介绍我家的智能家居系统（原理细节详细介绍，关键部分开源）

fryefryefrye · 发表于 2021-3-17 19:25:39

本帖最后由 fryefryefrye 于 2021-3-21 10:51 编辑

我家这套智能家居系统已经运行了很多年了，自我感觉不错，给大家分享一下。
也是断断续续开发了很多年，一下子不可能讲的很清楚，有兴趣的同学可以提问，我继续回答。

早年买了一些所谓的智能家居硬件设备，最后得到的是手机里一大堆APP，以及薛定谔状态的可用性。最后决定全部自己开发。

现在这套系统的优点：
1：全部自己开发，需要新功能，实现新想法，只要是可行的，就能做出来。
2：大部分功能通过局域网实现，不依赖互联网。只要家里有电，就能正常运行大部分功能（外网控制除外）
3：控制界面就一个，一眼看清所有设备状态，一键即可控制所需设备，无需在一堆APP中，一大堆页面中翻来翻去。

整套系统主要结构如下：

1：用ESP8266作为节点，每秒发一个UDP包到树莓派服务器，包含节点采集到的数据和状态（比如：温度，湿度，灯已开，灯已关）。
2：树莓派服务器收到节点更新后，回复一个UDP命令包，包含发送给节点的控制命令（比如：开灯，关灯），并缓存节点的IP地址信息。
3：树莓派另开web服务，手机电脑均可访问，可以查看状态，也可以控制，在家通过局域网访问，不依赖互联网，在外需要做一个端口映射（申请公网IP）。
4：收到web的控制命令后，立即给节点发送命令UDP包（之前已经缓存了节点IP信息），可以做到灯一按就亮，几乎无延时。

控制界面是这样的：

控制界面的实现原理（使用Ajax更新网页里的部分文字）：
上图所示的控制界面是一个html文件，只需要加载一次。但是表格中的数据和状态都是每秒使用Ajax更新的。
流程大概是这样
a）浏览器请求 http://192.168.0.17/index 树莓派服务器直接返回一个html文件
b）html文件里面有脚本，每秒执行一次，发起请求  http://192.168.0.17/update
c）树莓派返回一串用“,”隔开的字符串。脚本会按照“,”分割，形成一个字符串数组。
d）把这个数组填个表格的相应部分。

这是html文件的一个简单的例子，我用来显示天气预报的。
https://github.com/fryefryefrye/ ... n/weatherindex.html

树莓派服务器实现原理（web服务）：

上一段已经介绍了如何使用Ajax更新网页里的部分文字，其中重要的一点就是服务器需要自动生成一串用“,”隔开的字符串。
这个就需要在树莓派上编程实现。
由于我不喜欢使用现成的web服务软件，我就自己实现了一个最简单的web服务器。
流程大概是这样
a）创建一个socket，在80端口上监听。
b）连接建立之后，一般会收到一个类似“GET /index HTTP/1.1”的请求。
c) 根据请求内容，给予适当的回复，在回复实际内容之前，发送一个http回复的head就行了
const char HttpResponseHeadSimple[] ="HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/html\r\n\r\n";
d）上面那个头部，最后两个回车之后，就可以发送实际数据了，不管是一个html文件，还是“,”隔开的字符串，都可以。
e）发完就可以关闭socket,等待下一个连接请求。

树莓派服务器实现原理（UDP数据交换）：
为了定义节点与服务器交换的数据格式，我写了一个共用h文件，即被Arduino节点的程序包含，也被服务器的程序包含。
这个h文件里定义数据格式，例子如下。
struct tMeterData
{
      unsigned long DataType; //data type = 5
      unsigned long Mac[6];
      unsigned long Power;             //xx.xxxx W
      unsigned long TotalEnergy;             //xxxxxx.xx kWh
      unsigned long Volt;                      //xxx.x v
      unsigned long Current;             //xxx.xxx A

};

struct tMeterCommand
{
      unsigned long Triger;
      unsigned long On
};

这是一个交流电功率计的数据格式的例子，所有的数据都是用的4字节长整型，以免不同的平台的字节对齐问题。
上传数据的第一组是数据类型，用来检测是哪一种设备发来的，其他的就是数据更新。
下发的命令是每秒都会回复的，当作心跳包。但是没有实际操作请求的时候，triger = false。
如果真的要操作，就设为True，表示这是一个需要执行的命令，节点就会根据下发的数据执行相应的操作。

不同功能的节点，其实很多，我介绍几个大家比较能用的着的：

1：房间灯光控制器
双控一盏灯，既能传统的手动控制，也能用网络控制的方法。
用ESP8266+继电器做一个控制器，就可以通过网络控制这个继电器。
然后单片机一个引脚接出来，接一个普通墙壁开关。单片机程序写一下，这个开关的状态变化一次，就把继电器的状态变一下（不用管开关到底是开，还是关，只检测开关的变化）。这样不仅仅可以传统手动控制，而且手动控制之后的状态，也可以通过网络看到。

2：房间空调控制器
改造已有的空调，让其能继续使用普通遥控器遥控，也能使用网络控制。而且使用遥控器控制的结果，也能通过网络查询到.

a)通过单片机控制空调：买一个2毛钱的红外发光二极管，接在ESP8266的一个引脚上，另一脚接地。用Github上的库，即可发送命令控制空调。
b）监控空调的工作状态：找到空调遥控接收板上的红外接收管，找出数据线，焊接出来，接在ESP8266的一个引脚上，在这个脚上打开外部中断，用Github上的库分析即可。不管是通过网络控制，还是遥控器控制，这样都能取得空调工作状态。
c）监控空调的当前功率，可以更加确切的查看当前空调。而且可以查看累计耗电量，参考下一节。

3：用电功率监视器
淘宝购买“交流功率测量盒”。这个测量盒可以测量一台空调的功率，也能测量整个家庭的功率。买三个组合起来，还能测量三相动力电的功率。上节所介绍的空调控制器，每台空调都配备了一个功率计。

测量结果通过TTL串口读取出来，功率，电流，电压，电量这些信息都有。

为了统一节点的代码，上传的数据中还包含了ESP8266的MAC地址，这样每个测量节点的代码都是一样的，只要在树莓派里做个MAC地址列表，就能判断从那个节点发来的。

4：挂在家里的天气预报/时钟（有人有兴趣的话，再详细写吧。）

5：电动车充电控制器（有人有兴趣的话，再详细写吧。）

不同功能的界面：

1：家门口控制器（有人有兴趣的话，再详细写吧。）

2：挂在公司的天气预报（有人有兴趣的话，再详细写吧。）

fryefryefrye · 发表于 2021-3-17 19:49:26

decai 发表于 2021-3-17 19:42
大牛.厉害plus.
墙面的开关面板好像不是86型的.是20型的么求链接

原来图片上是买的86型遥控面板，由于无法查询状态，不能可靠控制，已经被我淘汰。

现在是这样的，挂了一个接线盒，钉在墙上，盖住了86底盒的洞。

盒子里有一块ESP8266+3个继电器。控制3个灯。上面一个普通86开关做手动控制。

盒子角落还有个距离传感器，检测到人靠近后，发消息给平板打开屏幕。

另外还控制平板的充电，保持电量在70-80%之间（平板上有APP发送电量到树莓派服务器）。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-17 19:51:03

hgq21102 发表于 2021-3-17 19:43
能否跑Modbus ，这样就简单点，跑步Modbus TCP，无线Modbus TCP

懒的弄了，整套系统通信规则很简单，就定义一组合适的数据结构对发就行了，不搞通信协议了。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-17 20:28:11

hgq21102 发表于 2021-3-17 20:00
走通信协议，开发难度降低很多，后期增加功能也很方便

我本职工作就是干通信协议的，Modbus,T103,T104,DNP.都搞了10多年了。
我不觉得把这些协议栈搞进来有什么好处。
UDP也是一种通信协议啊，而且我就是要这种无连接协议。服务端就不用维持一大堆TCP/IP连接了。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-17 23:22:50

本帖最后由 fryefryefrye 于 2021-3-18 08:42 编辑

tetgrt 发表于 2021-3-17 21:40
请教一下，
1、你手机端不采用APP，那么如果手机端控制，是否需要用浏览器，来打开网页，来实现控制呢
2、 ...

Android 和苹果手机都可以把一个网址做成一个快捷方式放在桌面上。

所需要的操作就是按一下桌面上的图标，和APP一样。就能自动打开浏览器打开控制界面。然后就可以操作。另外，操作界面里的每一个按钮，其实就是个不同的网址。其实可以直接将某个操作的网址做成快捷图标放在桌面上，比如“关闭所有空调”。解锁手机后，按一次即可。

互联网的话。电信的宽带打一个10000号，就可以申请公网IP地址。然后自己注册一个动态域名，路由器设置一个端口转发。就可以在互联网上访问了。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-19 10:37:17

digifix 发表于 2021-3-18 12:24
对空调控制和功率监测部分有兴趣

已更新主贴。简单介绍了原理，有兴趣有问题可以继续提问，我会继续更新。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-19 10:38:26

上官梦舞发表于 2021-3-18 15:54
不是啊，你建个群，我就要搞你这一套！！！树莓派什么的我都有就是没有弄成一套。用别人的服务器终究是别人 ...

不想建群，没什么人气的。有问题就在这儿回帖问吧，我会更新的。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-19 10:41:10

上官梦舞发表于 2021-3-18 15:55
sim800的可以试试用2.4G模块呢或者lora模块。

SIM800配合物联网卡，是用在50公里外的老家的一个自建房的。

那里没有宽带，地下室有一个自动抽水系统，偶尔会出故障不抽造成积水，或者抽着不停把泵烧了。

现在装了一个远程功率监控，10秒更新一次当前功率，就能看到运行状态，有问题就可以去修。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-19 10:44:06

zyyuan199 发表于 2021-3-18 20:59
树莓派服务器所有数据处理用什么语言写的？

就一个*.c文件，从main()函数开始写。树莓派的linux，直接敲一个命令，就可以把这个c文件编译成一个可执行程序，然后运行就行了。

主要就两个任务，1）处理UDP通信 2）实现简易Web服务。都是操作socket实现的。做网络编程的都懂。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-19 15:17:32

oydl82 发表于 2021-3-19 13:26
每个继电器模块都有电流电压检测模块吗？

电流电压模块每个空调装了一个。

还有一个装在整个家庭电线入户的地方。

这东西毕竟30多元一个呢，不便宜啊。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-22 22:00:21

hujj 发表于 2021-3-22 18:43
请教楼主：几个当控制面板用的手机上都是运行网页文件么？在局域网中建立了WEB服务器？ ...

树莓派上运行了一个web服务器，在家通过局域网访问，在外通过公网IP+动态域名+端口映射访问。

iPhone手机的话，就直接在桌面建立一个网址的快捷方式，和APP的图标类似，直接点击就打开浏览器并打开网页。

Android的话也可以像iPhone那样建立一个网址的快捷方式。

只不过我能够开发Android程序，于是就写了一个最简单的APP，界面上就一个控件，是个webView显示指定的网址。另外再加了一些上报手机电量，自动开屏，关屏的功能。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-23 10:30:45

本帖最后由 fryefryefrye 于 2021-3-23 10:35 编辑

tetgrt 发表于 2021-3-23 08:41
楼主fryefryefrye，怎样的条件？才能带我们跟着你做一套呢？真的想跟你做一套。希望在你有空的时候能指定 ...

总体架构介绍了，如果想做就开工呗。有问题回帖交流。

DIY作品，每个人的需求不一样的，只能靠每个人自己写代码实现。

要仿造我的这套系统，C语言必须要会的。服务端和物联网节点都是用c语言实现的。

我也是这10几年自己学出来的啊，只要有兴趣，这东西不难的。

fryefryefrye · 发表于 2021-3-23 10:38:43

本帖最后由 fryefryefrye 于 2021-3-23 10:58 编辑

ploestar 发表于 2021-3-22 21:08
是不是可以用ESP8266或esp32替换树莓派做服务器,好像没什么计算量,存储和IO数也没啥要求,主要是便宜和入门 ...

好主意，应该没问题。
我觉得可能的问题是内存消耗对于单片机来说有点高。
内存中要存储每一个节点的上传数据和下发命令。
还要存储html页面，这些也有好几K的。不过html页是静态的，不用变的。应该可以存在Flash里面，在运行的时候直接读取后发给手机。
另外就是生成页面上的可变信息的那一个“，”隔开的字符串。一般几百字节而已。
节点少的话，试试看吧。
主进程大概是这个样子。
loop()
{
handle_udp_msg(); //处理接收到的节点数据
handle_web_task(); //处理web请求
}

fryefryefrye · 发表于 2021-3-23 12:38:17

本帖最后由 fryefryefrye 于 2021-3-23 12:39 编辑

tetgrt 发表于 2021-3-23 12:00
楼主，如果涉及到代码问题，你是否愿意，指点或分享呢？

如果你是初学者的话，先买两块NodeMCU板子 +1个继电器模块吧。

先学会Arduino编程，烧进NodeMCU，控制继电器。然后去接线，尝试控制家里的灯。这就算入门单片机控制了。

上面一个同学说的很好，可以用另一块NodeMCU来代替树莓派做为服务器，便宜多了。

然后就可以尝试让两块NodeMCU板之间实现UDP通信，这样就能通过网络来控制灯了。
代码太多太复杂了，做一点，说一点吧。

fryefryefrye · 发表于 2021-4-1 16:49:51

tetgrt 发表于 2021-4-1 11:46
是否可以拿 esp32 代替树莓派做为服务器呢

ESP32+ESP8266 +stm32 这个结构模式是否可以？ ...

之前我不是说了嘛，对于初学者，买两块NodeMCU板子，其实上面就是ESP8266芯片，只是大多数引脚都引出了，DIY比较方便。

一块做物联网节点，一块当作服务器。就可以先跑起来了。

等到你觉得一块ESP8266做服务器性能不够了，就可以尝试用ESP32，或者树莓派。
STM32 你准备在这里面做什么角色？

fryefryefrye · 发表于 2021-4-2 11:29:39

tetgrt 发表于 2021-4-1 17:20
STM32 ,是准备用来，控制一些比较复杂一点的东西，
我原来打算用STM32 +7寸HMI 串口屏，用来放在客厅作 ...

其实节点没有太复杂，尤其是为了保证每个节点的稳定可靠，我故意让每个节点功能最简化。所以一般一个ESP8266搞定。

按照我的方案做的话，主控制界面是一个网页，这样非常适合手机/电脑，多平台访问。这个时候，找一台淘汰的安卓手机做为客厅主显示器就是一个最好的方案。这样大大简化了的操作界面的设计复杂度，特别是一处修改，处处可用。

我没有走MQTT协议，我觉得没这个必要。直接把节点需要交换的数据通过UDP协议直接发送就行了。

WiFi的可靠性还是稍微低一点的，偶尔无线频谱的干扰，还是会造成中断，我其实也在考虑过是否要用RS485总线机制。只是还没有很大的迫切性，而且布线也繁琐，所以没搞。如果真的搞的话，我只要给树莓派添加一个485收发器就行了。连协议都可以沿用原来UDP的数据格式。

fryefryefrye · 发表于 2021-4-2 14:45:49

本帖最后由 fryefryefrye 于 2021-4-2 14:55 编辑

tetgrt 发表于 2021-4-2 13:51
因为是刚学搞这个，很多细节的东西都不知道，在请教几个问题
1、搞这个需要什么编程工具软件的？
2、需要用 ...

硬件方面，那个8脚的别用了，麻烦。就用那个NodeMCU挺好的。如果节点要求小体积，买“ESP8266 D1”。都一样用，都是USB线插上，就可以烧录，熟悉了还可以通过wifi烧录，非常方便。

软件就是Arduino的那个IDE，用C 写代码。只是他本身的编辑器不是很好用，我一般用VS2019 或者NotePad++ 编辑代码。然后用Arduino烧录板子。
只要会C语言，就能搞定的。就是要学习一下TCP UDP通讯方面的知识。在Arduino上真的已经很简单了。
另外需要的硬件知识就是用单片机去控制所要控制的设备，比如怎么发射红外遥控信号，怎么控制继电器，采集温度，等等。

fryefryefrye · 发表于 2021-4-2 15:13:00

tetgrt 发表于 2021-4-2 13:51
因为是刚学搞这个，很多细节的东西都不知道，在请教几个问题
1、搞这个需要什么编程工具软件的？
2、需要用 ...

给你一个我的所有节点的模板文件吧。这是一个带OTA功能的模板。
我每次新搞一种类型的节点，就会把这个文件里面的xxxxx改成这个节点的种类的名字，然后改改数据读取的地方。收到数据，执行命令的地方，就可以加入物联网了。

//D0 = GPIO16;
//D1 = GPIO5;
//D2 = GPIO4; LED on esp8266
//D3 = GPIO0;can not download when connected to low
//D4 = GPIO2;
//D5 = GPIO14;
//D6 = GPIO12;
//D7 = GPIO13;
//D8 = GPIO15; can not start when high input
//D9 = GPIO3; UART RX
//D10 = GPIO1; UART TX
//LED_BUILTIN = GPIO16 (auxiliary constant for the board LED, not a board pin);
#include<ESP8266WiFi.h>
#include<WiFiUdp.h>
#include<ESP8266mDNS.h>
#include<ArduinoOTA.h>
#include<ESP8266WiFiMulti.h>
#include<time.h>
#define timezone 8
const char* ssid = ""; //Wifi名称
const char* password = ""; //Wifi密码
WiFiUDP m_WiFiUDP;
char *time_str;
char H1,H2,M1,M2,S1,S2;
//#include "datastruct.h"
//下面这两个数据结构的例子，一般放在一个H文件里面，方便和服务器的代码共用
struct tXXXXXXXXData
{
unsigned long DataType; //data type = 5
unsigned long Mac[6];
unsigned long Power; //xx.xxxx W
unsigned long TotalEnergy; //xxxxxx.xx kWh
unsigned long Volt; //xxx.x v
unsigned long Current; //xxx.xxx A
};
struct tXXXXXXXXCommand
{
unsigned long Triger;
unsigned long On;
};
tXXXXXXXXData XXXXXXXXData;
unsigned long LastServerUpdate;
unsigned long TenthSecondsSinceStart = 0;
void TenthSecondsSinceStartTask();
void OnTenthSecond();
void OnSecond();
void setup()
{
delay(50);
Serial.begin(115200);
XXXXXXXXData.DataType = 0;
WiFi.disconnect();
WiFi.mode(WIFI_STA);//设置模式为STA
byte mac[6];
WiFi.softAPmacAddress(mac);
printf("macAddress 0x%02X:0x%02X:0x%02X:0x%02X:0x%02X:0x%02X\r\n",mac[0],mac[1],mac[2],mac[3],mac[4],mac[5]);
for (byte i=0;i<6;i++)
{
XXXXXXXXData.Mac[i] = mac[i];
}
Serial.print("Is connection routing, please wait");
WiFi.begin(ssid, password); //Wifi接入到网络
Serial.println("\nConnecting to WiFi");
//如果Wifi状态不是WL_CONNECTED，则表示连接失败
unsigned char WiFiTimeOut = 0;
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
Serial.print(".");
delay(1000); //延时等待接入网络
WiFiTimeOut++;
if (WiFiTimeOut>10)
{
break;
Serial.println("\nConnecting to WiFi Failed");
}
}
//设置时间格式以及时间服务器的网址
configTime(timezone * 3600, 0, "pool.ntp.org", "time.nist.gov");
Serial.println("\nWaiting for time");
while (!time(nullptr)) {
Serial.print(".");
delay(1000);
}
Serial.println("");
ArduinoOTA.onStart([]() {
String type;
if (ArduinoOTA.getCommand() == U_FLASH) {
type = "sketch";
} else { // U_SPIFFS
type = "filesystem";
}
// NOTE: if updating SPIFFS this would be the place to unmount SPIFFS using SPIFFS.end()
Serial.println("Start updating " + type);
});
ArduinoOTA.onEnd([]() {
Serial.println("\nEnd");
});
ArduinoOTA.onProgress([](unsigned int progress, unsigned int total) {
Serial.printf("Progress: %u%%\r", (progress / (total / 100)));
});
ArduinoOTA.onError([](ota_error_t error) {
Serial.printf("Error[%u]: ", error);
if (error == OTA_AUTH_ERROR) {
Serial.println("Auth Failed");
} else if (error == OTA_BEGIN_ERROR) {
Serial.println("Begin Failed");
} else if (error == OTA_CONNECT_ERROR) {
Serial.println("Connect Failed");
} else if (error == OTA_RECEIVE_ERROR) {
Serial.println("Receive Failed");
} else if (error == OTA_END_ERROR) {
Serial.println("End Failed");
}
});
ArduinoOTA.begin();
Serial.println("Ready");
Serial.print("IP address: ");
Serial.println(WiFi.localIP());
m_WiFiUDP.begin(5050);
}
void loop()
{
ArduinoOTA.handle();
TenthSecondsSinceStartTask();
//接受服务器发来的命令
m_WiFiUDP.parsePacket();
unsigned int UdpAvailable = m_WiFiUDP.available();
if (UdpAvailable == sizeof(tXXXXXXXXCommand))
{
printf("UDP got %d bytes\r\n",UdpAvailable);
tXXXXXXXXCommand tempXXXXXXXXCommand;
m_WiFiUDP.read((char *)&tempXXXXXXXXCommand,sizeof(tXXXXXXXXCommand));
LastServerUpdate = 0;
}
}
unsigned long LastMillis = 0;
void TenthSecondsSinceStartTask()
{
unsigned long CurrentMillis = millis();
if (abs(CurrentMillis - LastMillis) > 100)
{
LastMillis = CurrentMillis;
TenthSecondsSinceStart++;
OnTenthSecond();
}
}
void OnSecond()
{
time_t now = time(nullptr); //获取当前时间
time_str = ctime(&now);
H1 = time_str[11];
H2 = time_str[12];
M1 = time_str[14];
M2 = time_str[15];
S1 = time_str[17];
S2 = time_str[18];
printf("%c%c:%c%c:%c%c\n",H1,H2,M1,M2,S1,S2);
//Serial.printf(time_str);
struct tm *timenow;
timenow = localtime(&now);
unsigned char Hour = timenow->tm_hour;
unsigned char Minute = timenow->tm_min;
//在此，每秒去读取各类数据，功率，温度之类的，并保存在下面的数据结构中
XXXXXXXXData.Volt = 100;
//每秒向服务器发送一次数据
m_WiFiUDP.beginPacket("192.168.0.17", 5050);
m_WiFiUDP.write((const char*)&XXXXXXXXData, sizeof(tXXXXXXXXData));
m_WiFiUDP.endPacket();
}
void OnTenthSecond()
{
if (TenthSecondsSinceStart%10 == 0)
{
OnSecond();
}
}

复制代码

fryefryefrye · 发表于 2021-4-2 15:39:19

tetgrt 发表于 2021-4-2 13:51
因为是刚学搞这个，很多细节的东西都不知道，在请教几个问题
1、搞这个需要什么编程工具软件的？
2、需要用 ...

你可以照着我写的例子，把UDP通信搞起来。

我准备这段时间，写一个运行在ESP8266上的服务器。

fryefryefrye · 发表于 2021-4-2 16:18:36

tetgrt 发表于 2021-4-2 16:04
明白一些，非常感谢，楼主的细心指点。那还有一点疑问的地方？
1、那么现在的系统结构是，一个NodeMCU 作 ...

是的，现在第一步，服务器和节点全部都是NodeMCU。等到有性能问题的时候，再考虑升级服务器。

服务器要设置固定IP地址，这样手机和PC都可以在家访问。通过公网IP、动态域名、网络映射也可以外网访问。

我刚才大概研究了一下ESP8266做服务器的方案：
1：ESP8266 带有文件储存区域，html文件模板上传到这个区域。
2：有一个现成的类，叫做ESP8266WebServer，可以直接使用，实现web服务。

已经很简单了。
你可以看看https://cloud.tencent.com/developer/article/1668549。

我有时间写一个来开源。

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