添加一個模塊，并為該模塊命名。添加后，控制中心（通用應用程序）將通過 I2C 向 Arduino Uno 發送數據。Arduino Uno 將通過 nRF24L01+ 向模塊發送數據，模塊從傳感器讀取數據或根據接收到的數據啟動/停止設備，并將數據發送回 Arduino Uno。Arduino Uno 將通過 I2C 將數據發送到控制中心。這些數據將顯示在電視/顯示器中，并發送到云端。Arduino Uno 將充當 RPI2 的接口，以從其他模塊獲取傳感器數據。上面的過程會在三種情況下發生

1. 在特定的時間間隔取決于模塊
2. 當用戶與控制中心交互時（通過鼠標/鍵盤）
3. 當從云端發送觸發器時（針對 PubNub）

這是一個典型的流程

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這就是集線器中的組件和模塊之間的交互方式。

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WARAN 組件之間的交互

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控制中心

控制中心是在 RPI2 中運行的通用應用程序。控制中心是用戶交互的界面。它與模塊通信，也與云通信。WARAN 控制中心利用 Azure 移動服務和 PubNub 作為其云后端。我們添加的每個模塊信息都將本地存儲在 sqlite db 中，并發送到 azure 移動服務。這將依次向移動應用程序發送 PubNub 消息或推送通知。我不想在這里解釋編碼部分，讓這篇文章變得一團糟。項目源代碼、文檔和部署細節可以在?https://bitbucket.org/arjunganesan/waran中找到?（我正在全面更新文檔，很快就會完成）。這就是控制中心的工作方式

移動應用程序

移動應用程序是一個 Windows Phone 應用程序（稍后將針對其他平臺開發），它將作為中心的配套應用程序。我們可以在世界任何地方的移動設備中看到所有與傳感器相關的數據。如果從模塊獲得任何重要信息（例如氣體泄漏監測模塊的氣體泄漏警報），我們也會收到推送通知。我們也可以從手機本身觸發模塊上的一些動作（比如在植物飲水器模塊上啟動泵）。由于所有這些都是通過云發生的，因此無需在集線器附近的任何地方放置移動設備即可執行所有這些操作。

這是移動應用程序的外觀

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模塊

該模塊是協同工作的組件組合，通過 RF 與 Hub 接收和發送數據。它可以是 Arduino Pro Mini 與傳感器或 RPI2 與傳感器等的組合。它需要做的就是通過 RF 從集線器接收數據/命令并做出適當的響應。這為模塊提供了無限的可能性。首先我要添加 2 個模塊

1. 植物飲水器
2. 溫度監控器

警告：這里的所有模塊都可以配置為使用繼電器控制電氣設備。但是我沒有處理這些的經驗，所以我不想介入危險區域，所以我還沒有在我的項目中使用它。那些在處理繼電器方面有豐富經驗的人請隨意擴展電路，其他人如果想在其中工作，請采取適當的預防措施。

植物飲水器

植物飲水器將監測植物中的水位以及植物周圍環境的溫度。如果沒有足夠的水，則會向移動應用程序發送警報。我們可以從任何地方通過移動應用程序啟動泵。我們還可以將其配置為在水位低于閾值時自動啟動水泵。它由 Arduino Pro Mini、DHT11、土壤濕度計和 nRF24L01+ 組成。這是電路圖（參考項目中的PlantWaterer.fzz）

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植物飲水器電路

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來自 9V 電池的電源進入 Arduino Pro Mini 的 RAW 引腳。arduino 中的內置穩壓器將在 Vcc 中提供 5V 輸出。我們將使用它來驅動 DHT11。我們還提供 9V 電源作為 3.3V 穩壓器的輸入，我們將使用它為 nRF24L01+ 供電。濕度計的水位將在模擬引腳 A3 上讀取。DHT11 的溫度讀數將在數字引腳 6 中讀取。在數字引腳 5 中，我們將向晶體管或繼電器發送信號，我們使用它們來啟動停止泵。出于演示目的，我將使用直流泵并將晶體管用作開關。這是它的工作流程

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我不希望電路保留在面包板上，所以我將它轉移到穿孔板上。我想保持緊湊，所以我這樣做了。您可以參考電路圖并提出自己的布局。

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溫度監控器

溫度監控器將監控房間（例如臥室）的溫度，并隨時發布溫度和濕度水平。我們還可以從集線器或移動設備打開/關閉或調整設備（恒溫器、交流電等）。為了演示，我將關閉/打開連接到 arduino 的 LED。該電路由Arduino Pro Mini、DHT11和nRF24L01+組成。下面是電路圖（參考工程中的TemperatureMonitor.fzz文件）

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來自 9V 電池的電源進入 Arduino Pro Mini 的 RAW 引腳。arduino 中的內置穩壓器將在 Vcc 中提供 5V 輸出。我們將使用它來驅動 DHT11。我們還提供 9V 電源作為 3.3V 穩壓器的輸入，我們將使用它為 nRF24L01+ 供電。DHT11 的溫度和濕度讀數將在數字引腳 5 中讀取。在引腳 6 中，我們將向晶體管或繼電器發送信號，我們使用它們開始停止設備（例如恒溫器、交流電等）。出于演示目的，我將使用 LED 燈來顯示設備的關閉/打開。這是它的工作流程??

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以下是我將其放置在性能板上的方式。您可以根據電路圖提出自己的布局。

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這是它的工作原理

已知的問題

• 電源 - 兩個模塊的電池會在幾個小時內耗盡。需要找到一種高效的便攜式電源。我計劃在任何可能的模塊中使用 attiny 處理器代替 pro mini。它的功率效率會更高。我以前關于 attiny 的文章可以在這里找到。
• I2C 并發 - 如果 RPI2 一次向 Arduino uno 發送 2 線請求，則其中一個失敗。我正在研究避免這種情況的方法，并嘗試實施重試機制。
• 單向通信——現在集線器發起一個請求，模塊響應它。盡管這在許多情況下都很有效，但一些新模塊可能需要在集線器不發送請求的情況下將數據發送到集線器。
• 范圍 - 我將模塊放在隔壁房間并能夠正確接收數據。但是，如果您想增加范圍，請將集線器中的 nRF24L01 替換為具有外部天線的 NRF24L01+PA+LNA。
• 安全性——因為這是在由開發人員擁有的假設下開發的，所以我沒有添加任何身份驗證機制。如果需要，您可以利用 Azure 移動服務的身份服務將 Microsoft、FB、Twitter、Google 身份驗證集成到移動應用程序和中心。

未來的計劃

我想把它作為一個開放平臺，供人們實現自己的家庭自動化系統。我將穩定 Hub 和移動應用程序。我想向該項目添加更多模塊。基于語音的命令和響應也在路線圖中。現在我正在研究以下模塊

• 氣體泄漏傳感器
• 入侵探測器
• 設備控制器（例如咖啡機控制器、燈控制器等）
• 車庫門開啟器?
• 一些可穿戴模塊
• 沒有硬件的互聯網服務（天氣、Azure 邏輯應用程序、股票報告等）
• 在集線器范圍之外工作并通過互聯網與其通信的模塊（例如汽車追蹤器、寵物追蹤器、計步器等）

所有這些模塊組合在一起并通過集線器作為一個單元工作，將為我提供我一直想要擁有的家庭自動化系統。我將繼續在 hackster 中將新模塊作為單獨的項目添加。歡迎大家添加新模塊和擴展。將更新有關如何向項目添加新模塊的 wiki 頁面。