技术标签: 水位检测 水温测量 Raspberry Pi Zigbee #Zigbee CC2530 嵌入式
家在顶楼,想着利用太阳能,就安装了太阳能热水器,但毕竟遇上刮风下雨,靠天吃饭不靠谱,太阳能热水器虽然也有电热功能,但水用完了加热等待时间太长,所以也安装了天然气热水器。
大致的管路示意图如下:
但这样使用时就稍显麻烦,因为燃气热水器这边直接承受自来水水压,压力较大,如果两边的阀门同时打开,水就会从太阳能热水器的热水管逆向流动,给太阳能热水器反向上水,直至热水器水箱装满溢出也不会停止,因此,两边的阀门不能同时开启。曾经尝试在太阳能这边安装止逆阀,但效果不佳,止逆阀无法完全密封,只是稍微延缓溢出的时间而已。
我家的燃气热水器还有个特点,因为装在露台,是室外机型,待机15分钟就会自动关闭,此时打开水,热水器不会自动点火,必须按动控制器上的开关打开热水器,才会响应用水请求点火。而且更麻烦的是,每次开机后,之前设定的水温又会自动回到40°,而洗澡水温通常要设定到60°,浴室里的水温水压感觉才最合适,意味着每次开机都要重新设定水温。
燃气热水器在露台,而太阳能热水器的控制器又在洗手间,和露台隔着一个大客厅。
综上可见,每次用热水之前,这个过程之麻烦:
1. 到洗手间查看太阳能热水器的水温和水位;
2. a) 如果太阳能的热水合用,则:
2. a) i) 打开太阳能的热水出水阀;
2. a) ii) 跑去露台关闭燃气热水器的进水阀;
2. b) 如果太阳能这边热水不可用,则:
2. b) i) 关闭太阳能出水阀;
2. b) ii) 跑去露台打开燃气热水器的开关;
2. b) iii) 重新设定水温;
2. b) iv) 拧开燃气热水器进水阀。
自己使用习惯了,也就罢了,每次家里来了客人,要洗澡什么的,都得鞍前马后伺候着,因为实在不觉得客人能在短时间之内搞清楚这么复杂的逻辑,直接放弃解释,亲自服务吧。
作为一个Diyer,实在无法忍受这种情况,终于决定要用科技解决这个问题。
决心是下了,大致方向是用单片机采集太阳能的水位水温,并监测太阳能和燃气的用水状态,动态控制两边的阀门和燃气的开关以及温度设置,但具体采用什么方案解决这个问题呢?
因为设备分布在几个不同的地方,肯定需要无线组网,之前Wifi、蓝牙接触较多,但感觉太重量级了。听说过Zigbee,但还从来没用过,调查了一下,作为家庭内部的智能设备组网,确实比蓝牙和Wifi都合适,于是初步设计系统架构如下:
如上图所示,系统主要由4个Zigbee设备和一个Raspberry Pi树莓派组成。
Zigbee Device 1利用自动增压泵上的自动开关监测太阳能热水器的用水状态,并上传至Coordinator;同时还负责控制太阳能热水器的出水阀门。
Zigbee Device 2负责监测太阳能热水器的水位和水温,并上传至Coordinator。
Coordinator作为Zigbee系统的核心,负责组网的同时,接收Zigbee Device 1、2传来的太阳能热水器的各种数据,自身对燃气热水器的开关状态、使用状态进行监测,并根据水温条件,自行对燃气热水器和太阳能热水器的工作状态进行控制。同时,Coordinator上还有按钮,支持手动切换太阳能和燃气热水器的工作状态。
以上三个组件为系统工作的核心组件,缺一不可,下面则为可选组件。
Zigbee device 3和树莓派组成了本系统的网关和远程控制终端。Device 3和Coordinator通过Zigbee协议进行通信,并利用串口将各种状态和命令与树莓派进行通讯,树莓派作为上位机,既可以利用触摸屏通过QT界面对本系统进行控制,也可以接入家中的Wifi,从而接入Internet,利用手机对本系统进行远程监控操作。
系统架构确定了,就开始着手实施,因为这是第一次接触Zigbee,是一个全新的学习过程,故而通过这篇文章记录之。
首先在万能的淘宝上买了四个CC2530的Zigbee模块和仿真器
也是托大,想碰碰运气,就没有买测试板,结果回来飞线开机啥都没有,两眼一抹黑,也不知道是线接的有问题还是程序有问题,毕竟从来没搞过这个模块,完全无从下手,只好老老实实再买一块测试板回来。
然后再对照着教程烧程序,跑马灯跑起来了,但串口还是没输出,只好对着测试版的电路原理图,一边看CC2530芯片手册,一边测波形,一步步排查,原来商家提供的教程和参考代码居然和他们卖的测试板都对不上,教程和参考代码中用的都是串口0,而他们测试板上USB转串口接的是串口1!nnd坑爹!找到原因了,那就对照芯片手册一步步改吧,终于串口有输出了,这才意味着开发过程中可以进行调试、而不是盲人摸象了。
然后参考教程,从流水灯开始,按键、DMA、ADC、透传……感觉能用得上的实验都做了一遍,觉得Zigbee模块基本功能摸得差不多了,可以开始正式进行系统实现了。
当然,当中串口又有个坑:之前调的是裸机程序,上了透传后ZStack中的串口配置又不对了,又是一顿好找,跟着整个流程从配置文件、端口到DMA设置改了个遍,好容易HalUARTWrite(1, “ABC”, 3)看到有输出了,这才终于松了口气。
要开发,自然得先搭软件应用层框架。
TI的Zigbee当然是基于ZStack,但即便ZStack中,也分了好多层,从AF、ZDO到ZCL等,其实这个小系统,直接基于AF层搞透传就好了,但毕竟是第一次搞Zigbee,想弄的深入一些,把那些什么profile、device、cluster、endpoint的概念彻底搞清楚,不然看了半天还是云里雾里。因此,这个系统的实现中很多地方应该是有点过度设计了,有点大炮打蚊子的感觉;有的地方甚至是画蛇添足,完全只是为了验证知识点。
为了实现设备间的双向通信,系统中采用了三种办法:
定时发送Report,主要用于水位水温等状态数据的定时采集;
发送ZCL Command,主要用于执行开关等动作;
读写ZCL Attribute,主要用于一些控制量的设置或读取;
另外,为了便于后期调试,Coordinator也利用了AF层进行透传,把一些调试信息发到网关(Device 3)。
要能通信,首先是设备定义。
Zigbee设备之间进行通信,需要几个值匹配:ProfileId,ClusterId,AttributeId。
ProfileId范围最大,是应用所属范围,例如0x0104是智能家居,0x0101是工业自动化;
ClusterId是对设备具体属性的分类,例如0x0005是场景类,0x0006是开关类;
AttributeId则是具体可操作的属性,定义可见zcl_general.h。例如:
#define ATTRID_SCENES_COUNT 0x0000
#define ATTRID_SCENES_CURRENT_SCENE 0x0001
#define ATTRID_SCENES_CURRENT_GROUP 0x0002
就是场景类下的一些属性定义。
此外,还有一个DeviceId,它定义了设备自身的类型,例如0x0001是可以控制挡位的开关,0x0002只有开/关动作的开关,0x0100是灯,0x0303是泵等等;但DeviceId只在逻辑上供应用层使用,并不是协议中达成通信的的必要条件,例如开关可以控制任何灯、水泵、空调,所以任意两种DeviceId的设备之间都可以进行通信,不形成任何约束。而服务请求/绑定/通信时的ProfileId,ClusterId,AttributeId必须一致。
还有人会说还有个Endpoint呢,Endpoint就只是一个数字而已,就好像你去别人家串门,总要知道别人家的门牌号码,但这个号码究竟是几,其实无所谓。也有点类似TCP/IP中的端口号,7777还是8888,无所谓,关键是你知道是几就好。如果不知道呢?那就用服务请求或绑定去找了。
既然是设备定义,那么要根据功能整理出一堆需要操作的变量,例如设备的开关、太阳能的水温等,定义出相应的的Attributes:
{
ZCL_CLUSTER_ID_GEN_ON_OFF,
{ // Attrib
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