【训练营_进阶班】创新物联网智能插座 - 嘉立创EDA开源硬件平台

# **创新物联网智能插排（附视频、教程）** # 一图胜千言   # 功能特点 ## 开关功能 * 支持**四路**开关独立控制，控制自由度更高 * 支持定时开关控制，更加智能 * 支持GoogleAssistant等**语音助手**操作，方便快捷 * 按键可控制开关和空调 ## 监视功能 * 支持检测**环境温湿度** * 支持**按键操作**显示四路开关状态 * （已遗弃 待迭代）支持功率检测 ## 其它功能 * 支持**作为红外遥控器**，控制其它红外设备（空调、电视、投影仪等），让非智能设备的远程控制成为可能 * 支持手机APP**一键配网** * 支持IFTTT场景自动化 * 支持**OTA固件升级** * 接入HomeAssistant**私有物联网平台**，支持多平台App以及网页客户端，公网HTTPS访问 # 技术特点 ##### 该产品以实际应用为标准进行设计 - - - * 支持100-240V超宽电压，更适合全球使用；即插即用，无需外接其它供电电源 * PCB设计紧凑，精简小巧(7.43cm * 6.56cm)，便于嵌入插排内，配合外壳以及单根铜线（或铜片）连接到插排母座 * 红外遥控功能支持使用标准38kHz的设备（空调、电视等），后续迭代可增加遥控学习功能 * 更侧重商业化产品设计：PCB上不引出GPIO、不设计USB-TTL串口等实际应用无关电路、仅保留调试用测试点 * 温湿度传感器采用母座或飞线，能够更好地将传感器暴露在环境中从而保证采集精度，湿度误差+-3%RH，温度误差+-0.3°C * 软件支持OTA(Over The Air)固件升级，用户可以轻松通过操作客户端对设备进行升级，云端也可以及时修复软件重大漏洞 * 一键配网技术基于espressif的SmartConfig Demo ## 硬件选型 | 类型 | 型号 | 优势 | 成本 | | --- | --- | --- | --- | | 主控+Wifi | ESP8266-12F | 具有较高的主频与较强的处理性能，同时成本低廉，十分适合在节点类智能设备使用 | ￥8.86 | | AC-DC | HLK-PM01 | 具有5V@3W的强大输出能力，输出电压、纹波等十分稳定，可以胜任驱动四个继电器的角色 | ￥19.29 | | LDO | SPX3819M5-L-3-3/TR | 相对于AMS1117，它节约了相当大的空间，同时500mA的输出能力足以应对大功率的射频电路 | ￥0.86 | | 驱动 | NUD3105DMT1G | 超小封装的感性驱动器，节省了相同原理的双MOS占用的极大体积 | ￥1.66 * 2 | | 驱动 | 74LVC2G14GW | 反相器，防止主控复位时误触发继电器误吸合 | ￥0.37 * 2 | | 传感器 | ****ACS715ELCTR-05B-T | 基于霍尔效应的传感器，具有超高的响应频率（可惜误解了Vout的VCC/2的偏置电压） | ￥12.21 | | 传感器 | SHT30 | 具有较低温漂和较高精确度的温湿度传感器，有极快的响应速度 | ￥11.30 | | 继电器 | SRD-DC5V-SL-C | 松乐是有二十多年历史的专业继电器厂，品质经过德国、美国、中国等其它国家的权威认证 | ￥2.11 * 4 | ## 人机交互 ### 语音控制 目前支持GoogleAssistant语音控制如下部分功能： * 打开关闭空调 * 设定空调温度 * 打开关闭灯 * 打开关闭单个或全部开关  ### 客户端 对于用户操作体验，一个好用的客户端和界面同样不容小觑。这里采用开源的HomeAssistant项目，它支持接入一些第三方企业未知协议的物联网设备甚至车辆。 * 秒响应，秒启动客户端操作界面；支持HTTPS访问，更安全 * 高度支持UI自定义 * 支持MQTT协议的自定义设备 * 支持IFTTT、场景等常见智能家居功能  ### 服务器 为了应对各种复杂的网络环境以及MCU在应对网络协议时存在较吃力的情况，我们选择MQTT协议来保证信号的高效、快速、稳定传输。 众所周知MQTT协议中MQTT的服务器非常关键。它负责了来自设备、用户的订阅、发布信息的转发，因此是一个关键的中转中枢。这里选择国人开发的EMQ MQTT服务器。 运行环境为Debian10，服务运行故障率极低。 * 支持公网设备访问MQTT服务器 * 具有图形化管理界面，方便调试和管理订阅、主题、客户端等  ## 其它 ### 更深入的测试 为了能够让智能设备应对更复杂的实际应用环境，更苛刻的网络条件，我模拟了一些实际可能存在的故障并做出的一些解决方案 * 没有Wifi/不想配网：防止设备无Wifi时一些应用无法联网而抛出exception * 无Internet：防止MQTT无法连接到服务器后死循环，无法喂狗导致WDT复位 * 人机体验优化：防止按钮操作后，平台延迟接收到状态信息 * Bug修复：脱发 ### 存在的缺陷 由于只是第一版PCB，还没有进行迭代，因此存在一些最初考虑的功能没有实现 * ACS712电流传感器目前因偏置电压的原因超出ESP8266的ADC范围，导致无法测量 * 指示Led和红外Led复用同一个GPIO，今后扩展功能可能会限制Led的指示功能丰富性 * 按键所在的GPIO2会影响ESP8266启动模式的选择。因此当上电时用户按住了按键，可能会影响产品使用，影响用户体验 * 目前ESP8266的GPIO几乎全部用完，但今后调试完毕可以禁用串口以增加两个GPIO # 开发环境 ## PCB绘制 采用高效、永久免费的国产PCB设计工具：立创EDA。在当下多人协作如此重要的阶段，立创EDA对于小团队开发速度进度有了极大程度上的提升。此外，相对于其它大型PCB绘制软件，它具有环境配置要求极低的优势，对于新手极其友好，可以快速上手，省略了一些不常用的参数以及预置一些常用的参数。  ## 软件开发 主控采用安信可的ESP8266-12F/S模块，具有主频高、工作稳定、成本极低等优势，将WiFi及MCU合二为一，极大地提高了开发者的开发效率。上位机环境可选择espressif基于eclipse的IDE，也可使用Arduino对ESP8266的兼容库。受限于学习时间成本，这里选择后者。同时，通OSHWhub一样，它也具有较庞大的开源社区，降低了开发的难度。  # 演示视频 ### 请见页尾 ### 注：视频中配网用到的EBeam智能家居APP基于ESP Touch开发，已在附件中分享 # 心得体会 通过这次立创EDA组织的训练营，让我更全面地接触了立创EDA，相对于其它大型PCB设计软件，它轻量、免费、开发应用省时省力，帮助我们初学者快速入门，尽可能省下一些本无需浪费的时间.此外，这也是我第一次设计强电应用，几乎也是第一次实战设计实际（商业）应用。同时感谢训练营本次机会，让我接触更多IOT平台、认识更多IC、更多实用的网站。 # 技术分享（硬核教程） * 物理资源需求：闲置PC或树莓派，本教程对PC有较强针对性；当然你也可以选择阿里云轻量应用服务器，它们都足以应付该实例应用 * 系统环境需求：deb系，建议Debian9 / Debian10 ## 基本环境搭建 ### Docker环境安装 * Docker引擎安装教程：详情参见[教程](https://www.runoob.com/docker/debian-docker-install.html)，“使用官方安装脚本自动安装”和“手动安装”二选一即可 ``` $ curl -fsSL https://get.docker.com | bash -s docker --mirror Aliyun ``` * Portainer安装教程：详情参见[官方文档](https://portainer.readthedocs.io/en/latest/deployment.html) ``` $ docker volume create portainer_data $ docker run -d -p 9000:9000 --name portainer --restart always -v /var/run/docker.sock:/var/run/docker.sock -v portainer_data:/data portainer/portainer ``` 注：Portainer是一个图形化的管理界面，方便通过web管理Docker（http://your-server-ip:9000/），非必需 ### EMQ MQTT服务器安装 * MQTT服务器的安装有两个方案，安装在Docker内和不依赖Docker引擎。大多数情况下我推荐前者，但对于我的环境安装于Docker内会抽风无法启动 * Docker环境安装：详情参见[官方文档](https://docs.emqx.net/enterprise/latest/cn/getting-started/install-ee.html#Docker) * 不依赖Docker安装：详情参见[官方文档](https://docs.emqx.net/enterprise/latest/cn/getting-started/install-ee.html#ubuntu)，向下滚动找到“Debian”的“使用储存库安装 EMQ X”，实测支持Debian10 ``` $ sudo apt update && sudo apt install -y \ apt-transport-https \ ca-certificates \ curl \ gnupg-agent \ software-properties-common $ curl -fsSL https://repos.emqx.io/gpg.pub | sudo apt-key add - $ sudo add-apt-repository \ "deb [arch=amd64] https://repos.emqx.io/emqx-ee-ce/deb/debian/ \ $(lsb_release -cs) \ stable" $ sudo apt update $ sudo apt install emqx-ee $ emqx start $ sudo systemctl start emqx $ sudo service emqx start ``` ### EMQ MQTT服务器配置 * 安装完成后，你就可以通过http://your-server-ip:18083/来访问EMQ MQTT的后台 * 建议在左侧菜单中选择最底的通用->用户，新建一个用户以备使用 ### HomeAssistant安装 * 针对PC(Docker环境)：详情参见[官方文档](https://www.home-assistant.io/docs/installation/docker/) ``` $ docker run -d --name="home-assistant" -v /PATH_TO_YOUR_CONFIG:/config -v /etc/localtime:/etc/localtime:ro --net=host homeassistant/home-assistant:stable ``` 注：命令中的“/PATH\_TO\_YOUR\_CONFIG”修改为你物理机中想**保存数据的目录**，例如“/root/hassdata” * 针对树莓派：详情参见[官方文档](https://www.home-assistant.io/getting-started/) ### HomeAssistant配置 * 安装完成后，你就可以通过http://your-server-ip:8123/来访问HomeAssistant的后台 * HomeAssistant的配置主要通过修改**保存数据的目录**下的“configuration.yaml”配置文件实现，因此你需要对yaml有浅层次[了解](https://www.runoob.com/w3cnote/yaml-intro.html)才能对它进行修改，当你不确定时，请先备份原文件 * 分享我的部分配置文件，Copy后从后台重启应该就能使用了 ``` default_config: sensor: - platform: mqtt name: "次卧温度" state_topic: "home/secbedroom/temp" unit_of_measurement: '°C' - platform: mqtt name: "次卧湿度" state_topic: "home/secbedroom/humi" unit_of_measurement: '%RH' climate: - platform: mqtt name: 次卧空调 fan_modes: - "auto" - "quiet" - "1" - "2" - "3" - "4" - "5" - "turbo" swing_modes: - "off" - "on" mode_command_topic: "home/secbedroom/ac/modectrl" mode_state_topic: "home/secbedroom/ac/modestat" temperature_command_topic: "home/secbedroom/ac/tmpctrl" temperature_state_topic: "home/secbedroom/ac/tmpstat" fan_mode_command_topic: "home/secbedroom/ac/fanctrl" fan_mode_state_topic: "home/secbedroom/ac/fanstat" swing_mode_command_topic: "home/secbedroom/ac/vswingctrl" swing_mode_state_topic: "home/secbedroom/ac/vswingstat" current_temperature_topic: "home/secbedroom/appatemp" min_temp: 16 max_temp: 30 temp_step: 1 retain: false switch: - platform: mqtt name: "插排开关1" command_topic: "home/secbedroom/socket/relay1ctrl" state_topic: "home/secbedroom/socket/relay1stat" - platform: mqtt name: "插排开关2" command_topic: "home/secbedroom/socket/relay2ctrl" state_topic: "home/secbedroom/socket/relay2stat" - platform: mqtt name: "插排开关3" command_topic: "home/secbedroom/socket/relay3ctrl" state_topic: "home/secbedroom/socket/relay3stat" - platform: mqtt name: "插排开关4" command_topic: "home/secbedroom/socket/relay4ctrl" state_topic: "home/secbedroom/socket/relay4stat" automation: !include automations.yaml group: !include groups.yaml script: !include scripts.yaml scene: !include scenes.yaml ``` * HomeAssistant支持众多功能，[官方资料](https://www.home-assistant.io/integrations/)等你来玩 ### Arduino项目源码 * 源码还在完善中！听说点赞+收藏+评论催更可以提高速度哦！