创新物联网智能插排（附视频、教程）

一图胜千言

功能特点

开关功能

• 支持四路开关独立控制，控制自由度更高
• 支持定时开关控制，更加智能
• 支持GoogleAssistant等语音助手操作，方便快捷
• 按键可控制开关和空调

监视功能

• 支持检测环境温湿度
• 支持按键操作显示四路开关状态
• （已遗弃 待迭代）支持功率检测

其它功能

• 支持作为红外遥控器，控制其它红外设备（空调、电视、投影仪等），让非智能设备的远程控制成为可能
• 支持手机APP一键配网
• 支持IFTTT场景自动化
• 支持OTA固件升级
• 接入HomeAssistant私有物联网平台，支持多平台App以及网页客户端，公网HTTPS访问

技术特点

该产品以实际应用为标准进行设计

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• 支持100-240V超宽电压，更适合全球使用；即插即用，无需外接其它供电电源
• PCB设计紧凑，精简小巧(7.43cm * 6.56cm)，便于嵌入插排内，配合外壳以及单根铜线（或铜片）连接到插排母座
• 红外遥控功能支持使用标准38kHz的设备（空调、电视等），后续迭代可增加遥控学习功能
• 更侧重商业化产品设计：PCB上不引出GPIO、不设计USB-TTL串口等实际应用无关电路、仅保留调试用测试点
• 温湿度传感器采用母座或飞线，能够更好地将传感器暴露在环境中从而保证采集精度，湿度误差+-3%RH，温度误差+-0.3°C
• 软件支持OTA(Over The Air)固件升级，用户可以轻松通过操作客户端对设备进行升级，云端也可以及时修复软件重大漏洞
• 一键配网技术基于espressif的SmartConfig Demo

硬件选型

类型	型号	优势	成本
主控+Wifi	ESP8266-12F	具有较高的主频与较强的处理性能，同时成本低廉，十分适合在节点类智能设备使用	￥8.86
AC-DC	HLK-PM01	具有5V@3W的强大输出能力，输出电压、纹波等十分稳定，可以胜任驱动四个继电器的角色	￥19.29
LDO	SPX3819M5-L-3-3/TR	相对于AMS1117，它节约了相当大的空间，同时500mA的输出能力足以应对大功率的射频电路	￥0.86
驱动	NUD3105DMT1G	超小封装的感性驱动器，节省了相同原理的双MOS占用的极大体积	￥1.66 * 2
驱动	74LVC2G14GW	反相器，防止主控复位时误触发继电器误吸合	￥0.37 * 2
传感器	ACS715ELCTR-05B-T	基于霍尔效应的传感器，具有超高的响应频率（可惜误解了Vout的VCC/2的偏置电压）	￥12.21
传感器	SHT30	具有较低温漂和较高精确度的温湿度传感器，有极快的响应速度	￥11.30
继电器	SRD-DC5V-SL-C	松乐是有二十多年历史的专业继电器厂，品质经过德国、美国、中国等其它国家的权威认证	￥2.11 * 4

人机交互

语音控制

目前支持GoogleAssistant语音控制如下部分功能：

• 打开关闭空调
• 设定空调温度
• 打开关闭灯
• 打开关闭单个或全部开关

客户端

对于用户操作体验，一个好用的客户端和界面同样不容小觑。这里采用开源的HomeAssistant项目，它支持接入一些第三方企业未知协议的物联网设备甚至车辆。

• 秒响应，秒启动客户端操作界面；支持HTTPS访问，更安全
• 高度支持UI自定义
• 支持MQTT协议的自定义设备
• 支持IFTTT、场景等常见智能家居功能

服务器

为了应对各种复杂的网络环境以及MCU在应对网络协议时存在较吃力的情况，我们选择MQTT协议来保证信号的高效、快速、稳定传输。
众所周知MQTT协议中MQTT的服务器非常关键。它负责了来自设备、用户的订阅、发布信息的转发，因此是一个关键的中转中枢。这里选择国人开发的EMQ MQTT服务器。
运行环境为Debian10，服务运行故障率极低。

• 支持公网设备访问MQTT服务器
• 具有图形化管理界面，方便调试和管理订阅、主题、客户端等

其它

更深入的测试

为了能够让智能设备应对更复杂的实际应用环境，更苛刻的网络条件，我模拟了一些实际可能存在的故障并做出的一些解决方案

• 没有Wifi/不想配网：防止设备无Wifi时一些应用无法联网而抛出exception
• 无Internet：防止MQTT无法连接到服务器后死循环，无法喂狗导致WDT复位
• 人机体验优化：防止按钮操作后，平台延迟接收到状态信息
• Bug修复：脱发

存在的缺陷

由于只是第一版PCB，还没有进行迭代，因此存在一些最初考虑的功能没有实现

• ACS712电流传感器目前因偏置电压的原因超出ESP8266的ADC范围，导致无法测量
• 指示Led和红外Led复用同一个GPIO，今后扩展功能可能会限制Led的指示功能丰富性
• 按键所在的GPIO2会影响ESP8266启动模式的选择。因此当上电时用户按住了按键，可能会影响产品使用，影响用户体验
• 目前ESP8266的GPIO几乎全部用完，但今后调试完毕可以禁用串口以增加两个GPIO

开发环境

PCB绘制

采用高效、永久免费的国产PCB设计工具：立创EDA。在当下多人协作如此重要的阶段，立创EDA对于小团队开发速度进度有了极大程度上的提升。此外，相对于其它大型PCB绘制软件，它具有环境配置要求极低的优势，对于新手极其友好，可以快速上手，省略了一些不常用的参数以及预置一些常用的参数。

软件开发

主控采用安信可的ESP8266-12F/S模块，具有主频高、工作稳定、成本极低等优势，将WiFi及MCU合二为一，极大地提高了开发者的开发效率。上位机环境可选择espressif基于eclipse的IDE，也可使用Arduino对ESP8266的兼容库。受限于学习时间成本，这里选择后者。同时，通OSHWhub一样，它也具有较庞大的开源社区，降低了开发的难度。

演示视频

请见页尾

注：视频中配网用到的EBeam智能家居APP基于ESP Touch开发，已在附件中分享

心得体会

通过这次立创EDA组织的训练营，让我更全面地接触了立创EDA，相对于其它大型PCB设计软件，它轻量、免费、开发应用省时省力，帮助我们初学者快速入门，尽可能省下一些本无需浪费的时间.此外，这也是我第一次设计强电应用，几乎也是第一次实战设计实际（商业）应用。同时感谢训练营本次机会，让我接触更多IOT平台、认识更多IC、更多实用的网站。

技术分享（硬核教程）

• 物理资源需求：闲置PC或树莓派，本教程对PC有较强针对性；当然你也可以选择阿里云轻量应用服务器，它们都足以应付该实例应用
• 系统环境需求：deb系，建议Debian9 / Debian10

基本环境搭建

Docker环境安装

• Docker引擎安装教程：详情参见教程，“使用官方安装脚本自动安装”和“手动安装”二选一即可

$ curl -fsSL https://get.docker.com | bash -s docker --mirror Aliyun

• Portainer安装教程：详情参见官方文档

$ docker volume create portainer_data
$ docker run -d -p 9000:9000 --name portainer --restart always -v /var/run/docker.sock:/var/run/docker.sock -v portainer_data:/data portainer/portainer

注：Portainer是一个图形化的管理界面，方便通过web管理Docker（http://your-server-ip:9000/），非必需

EMQ MQTT服务器安装

• MQTT服务器的安装有两个方案，安装在Docker内和不依赖Docker引擎。大多数情况下我推荐前者，但对于我的环境安装于Docker内会抽风无法启动
• Docker环境安装：详情参见官方文档
• 不依赖Docker安装：详情参见官方文档，向下滚动找到“Debian”的“使用储存库安装 EMQ X”，实测支持Debian10

$ sudo apt update && sudo apt install -y \
    apt-transport-https \
    ca-certificates \
    curl \
    gnupg-agent \
    software-properties-common
$ curl -fsSL https://repos.emqx.io/gpg.pub | sudo apt-key add -
$ sudo add-apt-repository \
    "deb [arch=amd64] https://repos.emqx.io/emqx-ee-ce/deb/debian/ \
    $(lsb_release -cs) \
    stable"
$ sudo apt update
$ sudo apt install emqx-ee
$ emqx start
$ sudo systemctl start emqx
$ sudo service emqx start

EMQ MQTT服务器配置

• 安装完成后，你就可以通过http://your-server-ip:18083/来访问EMQ MQTT的后台
• 建议在左侧菜单中选择最底的通用->用户，新建一个用户以备使用

HomeAssistant安装

• 针对PC(Docker环境)：详情参见官方文档

$ docker run -d --name="home-assistant" -v /PATH_TO_YOUR_CONFIG:/config -v /etc/localtime:/etc/localtime:ro --net=host homeassistant/home-assistant:stable

注：命令中的“/PATH_TO_YOUR_CONFIG”修改为你物理机中想保存数据的目录，例如“/root/hassdata”

• 针对树莓派：详情参见官方文档

HomeAssistant配置

• 安装完成后，你就可以通过http://your-server-ip:8123/来访问HomeAssistant的后台
• HomeAssistant的配置主要通过修改保存数据的目录下的“configuration.yaml”配置文件实现，因此你需要对yaml有浅层次了解才能对它进行修改，当你不确定时，请先备份原文件
• 分享我的部分配置文件，Copy后从后台重启应该就能使用了

default_config:

sensor:
  - platform: mqtt
    name: "次卧温度"
    state_topic: "home/secbedroom/temp"
    unit_of_measurement: '°C'
  - platform: mqtt
    name: "次卧湿度"
    state_topic: "home/secbedroom/humi"
    unit_of_measurement: '%RH'

climate:
  - platform: mqtt
    name: 次卧空调
    fan_modes:
      - "auto"
      - "quiet"
      - "1"
      - "2"
      - "3"
      - "4"
      - "5"
      - "turbo"
    swing_modes:
      - "off"
      - "on"
    mode_command_topic: "home/secbedroom/ac/modectrl"
    mode_state_topic: "home/secbedroom/ac/modestat"
    temperature_command_topic: "home/secbedroom/ac/tmpctrl"
    temperature_state_topic: "home/secbedroom/ac/tmpstat"
    fan_mode_command_topic: "home/secbedroom/ac/fanctrl"
    fan_mode_state_topic: "home/secbedroom/ac/fanstat"
    swing_mode_command_topic: "home/secbedroom/ac/vswingctrl"
    swing_mode_state_topic: "home/secbedroom/ac/vswingstat"
    current_temperature_topic: "home/secbedroom/appatemp"
    min_temp: 16
    max_temp: 30
    temp_step: 1
    retain: false

switch:
  - platform: mqtt
    name: "插排开关1"
    command_topic: "home/secbedroom/socket/relay1ctrl"
    state_topic: "home/secbedroom/socket/relay1stat"
  - platform: mqtt
    name: "插排开关2"
    command_topic: "home/secbedroom/socket/relay2ctrl"
    state_topic: "home/secbedroom/socket/relay2stat"
  - platform: mqtt
    name: "插排开关3"
    command_topic: "home/secbedroom/socket/relay3ctrl"
    state_topic: "home/secbedroom/socket/relay3stat"
  - platform: mqtt
    name: "插排开关4"
    command_topic: "home/secbedroom/socket/relay4ctrl"
    state_topic: "home/secbedroom/socket/relay4stat"

automation: !include automations.yaml
group: !include groups.yaml
script: !include scripts.yaml
scene: !include scenes.yaml

• HomeAssistant支持众多功能，官方资料等你来玩

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