用树莓派自制家用恒温器

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我和我的妻子于 2020 年 10 月搬进了一所新房子。天气一变冷，我们就意识到房屋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使用 Nest 恒温器，目前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，有些有不同的时间表，有些则根本没有。

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^{房屋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）}

现在是改变的时候了，但房子有一些限制

它建于 20 世纪 60 年代后期，并在 90 年代进行了翻新。
供暖方式为水力（热水踢脚线）。
它有六个恒温器用于六个供暖区。
每个恒温器只有两根电线用于供暖（红色和白色）。

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

买还是自己做？

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产品，我有几个选择，但它们都有缺点

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，所以我需要每个区域一个（约 200 美元 * 6 = 1,200 美元）。
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，该电线可为恒温器提供持续电力。每根电线长 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：现成的商用恒温器，但只有一种存在（某种程度上）：Honeywell 的 TrueZONE

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

获胜者是……

选项 4：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，包括自动化、时间表、在家/外出等。
而且它……有趣？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。我确信我可以使用树莓派 Zero W，但这将用于未来的修订版。

以下是我使用的所有零件的完整列表

名称	数量	价格
树莓派 4 Model B 2GB	1	$29.99
树莓派 4 官方 15W 电源	1	$6.99
Inland 400 接线点面包板	1	$2.99
Inland 8 通道 5V 继电器模块，适用于 Arduino	1	$8.99
Inland DuPont 跳线 20cm（3 根装）	1	$4.99
来自 Mouser.com 的 DS18B20 温度传感器（原装）	6	$6.00
3 针螺钉端子块（40 个装）	1	$7.99
RPi GPIO 端子块，用于树莓派	1	$17.99
鳄鱼夹测试线（10 根装）	1	$5.89
Southwire 18/2 恒温器线（50 英尺）	1	$10.89
热缩管	1	$4.99
可焊接面包板（5 个装）	1	$11.99
PCB 安装支架（50 个装）	1	$7.99
塑料外壳/外壳	1	$27.92

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 电源线降压为 24V 用于供暖系统。如果您的供暖系统和我的一样，您会在 Taco 区域阀之间看到很多跳线。Taco 上的端子 3 跳过了我的所有区域阀。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；如果没有阀门是打开的，它应该关闭……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。与在每个房间都安装恒温器不同，这个项目将所有恒温器都放在炉子旁边，以便可以使用继电器模块和八个继电器中的六个来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。

Manually setting relays using Raspberry Pi and Python

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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 温度传感器似乎很合适

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，其中只需要两根电线用于供电和数据。只是提醒一下……几乎所有的 DS18B20 都是假冒的。我购买了一些（希望它们是真品），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，它们工作得非常好！

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^{使用寄生电源连接到同一 GPIO 总线上的三个 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交互。一旦我证明了这个概念，我就将墙内现有的恒温器电线添加到组合中。我通过该设置获得了Consistent的读数，因此我开始使它们更加精致。在我的爸爸（自称 “just good enough” 的焊接工）的帮助下，我们将导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。现在可以使用线螺母将传感器连接到墙内现有的布线。

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^{使用现有的电线将 DS18B20 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安装座，但我已经经历了一些 3D 打印的修订，我认为我快完成了。

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^{我从 Nest 风格的安装座开始，并以齐平安装风格结束。（Joseph Truncale，CC BY-SA 4.0）}

ThermOS 软件

像往常一样，编写逻辑并不是困难的部分。但是，确定应用程序架构和框架是一个令人困惑的、持续数天的过程。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，我以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 的完整 Python HomeKit 框架实现了附件协议。它帮助我获得了一个概念验证，并在 30 分钟内通过我的 iPhone 的 Home 应用程序运行和控制。

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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，但我确实想重点介绍我最初遗漏的一部分。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，以确保仅当 +/- 0.5C° 时才会切换加热。

这是阈值逻辑（您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'