之前参与智能音箱的项目，做语义理解，但硬件方面，实在是小白，这段时间腾出些时间，折腾下硬件，把家中的灯光整体改造一下。这篇文章从设计、硬件、软件、云服务、手机应用5个方面记录了这次改造中所获取的信息以及相关的程序代码。最终构建了一个通过手机控制和传统控制兼容的智能灯光。
项目地址
https://github.com/Ushiao/smartlife
系统设计
房屋状况
- 单火线, 覆盖屋内大部分的开关，是开放商交付时的布线方式。
- 零火线，两组射灯和电视墙灯带(有两组顶灯的单火开关和射灯开关放在一起)。
有线和无线
智能家居分有线和无线两类，有线稳定，但需装修前布线，工程量大；无线稳定稍差，但灵活便于安装。DIY的话，无线方案的资源多，结合自家房屋状况，无线的方案是首选。
Wi-Fi、射频、ZigBee和其他
无线控制技术，以Wi-Fi、射频、ZigBee、Z-Wave为主，它们各有优劣，可从功耗、效率、安全、集控、分控等多方面对比，这里主要说说Wi-Fi和射频两个方案。
– Wi-Fi控制，是给开关添加Wi-Fi开关模块，让开关联网从云端获取指令，操作继电器控制开关的方案。任意一个设备都是单独产品。目前能看到大量的智能产品，里面都有类似的模块。
- 射频，是通过无线射频传递指令，通过给开关添加射频接收模块，接收来自发射模块的指令，来控制开关的方案，类似车子遥控。射频信号以433MHz和315MHz为主，产品成熟，接收端一般是学习型模块，发射端也采用通用的芯片模块。若要实现手机控制，需添加一个主机。
单火线电路和零火线电路
产品按电路可分零火线开关和单火线开关两种，前者稳定，后者目前还存在技术问题。智能模块本身也是用电器，需要保持运行来获取控制信号，目前单火线开关的技术是维持小电流让模块运行，却又达不到让电灯发光的功率，但如果电灯功率低于理论值3W，就会出现灯光闪烁的问题。目前了解到市面上已有单火电源模块：PI-3v3-B4。
云服务
我国网络运营商都不提供独立IP地址，IOT设备从云服务器获取控制指令是当前的主流方式。云服务的载体，可以是任意一台云服务器，也可以选择IOT的云服务平台。我是在自有服务器上搭建云服务。云服务的技术，采用RESTful和一个静态网页。操作流程为手机应用发送控制指令到云服务，云服务后台处理并更新静态网页，智能模块以轮询的方式获取控制指令，并控制电灯开关。
手机应用
IOS下的应用，使用Xcode，做个能实现HTTP POST的简单程序就好。
最终系统方案
因为单火线的限制和单火线开关闪烁的问题，最终方案是Wi-Fi和射频联合使用的方案，并且实现手机控制。把目标分解一下就成了采购相关物料，来完成下面几个任务：
1. 制作“可联网射频发射主机”
2. 制作”Wi-Fi开关“
3. 制作“射频开关“
3. 建立“云服务”
5. 制作手机应用
物料
NodeMCU开发版
网上查了查资料是性价很高的板子，购买价格不到20元，基于ESP8266-12E Wi-Fi芯片。有详尽的资料NodeMCU Documentation，友好的自定义固件生成服务NodeMCU-Build，固件烧入程序NodeMCU PyFlasher，开发工具ESPlorer, 支持编程语言eLua和MicroPython，板上的10个GPIO接口，基本满足任何开发的需求，最后，USB供电兼调试接口，让我这个初学者也十分容易上手。
单火线开关模块
在找射频产品的时候看到这个产品，直接解决单火线的问题，价格30元不到，接线简单，可以接收并学习常用的射频指令，如PT2262，这个模块还有一个优点是有三种模式：
1. 开/关，关闭状态下按一下开，打开状态下再按一下关。
2. 总开，开关总是打开，如果原来是打开状态，保持状态不变
3. 总关，开关总是关闭，如果原来是关闭状态，保持状态不变
可以实现灯光开关单控制，也可是实现模式控制，如“观影模式”、“会客模式”。另外，每个模式可以接收4个指令，也就是说，一盏灯可以通过最多12个指令实现不同的控制。这种设置也给我制作“Wi-Fi开关模块”缕清了思路。
射频发射模块
对射频发射器我并不熟悉，只是根据PT2262的协议和433MHz随意选择了一个，担心信号不稳定，所以看着这个天线这么长，而且宣传资料说能到几千米（我家不是体育馆^^)，就买了这个。
四路继电器
对继电器，和发射模块一样都属于硬件范畴，我并不熟悉，由于看过NodeMCU的资料，它能提供给继电器的最大电压是3.3V，所以就根据这个以及需要连接的继电器选择了这个4路的3.3V的继电器，产品宣传还提到了“带光耦隔离”，貌似在工作上比不带的更加稳定。
AC-DC降压模块-220v转5v，AC-DC降压模块-220v转3.3v
NodeMCU的连接USB的工作电压是5V，但是我好想一份资料里面看到过工作点在3.3v到12v之间。因为我在这次改造中用了两个NodeMCU，其中一个连接继电器埋到了开关里面，所以需要用到这个小模块，不然太占空间。但是已经埋进去了，废了很大的劲，忘记里面用的是5v的还是3.3v的降压模块，下次再拆出来看看。另外一个NodeMCU直接USB连接。
其他
- 杜邦线若干
- 云服务器一台，直接用了自己目前使用的服务器。
- 智能手机一台，废话了。
硬件部分
可联网射频发射主机
这个设备用到两个模块NodeMCU开发板以及射频发射模块，连接实物图如下，分别将NodeMCU的接口和射频模块上连接：
| NodeMCU | 射频模块 | 说明 |
|---|---|---|
| D1 | D0 | 数据接口 |
| D2 | D1 | 数据接口 |
| D3 | D2 | 数据接口 |
| D4 | D3 | 数据接口 |
| 3V3 | +9V | 正极, 3V3也能够使这个射频模块工作 |
| GND | GND | 负极 |
Wi-Fi开关
这个模块已经埋如入墙内，翻出来太麻烦，这里拿一个三路继电器做演示，四路连接的方法是一样的，不复杂。NodeMCU接口要按照下面表格，不然得在后面的代码部分做修改。
| NodeMCU | 射频模块 | 说明 |
|---|---|---|
| D5 | CH1 | 数据接口 |
| D6 | CH2 | 数据接口 |
| D7 | CH3 | 数据接口 |
| D8 | CH4 | 数据接口 |
| 3V3 | VCC | 正极 |
| GND | GND | 负极 |
射频开关
采购物料的时候，直接购买了单火线开关模块，这里直接跳过。
软件部分
该部分以代码为主，开发板烧入，云服务器的租用，手机应用开发环境的搭建皆不在本文内容中。
固件制作
进入NodeMCU-Build,输入邮箱地址，再选择下面的模块，在最下方点击Start your build，不用多久邮箱就会说到两封邮件，一封是说正在制作请稍后，另一封就制作好的，下载即可烧入。
固件模块：
cron,crypto,dht,encoder,enduser_setup,file,gpio,http,mqtt,net,node,sjson,tmr,uart,wifi
控制码规格
射频发射模块有四个数据接口，每次给接口一个高电平，就发射一次信号，而且不同的高电平组合所发射信号不同，所以一共可以组成16组不同的数据信号，这类似于二进制的信号结构，见表格：
| 指令 | 二进制 | 十进制 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 指令0 | 0000 | 0 | 该指令不工作 |
| 指令1 | 0001 | 1 | |
| 指令2 | 0010 | 2 | |
| 指令3 | 0011 | 3 | |
| 指令4 | 0100 | 4 | |
| 指令5 | 0101 | 5 | |
| 指令6 | 0110 | 6 | |
| 指令7 | 0111 | 7 | |
| 指令8 | 1000 | 8 | |
| 指令9 | 1001 | 9 | |
| 指令10 | 1010 | 10 | |
| 指令11 | 1011 | 11 | |
| 指令12 | 1100 | 12 | |
| 指令13 | 1101 | 13 | |
| 指令14 | 1110 | 14 | |
| 指令15 | 1111 | 15 |
Wi-Fi开关也不复杂，根据四路继电器控制四路灯光，设置4位的信号，每一位对一路继电器即可。
| 开 | 关 | |
|---|---|---|
| 第一路继电器 | 1 | 0 |
| 第二路继电器 | 1 | 0 |
| 第三路继电器 | 1 | 0 |
| 第四路继电器 | 1 | 0 |
开发版和云服务交互获的指令格式，JSON格式，”rf”表示射频指令，”wifi”表示Wi-Fi指令，4位的数字表示控制信号，而另一个数字，如下面的“1513249981”，表示指令发送的时间戳。
{
"rf": [["0100","0011"], 1513249981],
"wifi": ["0000", 1513278152]
}
射频主机和Wi-Fi开关的代码
注意，中文的注释在程序写入后会引起错误，所以下面代码需要去处中文注释才能正常使用
init.lua
系统初始化文件，每次NodeMCU重启后，会执行该文件该文件一共包含了两个模块:
-- init.lua
connect = require("connect")
connect.start()
light = require("light")
light.start()
connect.lua
Wi-Fi连接模块，固件中的end_user, 用户可以通过连接开启的热点网络输入个人Wi-Fi的账号密码，使设备连网。
-- file: connect.lua
local module = {}
function module.start()
enduser_setup.start(
function() -- 连接成功打印当前IP地址
print("Connected to wifi as: " .. wifi.sta.getip())
end,
function(err, str) -- 连接不成功打印错误信息
print("enduser_setup: Err #" .. err .. ": " .. str)
end
);
end
return module
light.lua
灯光的总控模块，代码集合了射频和Wi-Fi控制，在我的工程中，两个NodeMCU分别使用了其中的一种控制方式。按本文的介绍，需要将变量”url”里面的”服务器地址”修改为对应的内容。
-- file: light.lua
local module = {}
function module.start()
-- 设置接口，按照硬件部分的连接方式
--[[
D0 = 1
D1 = 2
D2 = 3
D3 = 4
CH_1 = 5
CH_2 = 6
CH_3 = 7
CH_4 = 8
]]
gpio_map = {1,2,3,4,5,6,7,8}
gpio_map_rf = {1,2,3,4}
gpio_map_wifi = {5,6,7,8}
-- 初始化GPIO接口的模式为OUTPUT，即将信号输出到信号模块
for idx=1, #gpio_map do
pin = gpio_map[idx]
gpio.mode(pin, gpio.OUTPUT)
end
-- 初始化最后一次接收控制指令的时间，区分指令是否是新指令
last_wifi_time = 0
last_rf_time = 0
-- 访问地址，这里是我家用设备的访问地址，我设置了一个静态网址
url = 'http://服务器地址/smartlife/static/light.html'
-- 轮询，每1秒访问一次网页获取最新的信息
-- 这里使用tmr.alarm，而不是设置while...tmr.delay，是因为while...tmr.delay会卡住所有的进程，tmr.alarm类似于建立一个线程，不会卡住其他进程。
tmr.alarm(0, 1000, 1, function ()
-- 通过HTTP GET的方式获取网页数据
http.get(url, nil, function(code, data)
if (code < 0) then
print("HTTP request failed")
else
-- 数据格式为：{"rf": ["0100", 1513249981], "wifi": ["0000", 1513278152]}
-- sjson是固件中的sjson模块
dt = sjson.decode(data)
for k, v in pairs(dt) do
-- k是'rf', v是["0100", 1513249981]
if k == "rf" then
part_data = v[1]
-- 将字符格式的时间戳转成整数
part_time = tonumber(v[2])
--获取的时间和最后一次的时间做对比
if last_rf_time == 0 then
last_rf_time = part_time
else
if part_time > last_rf_time then
for mode_idx=1, #part_data do
mode = part_data[mode_idx]
for idx=1,4 do
v = string.sub(mode, idx,idx)
gpio.write(gpio_map_rf[idx], tonumber(v))
end
tmr.delay(300000)
for idx=1,4 do
gpio.write(gpio_map_rf[idx], 0)
end
tmr.delay(300000)
end
last_rf_time = part_time
end
end
elseif k == "wifi" then
part_data = v[1]
part_time = tonumber(v[2])
if last_wifi_time == 0 then
last_wifi_time = part_time
else
if part_time > last_wifi_time then
for idx=1,4 do
v = string.sub(part_data, idx,idx)
gpio.write(gpio_map_wifi[idx], tonumber(v))
end
last_wifi_time = part_time
end
end
end
end
end
end)
end)
end
return module
云服务
云服务器系统使用: Ubuntu
云网页服务框架用采用Python服务器框架: Flask
Python版本: >= Python 3.4
安装Python依赖库
pip install requirements.txt
进入server目录后，执行下面的指令启动Flask服务器
python run.py
打开网页输入地址
http://127.0.0.1:5000/smartlife/static/light.html
在另外一个终端执行下面代码，能获取返回信息：
python sample.py
#{"text":u"LightControl"}
服务器的那个终端会出现访问记录
如果硬件已经设置，这时候就有效果了。
Flask相关的代码就不细说，这里主要说一下在server/app/smartlife/actions.py里面的代码。
代码的第一部分定义射频和Wi-Fi两个模块的控制指令，并组建控制模式。这里如此设置是简化了手机应用开发的过程，当然这样的设置，只适合个人使用。
# 射频模块2进制形式的数据格式，通过strint2bin将整数的字符串转成二进制的字符串 1 -> 0001
strint2bin = lambda i: "%04d"%int(bin(int(i, 10)).replace("0b", ""))
rf_buttons = {"厨房灯": strint2bin("1"),
"书房灯": strint2bin("2"),
"电视墙灯": strint2bin("4"),
"厨房灯开": strint2bin("9"),
"书房灯开": strint2bin("10"),
"书房灯关": strint2bin("11"),
"电视墙灯开": strint2bin("12"),
"厨房灯关": strint2bin("13"),
"电视墙灯关": strint2bin("14"),
"全关": strint2bin("15")}
# WiFi的开关理论上只有两种形式，开（1）或关（0），这里增加None，类似于传统开关，按一下就开或者关。
wifi_buttons = {"餐厅灯开关": (0, None),
"餐厅灯开": (0, "1"),
"餐厅灯关": (0, "0"),
"餐厅射灯开关": (1, None),
"餐厅射灯开": (1, "1"),
"餐厅射灯关": (1, "0"),
"客厅灯开关": (2, None),
"客厅灯开": (2, "1"),
"客厅灯关": (2, "0"),
"客厅射灯开关": (3, None),
"客厅射灯开": (3, "1"),
"客厅射灯关": (3, "0")}
# 定义了各种类型的模式控制，已达到室内灯光的总控。
modes = {"餐厅模式": [["餐厅灯开", "餐厅射灯开", "客厅灯关", "客厅射灯关"],
["电视墙灯关"]],
"客厅模式": [["餐厅灯关", "餐厅射灯关", "客厅灯开", "客厅射灯开"],
["电视墙灯开", "电视墙灯关","电视墙灯开"]],
"会客模式": [["餐厅灯开", "餐厅射灯开", "客厅灯开", "客厅射灯开"],
["电视墙灯开", "电视墙灯关","电视墙灯开"]],
"普通模式": [["餐厅灯开", "餐厅射灯关", "客厅灯开", "客厅射灯关"],
["电视墙灯关"]],
"观影模式": [["餐厅灯关", "餐厅射灯关", "客厅灯关", "客厅射灯关"],
["电视墙灯开", "电视墙灯关","电视墙灯开"]],
"餐厅灯": [["餐厅灯开关"], None],
"餐厅射灯": [["餐厅射灯开关"], None],
"客厅灯": [["客厅灯开关"], None],
"客厅射灯": [["客厅射灯开关"], None],
"电视墙灯": [None, ["电视墙灯"]],
"书房灯": [None, ["书房灯"]],
"厨房灯": [None, ["次卧灯"]],
"全关": [["餐厅灯关", "餐厅射灯关", "客厅灯关", "客厅射灯关"], ["全关"]]}
代码的第二部分是实现数据的处理，更新静态文件配合同目录下的view.py使用，这段代码简化的安全验证，其他人也可以在知道地址的情况下提交数据。
class Action(object):
def __init__(self):
here = path.abspath(path.dirname(__file__))
self.filepath = path.join(here, "static", "light.html")
# 初始化静态页面
if not path.exists(self.filepath):
f = open(self.filepath, "w")
f.write(json.dumps({"rf":[["0000"], 0], "wifi":["0000", 0]}))
f.close()
def do(self, mode):
"""
Return:
{"rf": [["1100", "1110", "1100"], 1513345236], "wifi": ["1111", 1513345236]}
"""
reponse = None
time_now = int(time.time())
with open(self.filepath, 'r') as inf:
status = json.load(inf)
if mode in modes:
wifi, rf = modes[mode]
if wifi is not None:
status_list = [s for s in status['wifi'][0]]
for btn_name in wifi:
btn, value = wifi_buttons[btn_name]
status_value = status['wifi'][0][btn]
if value is None:
status_list[btn] = "0" if status_value == "1" else "0"
else:
status_list[btn] = value
status['wifi'][0] = ''.join(status_list)
status['wifi'][1] = time_now
if rf is not None:
for btn_name in rf:
btn = rf_buttons[btn_name]
status['rf'][0] = btn
status['rf'][1] = time_now
if len(rf) > 1:
time.sleep(1.5)
with open(self.filepath, 'w') as outf:
outf.write(json.dumps(status))
reponse = """{"text":u"LightControl"}"""
with open(self.filepath, 'w') as outf:
outf.write(json.dumps(status))
return reponse if reponse is not None else ""
if __name__ == "__main__":
f = Action()
f.do("全关")
手机应用
新建项目后，在Main.storyboard添加多个按钮，如下图，每个按钮设置名称和云服务里actions.py的modes里面内容相同。
在对应的ViewController.swift里添加下面代码,并将Main.storyboard里面的按钮和doAction()连接。之后编译发送到手机就可以用了。
import UIKit
class ViewController: UIViewController {
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
}
override func didReceiveMemoryWarning() {
super.didReceiveMemoryWarning()
}
func sendCMD(cmd: String) {
let myUrl = URL(string: "http://服务器地址/smartlife/");
var request = URLRequest(url:myUrl!)
request.httpMethod = "POST"// Compose a query string
let postString = "msg="+cmd;
request.httpBody = postString.data(using: String.Encoding.utf8);
let task = URLSession.shared.dataTask(with: request) { (data: Data?, response: URLResponse?, error: Error?) in
}
task.resume()
}
@IBAction func doAction(_ sender: UIButton) {
sendCMD(cmd: sender.currentTitle!)
}
}
总结
至此，整个项目从系统设计，物料采购，硬件连接，数据结构，软件代码到手机应用制作，最后把硬件埋入开关就完成了。实施的过程，也遇到不少问题，比如单火线开关的频闪问题，NodeMCU的GPIO接口有些会一直发送高电平，Wi-Fi开关模块做的太大了，放不进盒子等许多问题。这个系统，还存在安全问题，比如射频开关是接收较通用的固定码指令，这会出现撞码的可能。信号反馈的问题，要满足传统开关的使用需求，改的开关保留了原来的面板，射频和Wi-Fi模块都无法获取面板的物理开关信号，以便及时更新数据到云端。代码的模块化没做到最好，现在只适合个人使用。这些问题在以后有空的时候，慢慢修改。
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