描述

我正計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)廉價(jià)的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。我希望這是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，這樣我就可以不斷地向其中添加傳感器和設(shè)備，而無(wú)需進(jìn)行太多更改。WARAN（Windows IoT、A zure、R aspberry Pi、A rduino、N RF24L01+）是一個(gè)模塊化的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，由一個(gè) Hub 和多個(gè)模塊組成。該模塊將結(jié)合微控制器和傳感器，從房屋的不同位置收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)射頻將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊€器。集線器和模塊之間的所有通信都通過(guò) RF 進(jìn)行。Hub 還將有一個(gè)配套的 Windows Phone 應(yīng)用程序。這是一個(gè)解釋設(shè)置的簡(jiǎn)單流程圖。

為什么選擇 Windows 物聯(lián)網(wǎng)？

我是一名軟件開(kāi)發(fā)人員，目前正在涉足 IoT。憑借我之前使用 XAML/C# 和 Visual Studio（我認(rèn)為這是有史以來(lái)最好的 IDE）的經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)我快速實(shí)現(xiàn)這些非常有幫助。

為什么是 NRF24L01+？

當(dāng)我研究無(wú)線選項(xiàng)時(shí)，NRF24L01+ 是一種廉價(jià)且低功耗的解決方案。有了一些非常強(qiáng)大的庫(kù)，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(xué)習(xí)和適應(yīng)。由于啟動(dòng)服務(wù)所需的配置很少，我們可以更多地關(guān)注開(kāi)發(fā)而不是配置和部署。我之前使用 Azure 的經(jīng)驗(yàn)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(gè)中央控制中心。它由 RPI2、Arduino Uno 和 nRF24L01+ 組成。RPI2 運(yùn)行 Windows IoT Core。它運(yùn)行一個(gè)通用應(yīng)用程序作為控制中心。集線器將連接到一個(gè)大顯示器（通常是電視或監(jiān)視器），通過(guò)它我們可以看到來(lái)自模塊的數(shù)據(jù)并控制模塊。連接到 RPI2 的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)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(xiàng)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(yùn)作的？

每個(gè)模塊都有一個(gè)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(gè)模塊，并為該模塊命名。添加后，控制中心（通用應(yīng)用程序）將通過(guò) I2C 向 Arduino Uno 發(fā)送數(shù)據(jù)。Arduino Uno 將通過(guò) nRF24L01+ 向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，模塊從傳感器讀取數(shù)據(jù)或根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)啟動(dòng)/停止設(shè)備，并將數(shù)據(jù)發(fā)送回 Arduino Uno。Arduino Uno 將通過(guò) I2C 將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。這些數(shù)據(jù)將顯示在電視/顯示器中，并發(fā)送到云端。Arduino Uno 將充當(dāng) RPI2 的接口，以從其他模塊獲取傳感器數(shù)據(jù)。上面的過(guò)程會(huì)在三種情況下發(fā)生

1. 在特定的時(shí)間間隔取決于模塊
2. 當(dāng)用戶與控制中心交互時(shí)（通過(guò)鼠標(biāo)/鍵盤(pán)）
3. 當(dāng)從云端發(fā)送觸發(fā)器時(shí)（針對(duì) PubNub）

這是一個(gè)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(yùn)行的通用應(yīng)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(dòng)服務(wù)和 PubNub 作為其云后端。我們添加的每個(gè)模塊信息都將本地存儲(chǔ)在 sqlite db 中，并發(fā)送到 azure 移動(dòng)服務(wù)。這將依次向移動(dòng)應(yīng)用程序發(fā)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(tuán)糟。項(xiàng)目源代碼、文檔和部署細(xì)節(jié)可以在?https://bitbucket.org/arjunganesan/waran中找到?（我正在全面更新文檔，很快就會(huì)完成）。這就是控制中心的工作方式

移動(dòng)應(yīng)用程序

移動(dòng)應(yīng)用程序是一個(gè) Windows Phone 應(yīng)用程序（稍后將針對(duì)其他平臺(tái)開(kāi)發(fā)），它將作為中心的配套應(yīng)用程序。我們可以在世界任何地方的移動(dòng)設(shè)備中看到所有與傳感器相關(guān)的數(shù)據(jù)。如果從模塊獲得任何重要信息（例如氣體泄漏監(jiān)測(cè)模塊的氣體泄漏警報(bào)），我們也會(huì)收到推送通知。我們也可以從手機(jī)本身觸發(fā)模塊上的一些動(dòng)作（比如在植物飲水器模塊上啟動(dòng)泵）。由于所有這些都是通過(guò)云發(fā)生的，因此無(wú)需在集線器附近的任何地方放置移動(dòng)設(shè)備即可執(zhí)行所有這些操作。

這是移動(dòng)應(yīng)用程序的外觀

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模塊

該模塊是協(xié)同工作的組件組合，通過(guò) RF 與 Hub 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。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(guò) RF 從集線器接收數(shù)據(jù)/命令并做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。這為模塊提供了無(wú)限的可能性。首先我要添加 2 個(gè)模塊

1. 植物飲水器
2. 溫度監(jiān)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(shè)備。但是我沒(méi)有處理這些的經(jīng)驗(yàn)，所以我不想介入危險(xiǎn)區(qū)域，所以我還沒(méi)有在我的項(xiàng)目中使用它。那些在處理繼電器方面有豐富經(jīng)驗(yàn)的人請(qǐng)隨意擴(kuò)展電路，其他人如果想在其中工作，請(qǐng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

植物飲水器

植物飲水器將監(jiān)測(cè)植物中的水位以及植物周?chē)h(huán)境的溫度。如果沒(méi)有足夠的水，則會(huì)向移動(dòng)應(yīng)用程序發(fā)送警報(bào)。我們可以從任何地方通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序啟動(dòng)泵。我們還可以將其配置為在水位低于閾值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)水泵。它由 Arduino Pro Mini、DHT11、土壤濕度計(jì)和 nRF24L01+ 組成。這是電路圖（參考項(xiàng)目中的PlantWaterer.fzz）

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植物飲水器電路

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來(lái)自 9V 電池的電源進(jìn)入 Arduino Pro Mini 的 RAW 引腳。arduino 中的內(nèi)置穩(wěn)壓器將在 Vcc 中提供 5V 輸出。我們將使用它來(lái)驅(qū)動(dòng) DHT11。我們還提供 9V 電源作為 3.3V 穩(wěn)壓器的輸入，我們將使用它為 nRF24L01+ 供電。濕度計(jì)的水位將在模擬引腳 A3 上讀取。DHT11 的溫度讀數(shù)將在數(shù)字引腳 6 中讀取。在數(shù)字引腳 5 中，我們將向晶體管或繼電器發(fā)送信號(hào)，我們使用它們來(lái)啟動(dòng)停止泵。出于演示目的，我將使用直流泵并將晶體管用作開(kāi)關(guān)。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(zhuǎn)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(jiān)控器

溫度監(jiān)控器將監(jiān)控房間（例如臥室）的溫度，并隨時(shí)發(fā)布溫度和濕度水平。我們還可以從集線器或移動(dòng)設(shè)備打開(kāi)/關(guān)閉或調(diào)整設(shè)備（恒溫器、交流電等）。為了演示，我將關(guān)閉/打開(kāi)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(lái)自 9V 電池的電源進(jìn)入 Arduino Pro Mini 的 RAW 引腳。arduino 中的內(nèi)置穩(wěn)壓器將在 Vcc 中提供 5V 輸出。我們將使用它來(lái)驅(qū)動(dòng) DHT11。我們還提供 9V 電源作為 3.3V 穩(wěn)壓器的輸入，我們將使用它為 nRF24L01+ 供電。DHT11 的溫度和濕度讀數(shù)將在數(shù)字引腳 5 中讀取。在引腳 6 中，我們將向晶體管或繼電器發(fā)送信號(hào)，我們使用它們開(kāi)始停止設(shè)備（例如恒溫器、交流電等）。出于演示目的，我將使用 LED 燈來(lái)顯示設(shè)備的關(guān)閉/打開(kāi)。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(jù)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(wèn)題

• 電源 - 兩個(gè)模塊的電池會(huì)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)耗盡。需要找到一種高效的便攜式電源。我計(jì)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(huì)更高。我以前關(guān)于 attiny 的文章可以在這里找到。
• I2C 并發(fā) - 如果 RPI2 一次向 Arduino uno 發(fā)送 2 線請(qǐng)求，則其中一個(gè)失敗。我正在研究避免這種情況的方法，并嘗試實(shí)施重試機(jī)制。
• 單向通信——現(xiàn)在集線器發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，模塊響應(yīng)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(fā)送請(qǐng)求的情況下將數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)據(jù)。但是，如果您想增加范圍，請(qǐng)將集線器中的 nRF24L01 替換為具有外部天線的 NRF24L01+PA+LNA。
• 安全性——因?yàn)檫@是在由開(kāi)發(fā)人員擁有的假設(shè)下開(kāi)發(fā)的，所以我沒(méi)有添加任何身份驗(yàn)證機(jī)制。如果需要，您可以利用 Azure 移動(dòng)服務(wù)的身份服務(wù)將 Microsoft、FB、Twitter、Google 身份驗(yàn)證集成到移動(dòng)應(yīng)用程序和中心。

未來(lái)的計(jì)劃

我想把它作為一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，供人們實(shí)現(xiàn)自己的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。我將穩(wěn)定 Hub 和移動(dòng)應(yīng)用程序。我想向該項(xiàng)目添加更多模塊。基于語(yǔ)音的命令和響應(yīng)也在路線圖中。現(xiàn)在我正在研究以下模塊

• 氣體泄漏傳感器
• 入侵探測(cè)器
• 設(shè)備控制器（例如咖啡機(jī)控制器、燈控制器等）
• 車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟器?
• 一些可穿戴模塊
• 沒(méi)有硬件的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)（天氣、Azure 邏輯應(yīng)用程序、股票報(bào)告等）
• 在集線器范圍之外工作并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與其通信的模塊（例如汽車(chē)追蹤器、寵物追蹤器、計(jì)步器等）

所有這些模塊組合在一起并通過(guò)集線器作為一個(gè)單元工作，將為我提供我一直想要擁有的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。我將繼續(xù)在 hackster 中將新模塊作為單獨(dú)的項(xiàng)目添加。歡迎大家添加新模塊和擴(kuò)展。將更新有關(guān)如何向項(xiàng)目添加新模塊的 wiki 頁(yè)面。