自制智能家居流程

April 30, 2024 · 17 min read

Allen

software engineer

文章摘要

此内容根据文章生成，仅用于文章内容的解释与总结

如果你想要实现这样一个功能：当窗外开始下雨，窗户自动关闭

如果你想知道解决方案，可以直接跳到最后一部分。

我们仅看前半部分，那么你需要：检测窗外是否有雨水，并把这个信息传递给窗户控制器

这个过程中，你需要：

传感器：检测窗外是否有雨水/或者获取网络上的天气信息
单片机主控板：可以接收传感器的数据，并收发网络请求
执行器：窗户控制器，可以接收单片机的指令，控制窗户的开关
供电：保证传感器和主控板的正常工作

这个过程你需要知道以下内容：单片机如何烧录程序、传感器如何连接、如何获取传感器数据、如何发送网络数据、如何制作外壳（例如 3D 打印）。

传感器基础知识

负极表示符号： - / G / Gnd / 黑色
正极表示符号：+ / V / Vcc / 红色
信号管脚： S 可以表示信号，根据传感器的不同，参数范围是 0-1023 或 0 1
模拟量信号管脚表示符号： A 参数范围在 0-1023
数字量信号管脚表示符号：D 参数为 0 或 1

tip

如果标识与颜色发生冲突，一般以标识为准：例如接口上写着 V，但连接线颜色为黑，一般当作正极处理。

当单片机通电时，所有的引脚都带电，但是只有信号管脚的电压会随着传感器的变化而变化。

因此传感器的正负极理论上可以任意连接，只需保证信号管脚连接指定的即可。

A 口的功能比 D 口更加强大，因为 A 口可以接收模拟信号，而 D 口只能接收数字信号。因此部分传感器 D 接 A 也可以正常读数。

两管脚

常见的有扬声器、电机（俗称马达）。

这类设备因为较为特殊，一般有专门的接口，或者占用 2 个信号端口，通过信号的变化来工作。

马达往往需要更大的工作电压，如果没有专门的连接口，有可能需要在板上使用跳针切换工作电压。

三管脚

这类传感器数量最多，往往由 GVA 或者 GVD 组成。

使用时，正负极与单片机正负极连接，信号线与板上标注的 A 或 D 进行连接。

四管脚

四管脚传感器分为很多类

特殊接口的，譬如：人体温度传感器

正负极与信号口一般都专门对应的位置供连接。

双信号接口的，譬如：超声波

一般有四个接口：GVTE，其中 GV 正常连接，T 和 E 都接在信号管脚上。

同时接收 AD 的，譬如：烟雾传感器

一般有四个接口：GVAD，其中 GV 正常连接，D 表示有没有烟雾，A 表示烟雾浓度。分别接在对应的信号管脚即可。

五管脚

譬如：摇杆传感器

一般五个接口为：GVXYB，其中 GV 正常连接，X 表示 X 轴（是模拟量接 A）、Y 表示 Y 轴（是模拟量接 A）、B 表示按钮（是数字量接 D）

其他特殊类

其他特殊的传感器一般有特殊接口，譬如：摄像头、屏幕等。

根据说明接入即可。

与单片机通信

单片机（Microcontroller Unit，简称 MCU）是指一个微型计算机集成在一个单独的微型芯片中，它包括处理器（CPU）、内存（通常包括 RAM 和 ROM）、以及各种输入/输出（I/O）接口等在内的完整计算设备。

单片机设计用于嵌入式应用，通常在硬件设备中执行特定任务。例如，你的电视遥控器可能就是由一个单片机控制的，它可以接收你的输入，然后发送相应的信号到电视上。其他常见的单片机应用包括玩具、家用电器、医疗设备、汽车等。

有的单片机可以使用完整的 Python，譬如华硕的 thinker edge R、部分树莓派，有的 Arduino 板子、ESP32 等只能使用简化的 MicroPython。

tip

当我们希望通过 windows 计算机的 USB 接口和单片机设备进行串口通信时，需要将 USB 接口转换为标准的串行接口，这个过程需要一个介于 USB 和串口之间的翻译，我下面的驱动就是这个翻译。

信号线的损坏的表现除了信号中断无法传输，也可能导致信号到达时间提前或滞后。

并非所有接口一样的数据线都具有相同功能：有的线仅能慢速充电，有的线可以快速充电，有的线只能充电不能传输数据。确保专线专用。

在搜索引擎中搜 CH341SER 驱动

过程中所有弹窗有下一步点下一步，有确认点确认

在编程软件中识别单片机

常用的编程软件有：Scratch、Mixly、Mixly2、MaixPy 等。

有的支持图形化编程与代码编程，有的需要仅支持代码编程。

下载对应的编程软件后，打开软件。

选择主控这个环节，不同软件的选择方式不同。

tip

Vegeta 这样基于 Scratch 的编程软件，需要从左下角选择添加对应的主控型号。
Mixly 从右下角，串口旁的下拉菜单选择对应的主控型号。
Mixly2 从登录菜单中主控型号后，进入代码编辑页，右上角选择串口旁可以选择更加详细的主控型号。
MaixPy 从上方的工具页面中选择开发板型号。

通过连接线连接电脑与单片机。此时可能会有多种情况：

会提示：有串口连接，并弹出且仅弹出 1 个串口。
识别计算机上的所有串口，需要自己选择（可以通过反复插拔确认新增的端口号）。
不弹出任何串口，需要主控通电启动后才识别串口。
也有的串口时有时无，此时可以考虑：连接线接触不良（更换连接线），或者是主控/USB 电压不稳定——常见于学校机房（主控或电脑独立供电）
还有的默认的波特率需要调整，否则无法识别传输信号。

连接成功后记得初始化固件，使其恢复到软件对应的固件版本。类似 Android 手机的刷机/恢复出厂设置。

单片机编程

这里的传感器特指狭义的通过半导体检测物理量的传感器，如温度传感器、湿度传感器、光敏传感器等。这些传感器的特点是：输出信号是数字/模拟信号。

数字量传感器的输出信号是数字信号，他的特点是只返回/发出两种状态：高电平和低电平。对应在代码中是 1 和 0 。

如声音传感器如果是数字量传感器，当检测到声音时输出高电平，否则输出低电平。
如小灯，输出高电平表示亮，输出低电平表示灭。

模拟量传感器的输出信号是模拟信号，他的特点是输出的电压值是连续变化的。对应在代码中是 0-1023（通常如此，并非绝对）。

还是以声音传感器为例，如果是模拟量传感器，当检测到声音时输出的电压值会随着声音的大小而变化。
还是以小灯为例，输出最大值表示最亮，输出最小值表示最暗，亮度会随输出的电压值变化。

有的传感器同时支持数字量和模拟量输出，有的不是。

因此，对于不确认的传感器，我们一般先假设传感器是模拟量传感器，如果不是，再当作数据量处理。

单片机的运行内存往往很小，当创建一个非常复杂的代码时，有可能会导致内存问题，对应各种报错都有可能。

模拟量传感器读取

下面以 32 接口为例

import machine
adc32 = machine.ADC(machine.Pin(32))
while True:
    print(adc32.read_u16())

模拟量传感器输出

下面以 0 接口为例

import machine
pwm0 = machine.PWM(machine.Pin(0))
pwm0.duty_u16(0)
pwm0.duty_u16(255)

然而，有些动力类传感器需要设置占空比：占空比主要与脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）相关，它是一种模拟信号的数字化表示方法。在 PWM 中，一个周期内的高电平时间占总周期时间的比例就是占空比。

传感器的输出类型可以有多种，包括模拟电压、模拟电流、数字信号（如 I2C、SPI、UART 等）、频率、PWM 等。只有在使用 PWM 输出的传感器时，才需要设置占空比。例如，一些伺服电机会使用 PWM 信号来控制其位置，这时就需要设置占空比。

对于其他类型的传感器，如模拟电压输出的传感器、数字信号输出的传感器等，就不需要设置占空比。这些传感器的输出通常是连续的或者是特定的数字信号，不涉及到占空比的概念。

from machine import Pin, PWM
import time

# 创建一个PWM对象
pwm = PWM(Pin(2))

# 设置PWM信号的频率为50Hz
# 每秒50个周期，所以每个周期的时间是1秒/50，即20ms。
pwm.freq(50)

# 一般来说，当PWM信号的高电平时间为1ms时，舵机转到0度；
# 当高电平时间为2ms时，舵机转到最大角度。
# 这个范围内的其他高电平时间对应的是0到180度之间的其他角度。

# 转到0度（）
pwm.duty(52) # 1ms / 20ms * 1024 = 51.2 取不低于最小值的整:52
time.sleep(1) # 等待一段时间让舵机转到指定位置

# 转到180度
pwm.duty(102) # 2ms / 20ms * 1024 = 102.4 取不高于最大值的整：102
time.sleep(1) # 等待一段时间让舵机转到指定位置

# 关闭PWM
pwm.deinit()

数字量传感器读取

import machine

pin0 = machine.Pin(0, machine.Pin.IN)
while True:
    print(pin0.value())

数字量传感器输出

import machine
import time

pin13 = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)
while True:
    pin13.value(0)
    time.sleep_ms(50)
    pin13.value(1)
    time.sleep_ms(50)

单片机网络通信

获取天气

心知天气 API 分为免费版、付费版等多个坂本，不同的版本返回的数据数量有所不同。

免费版仅返回三种基本数据，付费版可以返回多种数据。mixly 中默认的 KEY 为高级付费版，可返回全部数据。

数据返回的格式为字典，因此可以通过如下方式进行解包，下面的代码提供了部分数据解包的方法。

需要注意的是，该功能为联网功能，需要在联网环境下使用，确保 wifi 名和密码正确。

import mixiot
import machine
import seniverse_api


mixiot.wlan_connect('wifiname','wifipassword')
print(seniverse_api.weather_now('SGJl0ExVN-4j27msR','北京'))

onenet 物联网传输数据至云端

onenet 物联网是中国移动推出的物联网交互平台，主要面向一般开发者，因此 AIbox 这款设备可以使用 onenet 物联网平台进行数据传输。

相比于 mixio 这样专注于单片机的物联网平台来说，onenet 的文档与接口可能会频繁变动，如有出入以官网教程为准。

onenet 物联网平台网址：https://open.iot.10086.cn/doc/

文档中提供了传输文本与文件 2 种方式

import json
import asyncio
import websockets
from uuid import uuid4

# 音频文件测试路径。
audioFile = "test.mp3"
# 使用自己产品Id和apikey替换下列参数。
productId = "x"
apikey = "x"

#发送文本请求
async def textRequest(ws):
    content = {
        "aiType":"dm",
        "topic": 'nlu.input.text',
        "recordId": uuid4().hex,
        "refText": "测试"  #修改文本请求的输入
    }
    try:
        await ws.send(json.dumps(content))
        resp = await ws.recv()
        print(resp)
    except websockets.exceptions.ConnectionClosed as exp:
        print(exp)

#发送音频请求
async def audioRequest(ws):
    content = {
        "aiType": "dm",  #可选dm/asr, dm获取对话结果，asr只获取asr结果
        "topic": "recorder.stream.start",
        "recordId": uuid4().hex,
        "audio": {
            "audioType": "mp3",  #修改为测试文件的类型
            "sampleRate": 16000, #修改为测试文件的sampleRate
            "channel": 1,    #修改为测试文件的channel
            "sampleBytes": 2   #修改为测试文件的sampleBytes
        },
        "asrParams": {
            "realBack": True,   #实时返回asr结果
            "enableVAD": True,   #启动VAD
            "enablePunctuation": True,   #返回结果是否带拼音
            "enableTone": True,   #返回结果是否带声调
            "enableConfidence": True,   #返回结果是否带置信度
            "enableNumberConvert": True,  #返回结果是否进行数字转换
        },
    }
    try:
        #发送文本消息
        await ws.send(json.dumps(content))
        # 发送音频消息
        with open(audioFile, 'rb') as f:
            while True:
                chunk = f.read(400) #wav buffsize=3200 其他的400
                if not chunk:
                    await ws.send(bytes("", encoding="utf-8"))
                    break
                print(len(chunk))
                await ws.send(chunk)
        async for message in ws:
            print(message)
            resp = json.loads(message)
            if 'dm' in resp:
                break
    except websockets.exceptions.ConnectionClosed as exp:
        print(exp)
        ws.close()

async def dds_demo():
    url = f"ws://botai-dsg.and-home.cn:4443/dsg/v1/prod?productId={productId}&apikey={apikey}"
    print(url)
    async with websockets.connect(url) as websocket:
        #await textRequest(websocket)  #发送文本请求
        await audioRequest(websocket)  #发送音频请求
asyncio.get_event_loop().run_until_complete(dds_demo())

后话

最后，通过大量的学习和试错打样，你发现米家雨水传感器，淘宝 46 包邮，搞活动更便宜，这大概是你最后的选择。

传感器基础知识​

两管脚​

三管脚​

四管脚​

五管脚​

其他特殊类​

与单片机通信​

在编程软件中识别单片机​

单片机编程​

模拟量传感器读取​

模拟量传感器输出​

数字量传感器读取​

数字量传感器输出​

单片机网络通信​

获取天气​

onenet 物联网传输数据至云端​

后话​