使用树莓派构建家庭恒温器

我和我的妻子于 2020 年 10 月搬进了一栋新房子。天气一转冷，我们就意识到房子里旧式供暖系统的一些缺点（包括一个始终开启的供暖区域）。我们在之前的房子里使用 Nest 恒温器，目前的设置远不如以前方便。我们的房子里有多个恒温器，有些有编程的供暖计划，有些有不同的计划，有些则根本没有计划。

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^{房子的前任主人留下了关于某些恒温器如何工作的说明。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

现在是做出改变的时候了，但这栋房子有一些限制

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

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^{位于熔炉的 Taco (发音为 TAY-KO) 区域阀。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

购买还是构建？

我想要所有供暖区域的“智能”恒温器控制（计划、自动化、家庭/离开等）。如果我想购买现成的产品，我有几个选择，但它们都有缺点

选项 1：Nest 或 Ecobee

• 它很昂贵：没有智能恒温器可以处理多个区域，所以我需要每个区域一个（约 200 美元 * 6 = 1200 美元）。
• 它很困难：我必须重新连接恒温器电线以获得臭名昭著的 C 线，它可以为恒温器提供持续的电力。这些电线每根长度为 20 到 100 英尺，位于墙内，并且可能用订书钉固定在立柱上。

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：商业现成恒温器，但只有一种存在（某种程度上）：霍尼韦尔的 TrueZONE 

• 它很旧且支持不力（它于 2008 年发布）。
• 它很昂贵——仅控制器就超过 300 美元，并且您需要一个 RedLINK 网关才能使一个糟糕的应用程序工作。

所以，赢家是…… 

选项 4：构建我自己的！

我决定构建我自己的多区域智能恒温器，我将其命名为 ThermOS。

• 它集中在熔炉处（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，具有完整的自动化、计划、家庭/离开等功能。
• 并且……它很有趣吗？是的，有趣……我想。

ThermOS 硬件

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

这是我使用的所有零件的完整列表

我开始在 draw.io 上绘制硬件图，并意识到我缺乏关于熔炉的一些关键知识。我打开侧面板，找到了降压变压器，它将 120V 电线转换为 24V，用于供暖系统。如果您的供暖系统和我的一样，您会看到 Taco 区域阀之间有很多跳线。Taco 上的端子 3 跳接在我所有的区域阀上。这是因为有多少个阀门打开/关闭并不重要——它只是控制循环泵。如果一个到五个阀门的任何组合是打开的，它应该打开；如果没有阀门打开，它应该关闭……很简单！

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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，并完成 24V 电路。该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熔炉旁边，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。树莓派充当恒温器的大脑，并独立控制每个继电器。

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^{使用树莓派和 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。我可以在每个房间里安装一个使用 Arduino 或树莓派的无线温度传感器，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 温度传感器似乎符合要求

• 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“寄生电源”模式，它只需要两根电线用于电源和数据。请注意……几乎所有的 DS18B20 都是 假冒的。我购买了一些（希望它们是正品），但当我尝试使用寄生电源时，它们无法工作。然后我从 Mouser.com 购买了真正的产品，它们运行良好！

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^{使用寄生电源在同一 GPIO 总线上连接的三个 DS18B20。（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进行交互。一旦我验证了这个概念，我就将现有的墙内恒温器电线添加到组合中。我通过该设置获得了稳定的读数，所以我开始使它们更加完善。在我的 父亲（自称是“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上。现在，传感器可以使用电线螺母连接到现有的墙内电线上。

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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”我的温度传感器壁挂架的过程中，但我已经经历了几个 3D 打印版本，我认为我快完成了。

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^{我从 Nest 风格的支架开始，一直到齐平式支架。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

ThermOS 软件

和往常一样，编写逻辑并不是难点。但是，确定应用程序架构和框架是一个令人困惑的，持续多天的过程。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 的粉丝，并决定从头开始编写我自己的 REST API。

由于 HomeKit 集成非常重要，我认为我最终会编写一个 HomeBridge 插件来集成它。我没有意识到有一个完整的 Python HomeKit 框架叫做 HAP-Python 实现了配件协议。它帮助我在 30 分钟内启动并运行了一个概念验证，并通过我的 iPhone 的 Home 应用程序进行控制。

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^{Apple HomeKit 集成的初始版本，在 HAP-Python 框架的帮助下。（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“临时”逻辑相对简单，但我想强调我最初错过的一个部分。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一次。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 +/- 0.5C° 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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^{阈值允许更长的时间间隔内关闭加热。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

我实现了我的最终目标——能够通过我的手机控制所有内容。

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

将我的 ThermOS 放在午餐盒里

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）}

有了软件和通用硬件设计，我开始考虑如何将所有组件以更永久和精致的形式封装起来。对于永久安装，我主要担心的是使用带有杜邦跳线的面包板。我订购了一些可焊接面包板和一个螺钉端子排扩展板（感谢@arduima 提供的 Raspberry Pi GPIO 引脚）。

这是带支架和外壳的可焊接面包板的制作过程。

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

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

这篇文章最初出现在Medium 上，并经许可重新发表。