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

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。）

decai

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

hgq21102

能否跑Modbus ，这样就简单点， 跑步Modbus  TCP，无线Modbus  TCP

fryefryefrye

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

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。

hgq21102

fryefryefrye 发表于 2021-3-17 19:51
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。 ...

走通信协议，开发难度降低很多，后期增加功能也很方便

fryefryefrye

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。

tetgrt

楼主，就是强，非常有难度的。

tetgrt

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、如果在互联网情况下，怎样实现控制呢？

俊输

高端玩法，学不会

fryefryefrye

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。

数码家园

这个太牛了，有技术就是玩的好

digitking

土豪，这么多房间

digifix

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

只要能连就必然有协议。

digifix

对空调控制和功率监测部分有兴趣

上官梦舞

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的。就是想搞成你这样的。

上官梦舞

sim800的可以试试用2.4G模块呢或者lora模块。

hbliwww

太复杂，学不来，:sweat:

pcbboy1991

感觉这个需要不少的编程基础啊，看着楼主娓娓道来，其实工作量不少啊，对于对网络没有基础的人来说入门挺难哦。。。

zyyuan199

树莓派服务器所有数据处理用什么语言写的？