用树莓派构建家用恒温器

我和我的妻子于 2020 年 10 月搬进了一栋新房子。天气一变冷，我们就意识到房屋旧式供暖系统的一些缺点（包括一个始终开启的供暖区域）。 我们之前的房子里装有 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，有些有编程的供暖计划，有些有不同的计划，有些根本没有。

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^{房屋的前任主人留下了说明如何使用某些恒温器的说明。(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 年代进行了翻修。
• 供暖方式是水暖（热水底板）。
• 它有六个恒温器，用于六个供暖区域。
• 每个恒温器只有两根电线用于供暖（红色和白色）。

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^{Taco（发音为 TAY-KO）区域阀位于炉子上。(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（时间表、自动化、在家/外出等）。 如果我想购买现成的东西，我有几个选择，但它们都有缺点

选项 1：Nest 或 Ecobee

• 它很贵：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 = 1,200 美元）。
• 它很困难：我必须重新连接恒温器电线才能获得臭名昭著的 C 线，这可以为恒温器提供持续电力。 电线每根长 20 到 100 英尺，在墙内，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，但只有一种存在（有点）：霍尼韦尔的 TrueZONE 

• 它又旧又不受支持（它于 2008 年发布）。
• 它很贵——仅控制器就超过 300 美元，您还需要一个 RedLINK 网关才能使一个蹩脚的应用程序工作。

胜出者是…… 

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。

• 它集中在炉子上（你需要一个设备，而不是六个）。
• 它使用现有的墙内恒温器电线。
• 它与 HomeKit 兼容，包括自动化、计划、在家/外出等。
• 而且…有趣吗？ 是的，有趣…我想。

ThermOS 硬件

我知道我想使用树莓派。 既然它们已经变得如此便宜，我决定使用 Raspberry Pi 4 Model B 2GB。 我确信我可以使用 Raspberry Pi Zero W，但这将用于未来的修订。

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 电源线降压至 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 在我所有的区域阀上都有跳线。 这是因为有多少阀门打开/关闭并不重要——它只是控制循环泵。 如果一到五个阀门的任何组合打开，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，开关就会关闭并完成 24V 电路。 该项目不是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。 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)}

下一个问题是如何获取每个房间的温度读数。 我可以在每个房间都安装一个使用 Arduino 或 Raspberry Pi 的无线温度传感器，但这可能会变得昂贵和复杂。 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。

“1-wire” 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“1-wire”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传输。 请注意……几乎所有的 DS18B20 都是 假冒的。 我购买了一些（希望它们是真的），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，它们工作得非常好！

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^{在同一 GPIO 总线上使用寄生电源连接的三个 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这些组件交互。 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混合中。 我通过该设置获得了一致的读数，所以我开始让它们变得更精致一些。 在我的 爸爸（自称“刚好够用”的焊工）的帮助下，我们将导线焊接到三针螺钉端子（以避免传感器过热），然后将传感器连接到端子中。 现在，可以使用线螺母将传感器连接到现有的墙内接线。

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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”我的温度传感器壁挂式安装，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 风格的安装座开始，然后转向齐平安装风格。(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的、为期数天的过程。 我一开始评估像 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 迷，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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^{在 HAP-Python 框架的帮助下，Apple HomeKit 集成的初始版本。(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，但我确实想强调我最初忽略的一个部分。我的代码运行了几天，我在硬件上工作，那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 +/- 0.5C° 时才会切换加热。

这是阈值逻辑（你可以在注释中看到橡皮鸭调试）

# 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加热关闭。(Joseph Truncale, CC BY-SA 4.0)}

我实现了最终目标——能够通过我的手机控制所有这些。

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^{ThermOS 作为 HomeKit Hub (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)}

有了软件和通用硬件设计，我开始考虑如何将所有组件包装成更永久和更精致的形式。永久安装的主要考虑因素之一是不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丝端子转接板（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进度情况。

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

这是它，安装在锅炉房中。

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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切换到 ThermOS。然后我就开始我的下一个项目：用于中央空调的 ThermOS。

这最初出现在Medium 上，并经许可重新发布。