使用 Raspberry Pi 构建家庭恒温器

我和妻子于 2020 年 10 月搬入新家。天气开始变冷后，我们意识到房屋老旧供暖系统的一些缺点（包括一个始终开启的供暖区）。我们在之前的房子里用过 Nest 恒温器，而目前的设置远不如以前方便。我们房子里有多个恒温器，有些设置了编程供暖时间表，有些设置了不同的时间表，有些则根本没有时间表。

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^{房屋的前任主人留下了说明，解释了一些恒温器的工作原理。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

是时候做出改变了，但房子有一些限制

• 它建于 1960 年代后期，并在 90 年代进行了翻新。
• 供暖方式为水力供暖（热水踢脚线暖气）。
• 它有六个恒温器，对应六个供暖区。
• 每个恒温器只有两根电线用于供暖（红色和白色）。

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^{炉子上的 Taco（发音为 TAY-KO）区域阀。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

购买还是自建？

我想要所有供暖区的“智能”恒温器控制（时间表、自动化、在家/离家等）。如果我想购买现成的产品，我有几个选择，但所有这些选择都有缺点

选项 1：Nest 或 Ecobee

• 价格昂贵：没有智能恒温器可以处理多个区域，所以我每个区域都需要一个（约 200 美元*6 = 1200 美元）。
• 很困难：我必须重新铺设恒温器电线才能获得臭名昭著的 C 线，它为恒温器提供持续电力。电线每根长 20 到 100 英尺，在墙内，并且可能用钉子钉在立柱上。

选项 2：电池供电的恒温器，例如 Sensi WiFi 恒温器

• 电池只能持续一两个月。
• 在仅电池模式下，它与 HomeKit 不兼容。

选项 3：商用现成恒温器，但只有一种（有点）：霍尼韦尔 TrueZONE 

• 它很旧且支持不力（于 2008 年发布）。
• 价格昂贵——仅控制器就超过 300 美元，并且您需要一个 RedLINK 网关 才能使用一个蹩脚的应用程序。

获胜者是…… 

选项 4：自己构建！

我决定构建自己的多区域智能恒温器，我将其命名为 ThermOS。

• 它集中在炉子上（您只需要一个设备，而不是六个）。
• 它使用现有的墙内恒温器电线。
• 它与 HomeKit 兼容，并具有自动化、计划、在家/离家等功能。
• 而且……它很有趣？是的，有趣……我想是吧。

ThermOS 硬件

我知道我想使用 Raspberry Pi。由于它们变得如此便宜，我决定使用 Raspberry Pi 4 Model B 2GB。我相信我可以使用 Raspberry Pi Zero W，但这将用于未来的修订版。

以下是我使用的所有部件的完整列表

我开始在 draw.io 上绘制硬件图，并意识到我缺少一些关于炉子的关键知识。我打开侧面板，找到了降压变压器，它将 120V 电源线转换为 24V，用于供暖系统。如果您的供暖系统与我的类似，您会看到 Taco 区域阀之间有很多跳线。Taco 上的端子 3 跳接到我所有的区域阀上。这是因为有多少阀门开启/打开并不重要——它只控制循环泵。如果一个到五个阀门的任意组合是打开的，它应该打开；如果没有阀门打开，它应该关闭……就这么简单！

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^{使用一个区域的 ThermOS 架构。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

从本质上讲，恒温器只是一种开关。一旦恒温器内部的热敏电阻（温度传感器）检测到较低的温度，开关就会闭合，从而完成 24V 电路。这个项目没有在每个房间都安装恒温器，而是将所有恒温器都放在炉子旁边，以便可以使用八个继电器中的六个，通过继电器模块控制所有六个区域阀。Raspberry Pi 充当恒温器的大脑，并独立控制每个继电器。

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^{使用 Raspberry Pi 和 Python 手动设置继电器。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

下一个问题是如何从每个房间获取温度读数。我可以在每个房间安装一个无线温度传感器，在 Arduino 或 Raspberry Pi 上运行，但这可能会变得昂贵且复杂。相反，我想重复使用墙内现有的恒温器电线，但仅用于温度传感器。

“单线” DS18B20 温度传感器似乎很适合

• 它的精度为 +/- 0.5°C 或 0.9°F。
• 它使用“单线”协议进行数据传输。
• 最重要的是，DS18B20 可以使用“寄生供电”模式，在这种模式下，它只需要两根电线用于供电和数据传输。友情提示……几乎所有市面上的 DS18B20 都是 假冒产品。我购买了一些（希望它们是真的），但当我尝试使用寄生供电时，它们无法工作。然后我从 Mouser.com 购买了真正的产品，它们就像魔法一样工作！

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^{三个 DS18B20 使用寄生供电连接在同一 GPIO 总线上。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

从面包板和所有本地组件开始，我开始编写代码来与所有组件交互。在我验证了这个概念之后，我将现有的墙内恒温器电线添加到混合中。我通过该设置获得了稳定的读数，因此我着手使它们更精细一些。在我的父亲（自称“足够好”的焊工）的帮助下，我们将引线焊接到三针螺钉端子上（以避免传感器过热），然后将传感器连接到端子中。现在可以使用接线螺母将传感器连接到现有的墙内布线。

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^{DS18B20 使用现有电线连接到旧的恒温器位置。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

我仍在“美化”我的温度传感器墙壁支架，但我已经经历了几个 3D 打印修订版，我认为我快完成了。

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^{我从 Nest 风格的支架开始，然后改为齐平安装风格。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

ThermOS 软件

像往常一样，编写逻辑并不难。但是，决定应用程序架构和框架是一个令人困惑、耗时数天的过程。我首先评估了像 PiHome 这样的开源项目，但它依赖于特定的硬件并且是用 PHP 编写的。我是 Python 爱好者，并决定从头开始编写自己的 REST API。

由于 HomeKit 集成非常重要，我想我最终会编写一个 HomeBridge 插件来集成它。我没有意识到有一个名为 HAP-Python 的完整 Python HomeKit 框架实现了配件协议。它帮助我在 30 分钟内获得了概念验证，并通过我的 iPhone 的 Home 应用程序进行了控制。

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^{Apple HomeKit 集成的初始版本，借助 HAP-Python 框架。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

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^{ThermOS 软件架构（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

其余的“温度”逻辑相对简单，但我想重点介绍我最初遗漏的一个部分。我的代码运行了几天，我正在研究硬件，这时我注意到我的继电器每隔几秒钟就会打开和关闭。这种“短周期”不一定有害，但肯定效率不高。为了避免这种情况，我添加了一些阈值，以确保只有在 +/- 0.5°C 时才切换加热。

这是阈值逻辑（您可以在注释中看到 橡皮鸭调试法）

# check that we want heat
if self.target_state.value == 1:
    # if heat relay is already on, check if above threshold
    # if above, turn off .. if still below keep on
    if GPIO.input(self.relay_pin):
        if self.current_temp.value - self.target_temp.value >= 0.5:
            status = 'HEAT ON - TEMP IS ABOVE TOP THRESHOLD, TURNING OFF'
            GPIO.output(self.relay_pin, GPIO.LOW)
        else:
            status = 'HEAT ON - TEMP IS BELOW TOP THRESHOLD, KEEPING ON'
            GPIO.output(self.relay_pin, GPIO.HIGH)
    # if heat relay is not already on, check if below threshold
    elif not GPIO.input(self.relay_pin):
        if self.current_temp.value - self.target_temp.value <= -0.5:
            status = 'HEAT OFF - TEMP IS BELOW BOTTOM THRESHOLD, TURNING ON'
            GPIO.output(self.relay_pin, GPIO.HIGH)
        else:
          status = 'HEAT OFF - KEEPING OFF'

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^{阈值允许更长时间的关闭加热。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

我实现了我的最终目标——能够通过手机控制所有功能。

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^{作为 HomeKit Hub 的 ThermOS（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

将我的 ThermOS 放入午餐盒

我的概念验证非常混乱。

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^{ThermOS 控制单个区域（之前）（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

随着软件和通用硬件设计到位，我开始考虑如何以更持久和精细的形式封装所有组件。永久安装的主要考虑因素之一是使用带有 DuPont 跳线的面包板。我订购了一些可焊接面包板和一个螺钉端子扩展板（感谢 @arduima 提供的 Raspberry Pi GPIO 引脚）。

这是带有支架和外壳的可焊接面包板的进度图。

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^{（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

这是安装在锅炉房中的样子。

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^{ThermOS 已安装（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

现在我只需要整理和标记电线，然后我就可以开始将剩余的恒温器更换为 ThermOS。接下来我将开始我的下一个项目：用于中央空调的 ThermOS。

本文最初发表于 Medium，经许可转载。