用 Raspberry Pi 构建家庭恒温器

我和我的妻子在 2020 年 10 月搬进了一个新家。一旦天气开始变冷，我们就意识到家里旧供暖系统的一些缺点（包括一个始终开启的供暖区域）。我们在之前的家里使用 Nest 恒温器，而现在的设置远没有那么方便。我们家有多个恒温器，有些有编程的供暖时间表，另一些有不同的时间表，还有一些根本没有。

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^{房子的前主人留下了说明，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，但是房子有一些限制

• 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。
• 每根恒温器的电线只有两根，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）}

购买还是构建？

我想要为所有供暖区域提供“智能”恒温器控制（时间表、自动化、在家/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（~$200*6 = $1,200）。
• 它很困难：我必须重新铺设恒温器电线才能获得臭名昭著的 C 线，这可以为恒温器提供持续的电力。这些电线每根长 20 到 100 英尺，位于墙内，可能 用钉子固定在立柱上。

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：商业现成的恒温器，但只有一种（有点）：Honeywell 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，并且你需要一个 RedLINK 网关 才能使一个糟糕的应用程序工作。

获胜者是…… 

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/离开等。
• 而且……它很有趣？是的，很有趣……我想。

ThermOS 硬件

我知道我想使用 Raspberry Pi。由于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，但那将用于未来的修订版。

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炉子的一些关键知识。我打开侧面板，发现了降压变压器，它将 120V 电源线转换为 24V 用于供暖系统。如果你的供暖系统和我的一样，你会看到 Taco 区域阀之间有很多跳线。Taco 上的端子 3 跨接了我所有的区域阀。这是因为有多少阀门开启/打开并不重要——它只是控制循环泵。如果一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……很简单！

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

在其核心，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。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，以便所有六个区域阀都可以使用继电器模块通过八个继电器中的六个进行控制。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供电和数据传输。请注意……几乎所有的 DS18B20 都是 伪造的。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，它们工作得很好！

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^{三个 DS18B20 在同一个 GPIO 总线上使用寄生电源连接。（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交互。一旦我验证了概念，我就将现有的墙内恒温器电线添加到混合中。我使用该设置获得了Consistent的读数，所以我开始让它们更精致一些。在我的 爸爸（自称是“足够好”的焊接工）的帮助下，我们将引线焊接到三针螺丝端子上（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 使用现有的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支架，但我已经经历了几个 3D 打印版本，我认为我快要完成了。

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

ThermOS 软件

与往常一样，编写逻辑并不难。然而，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 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名为 HAP-Python 的整个 Python HomeKit 框架，它实现了附件协议。它帮助我在 30 分钟内运行并控制了通过我的 iPhone 的 Home 应用程序运行的概念验证。

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^{Apple HomeKit 集成的初始版本，借助了 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“temp”逻辑相对简单，但我确实想强调我最初遗漏的一点。我的代码运行了几天，我正在研究硬件，当我注意到我的继电器每隔几秒钟就会打开和关闭时。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（你可以在注释中看到 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段内关闭加热。（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这些。

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

把我的 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）}

在软件和通用硬件设计完成后，我开始考虑如何将所有组件以更持久和完善的形式封装起来。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的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制作过程。

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^{（Joseph Truncale, CC BY-SA 4.0)}

这就是它，安装在锅炉房里。

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^{ThermOS 安装完成 (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换成 ThermOS。接下来我要做的是我的下一个项目：用于中央空调的 ThermOS。

这最初出现在 Medium 上，并经许可转载。