開(kāi)發(fā)案例｜家用熱水器智能化改造記

本文分成四部分：硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、APP設(shè)計(jì)、多人共享功能，最終實(shí)現(xiàn)了熱水器的遠(yuǎn)程控制功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)模塊大量普及，各種“云”應(yīng)接不暇，物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入家庭的速度明顯提高。作為電子DIYER，意味著有了可以快速解決家庭實(shí)際需求的有力工具，以前的各種奇思妙想，都可以使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)啦。
這不，老婆大人看到我做的門燈控制器，就提出來(lái)讓我把家里的熱水器改裝成帶物聯(lián)網(wǎng)遙控的，可以在下班前用手機(jī)打開(kāi)熱水器，回到家就能有熱水用。最終制作的作品是這樣的：
一、硬件部分1.1 需求分析

我家的熱水器是海爾EC5002-05，它可以設(shè)置好加熱功率檔位和加熱目標(biāo)溫度，打開(kāi)開(kāi)關(guān)自動(dòng)按照預(yù)置功率加熱至目標(biāo)溫度。

它的控制開(kāi)關(guān)是微動(dòng)開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)按下是需要一定的力度的。

我的主要工作其實(shí)就是用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打開(kāi)這個(gè)開(kāi)關(guān)就行了，只要能通過(guò)手機(jī)控制這個(gè)電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，回到家就能用上熱水。

1.2 總體設(shè)計(jì)

要想控制電源開(kāi)關(guān)按下，有兩種思路。

第一種，就是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械裝置，模擬人按下開(kāi)關(guān)的動(dòng)作；

第二種，就是用電信號(hào)控制它打開(kāi)。

按照以往的工作經(jīng)驗(yàn)，我覺(jué)得可以采用下面幾種方案，每種方案都是用ESP8266進(jìn)行控制的，給出開(kāi)關(guān)量控制。

（一）使用電磁鐵，給出一個(gè)向下的按壓動(dòng)作。比如下面的這種，它就能產(chǎn)生一個(gè)向下按壓的動(dòng)作，來(lái)完成按壓。這種方案的缺點(diǎn)是電磁鐵工作電壓很高，有的220伏，有的是12伏或者是24伏，而且它體積較大，也比較重，專門為它設(shè)計(jì)一個(gè)支架，也不好設(shè)計(jì)。此外，還不知道它的力度好不好控制，萬(wàn)一這玩意力度太大，把面板給弄壞了。。。。

（二）使用普通舵機(jī)。正好家里有一個(gè)普通的舵機(jī)，arduino套件里面的SG90舵機(jī)，它很小，也很便宜，但是完成點(diǎn)擊的動(dòng)作是沒(méi)問(wèn)題的。缺點(diǎn)也是需要一個(gè)專門的固定架子，此外，還需要專門的供電電源，以及PWM控制信號(hào)提供者。我以前做過(guò)一個(gè)STC計(jì)算器，用這個(gè)單片機(jī)提供PWM信號(hào)也行，不過(guò)就是增加了最終作品的體積和復(fù)雜程度。（ESP8266也可以提供PWM，不過(guò)沒(méi)時(shí)間學(xué)它怎么用）

（三）使用直線舵機(jī)。在尋找合適的舵機(jī)的時(shí)候，竟然發(fā)現(xiàn)還有這種“直線舵機(jī)”。它其實(shí)就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)利用一個(gè)螺桿轉(zhuǎn)換成了直線運(yùn)動(dòng)，使用起來(lái)仍然是PWM控制方式，看上去這個(gè)東東比較適合我，如果說(shuō)有缺點(diǎn)的話，仍然是需要為它設(shè)計(jì)支架。

以上三種方案，都是模擬人手按壓微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的，都需要設(shè)計(jì)安裝支架。而支架安裝到哪里，是個(gè)問(wèn)題，安裝到墻上，可能需要一個(gè)龐大的支撐架子，安裝到熱水器上，可能需要打孔或者用強(qiáng)力膠固定。即使固定的問(wèn)題能夠解決，那么支架呢？當(dāng)然可以用3D打印來(lái)解決，當(dāng)然3D打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是需要反復(fù)多次的，當(dāng)然時(shí)間是可能會(huì)受到批評(píng)的，當(dāng)然美觀程度是會(huì)受到我家外貌協(xié)會(huì)那位質(zhì)疑的。

（四）使用ESP8266直接控制，給出電信號(hào)。就是拆開(kāi)熱水器看看，這個(gè)開(kāi)關(guān)下面的電路板上面，按下之后給控制芯片提供了一個(gè)高電平還是低電平，如果按下就是高電平，抬起就是低電平，那么我讓ESP8266直接輸出一個(gè)高電平給控制芯片就行了。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是ESP8266可以隱藏著熱水器內(nèi)部，外觀上看不出任何痕跡。缺點(diǎn)是ESP8266輸出的電平是3.3伏，而后來(lái)測(cè)量的熱水器控制板電平是5伏，不可以通用，再加一個(gè)電平匹配電路，擔(dān)心時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)有安全隱患。不怕一萬(wàn)，就怕萬(wàn)一。

（五）使用ESP8266控制繼電器，控制開(kāi)關(guān)引腳短路。這個(gè)思路就是把熱水器控制板上電源開(kāi)關(guān)按鍵用導(dǎo)線引出來(lái)，然后用ESP8266搭建一個(gè)電路，控制這兩根導(dǎo)線的通斷，其實(shí)根子里，還是模擬按鍵，只不過(guò)不用機(jī)械裝置來(lái)按壓微動(dòng)開(kāi)關(guān)了。

這么做的好處優(yōu)勢(shì)很明顯，就是安全，不管外部控制電路發(fā)生什么問(wèn)題，大不了，就相當(dāng)于熱水器的開(kāi)關(guān)按下或者打開(kāi)，不會(huì)引起熱水器任何故障。而且這個(gè)方案實(shí)現(xiàn)速度快，不用大量的機(jī)械加工工作。

當(dāng)然這樣做是需要一定的技術(shù)基礎(chǔ)的，不建議看了帖子的朋友一定要自己動(dòng)手DIY。生命誠(chéng)可貴，用電須謹(jǐn)慎。

綜上所述，總體設(shè)計(jì)選用第五套方案，這里沒(méi)有說(shuō)軟件，是因?yàn)槲抑粫?huì)用機(jī)智云，而且機(jī)智云非常好用，還可以生成APP源碼。

1.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.3.1 熱水器引出控制線

硬件清單：電線若干、連接器接頭若干

制作步驟：

1.斷開(kāi)電源，打開(kāi)熱水器控制面板，它用4個(gè)螺絲固定，用頭部帶磁性的螺絲刀拆下，防止掉下來(lái)找不到了。

2.拆開(kāi)控制電路板保護(hù)殼

3.拔掉連接排線，取出電路板，可以看到微動(dòng)開(kāi)關(guān)，按下電源開(kāi)關(guān)，其實(shí)就是按下了右下角那個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)SW4。
4.在電源微動(dòng)開(kāi)關(guān)背面找到它的引腳，它是4個(gè)引腳，兩個(gè)一組，組與組之間平時(shí)是不導(dǎo)通的，用萬(wàn)用表確定好引腳有，焊接電線。我用的是非常好的硅膠線，特別柔軟，但是特別可靠。

5.為硅膠線做一個(gè)連接器，我不習(xí)慣用膠帶隨便纏一下，老是覺(jué)得那種連接不可靠。

6.用膠**固定一下焊接點(diǎn)，防止拉扯導(dǎo)致短路

7.做一個(gè)將導(dǎo)線引出熱水器外部的連接線。注意使用熱縮管。

8.將控制板安裝回去，里面空間足夠大，然后把紅色的連接器留在熱水器控制面板外殼里面。

9.安裝完成的效果是這樣的。


1.3.2 ESP8266控制器設(shè)計(jì)
硬件清單：ESP8266模塊、殼體、洞洞板、三極管、電阻、繼電器模塊、導(dǎo)線若干

制作步驟：

1.準(zhǔn)備ESP8266模塊，使用到的引腳有三個(gè)：VCC,GND和GPIO12（當(dāng)然也可以用其他引腳，只不過(guò)編程時(shí)需要進(jìn)行初始化）

2.準(zhǔn)備3.3伏轉(zhuǎn)5伏電路。因?yàn)镋SP8266輸出的IO電平是3.3伏，而手頭的繼電器是5伏才能控制，所以需要加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換，或者叫做開(kāi)關(guān)電路，使用的是NPN三極管S8050，原理是下圖。注意，連接基極的電阻最后測(cè)試應(yīng)該為1K，集電極帶箭頭的是輸出。這個(gè)電路用到的是三極管的開(kāi)關(guān)功能。實(shí)際上三極管原理非常復(fù)雜，模擬電路有專門的課程進(jìn)行學(xué)習(xí)，我們這里只用了一個(gè)基本的電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)3.3伏驅(qū)動(dòng)5伏的器件，也就是繼電器（5伏工作電壓）

3.用洞洞板固定單排母（用來(lái)插入ESP8266模塊）和三極管電路，給ESP8266供電（5伏），并將GPIO12連接至三極管電路的基極電阻上。洞洞板打3毫米孔，用來(lái)固定在殼體上。

4.給殼體開(kāi)孔，用來(lái)向外連接導(dǎo)線。

5.將洞洞板打孔位置、繼電器板安裝孔位置在殼體內(nèi)部確定好，然后想辦法用膠**固定幾個(gè)尼龍螺母。有動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)的人一看就知道怎么安裝的，這里就不再細(xì)細(xì)贅述過(guò)程。

6.將VCC、GND和信號(hào)線都連接好，同時(shí)也連接好繼電器，我手頭只有一個(gè)雙路繼電器，其實(shí)單路繼電器就夠用了。

7.給ESP8266供電的是USB接口的充電器，現(xiàn)在家里往往都有好幾個(gè)閑置的充電器可以用，充電器也是一個(gè)專門的學(xué)問(wèn)，大廠的充電器質(zhì)量還是杠杠滴，用在這里非常合適（省電、可靠），比自己做一個(gè)簡(jiǎn)單的220轉(zhuǎn)5伏電路可靠多了。

8.繼電器引出的兩根線連接到熱水器控制線上

9.為了提高可靠性，用了多層熱縮管，將熱水器那端的連接器縮住，可以抵抗水汽可能引起的短路（其實(shí)短路就相當(dāng)于電源開(kāi)關(guān)按下，并不會(huì)產(chǎn)生危害性后果）。多層熱縮管的作用，有點(diǎn)類似于德國(guó)人連接電纜。

用到的工具比較多，最后做出來(lái)的作品看上去卻很簡(jiǎn)單

硬件部分做好了之后，還需要軟件的配套才能實(shí)現(xiàn)控制熱水器開(kāi)關(guān)的功能。

二、軟件部分2.1 注冊(cè)機(jī)智云賬號(hào)

在機(jī)智云自助開(kāi)發(fā)平臺(tái)上注冊(cè)自己的賬號(hào)，以后自己設(shè)計(jì)的任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以放在這個(gè)賬號(hào)上面。
https://dev.gizwits.com/zh-cn/developer/

2.2 創(chuàng)建新的設(shè)備并生成源代碼

首先創(chuàng)建一個(gè)新設(shè)備

然后添加數(shù)據(jù)點(diǎn)

數(shù)據(jù)點(diǎn)是light_onoff，這個(gè)名字可以是自己定義的其他字母。

在基本信息里面就會(huì)看到這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的基本信息，注意Secret要想看到完整的，還需要二次密碼驗(yàn)證。

選擇MCU開(kāi)發(fā)

再選擇SOC方案

然后輸入secret，生成代碼包


下載之后發(fā)現(xiàn)這個(gè)代碼包跟樂(lè)鑫的結(jié)構(gòu)差不多（這句話是說(shuō)給用過(guò)樂(lè)鑫官方代碼朋友聽(tīng)的）

2.3 編譯ESP8266源代碼

上一步生成的源代碼是運(yùn)行在ESP8266模塊內(nèi)部的，怎么編譯和燒寫呢？

下面這個(gè)文檔有說(shuō)明：

https://dwz.date/fpVy

關(guān)于開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建的內(nèi)容：

https://dwz.date/fpVz

關(guān)于ESP8266平臺(tái)文件說(shuō)明：

跟前面學(xué)習(xí)編譯的內(nèi)容都差不多，也是跟樂(lè)鑫一樣在D盤新建一個(gè)VM文件夾。
然后把所有的文件都放在這個(gè)文件夾。我將文件夾名字命名為SoC_ESP8266，這樣短一些，方便輸入。

首先讓linux和windows共享文件夾
輸入用戶密碼：“espressif”，回車確認(rèn)。

這時(shí)能夠在VM VirtualBOX虛擬機(jī)里面通過(guò)文件夾管理器看到已經(jīng)共享成功了。

本文所要實(shí)現(xiàn)的目的是手機(jī)APP控制這個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)GPIO12的開(kāi)關(guān)，也就是高低電平的轉(zhuǎn)換。

上面的步驟生成的源代碼是不能實(shí)現(xiàn)具體引腳的控制的，那么為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)引腳的控制，就需要對(duì)代碼進(jìn)行修改。

修改的步驟是在VM文件夾下面，找到相應(yīng)的.c或者.h文件，用記事本或者其他軟件打開(kāi)并進(jìn)行編輯。

只修改了一點(diǎn)點(diǎn)。

在user_main.c中的keyinit函數(shù)中，添加了初始化GPIO12的代碼。

然后在gizwits_product.c中，添加了讓小燈翻轉(zhuǎn)的代碼。

沒(méi)錯(cuò)，就是這么簡(jiǎn)單，就像是51單片機(jī)一樣，對(duì)引腳初始化，然后在功能函數(shù)中讓它變成高低電平。

2.4 編譯源代碼并燒寫進(jìn)入ESP8266

接下來(lái)開(kāi)始對(duì)這個(gè)源代碼進(jìn)行編譯。
下面進(jìn)入app目錄，下面這個(gè)界面是運(yùn)行了VM VirtualBOX虛擬機(jī)里面的LX客戶端。模擬的是linux操作系統(tǒng)。
進(jìn)入某個(gè)目錄用的是cd命令。

運(yùn)行編譯腳本：./gen_misc.sh
編譯速度很快


接下來(lái)開(kāi)始燒寫
機(jī)智云自動(dòng)生成的代碼中，有一張圖片，這個(gè)圖片說(shuō)明了該燒寫進(jìn)入哪個(gè)地址

下面開(kāi)始燒寫。

為了方便初學(xué)者看懂，這里說(shuō)一下硬件連接，ESP8266模塊由上下兩塊組成，其中上面這個(gè)就是ESP8266功能板，下面這個(gè)其實(shí)是一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的板子，芯片是CH340，只不過(guò)做成了和ESP8266功能板的尺寸一樣了，其實(shí)它的功能是和買的那種USB轉(zhuǎn)串口的模塊是一樣的。用一根micro USB數(shù)據(jù)線，也就是目前手機(jī)常用的充電/數(shù)據(jù)線就行了，注意，不是TYPE-C數(shù)據(jù)線。連接電腦之后，會(huì)自動(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)然，要確保電腦是聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)安裝成功之后，就會(huì)在設(shè)備管理器中顯示當(dāng)前串口是COM幾，串口號(hào)記下來(lái)，在燒寫的時(shí)候，選擇這個(gè)串口號(hào)就行了。

點(diǎn)擊電腦上的燒寫軟件START，然后按下板子上的FLASH按鍵不松手，然后按下RST按鍵，松手，再松開(kāi)FLASH按鍵。一般情況下可以一次燒寫成功，如果不成功，請(qǐng)?jiān)俅吸c(diǎn)擊燒寫START，再次按照FLASH和RST按鍵步驟進(jìn)行燒寫。

燒寫完之后，模塊就能夠使用了。

三、App開(kāi)發(fā)

工具非常重要，我們所要做的控制器APP，只需要一個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)模塊的控制就行了，所以，能用現(xiàn)成的解決方案最好。

好在機(jī)智云可以自動(dòng)生成代碼，能做的，都做好了。

3.1 登錄機(jī)智云自助開(kāi)發(fā)平臺(tái)：dev.gizwits.com

3.2 首先添加一個(gè)新的應(yīng)用

定義一個(gè)名稱

這是我們要控制的設(shè)備ID和SECRET

3.3 在線生成APP源碼

選擇安卓源代碼

生成速度很快

生成的代碼中，有AndroidStudio和Eclipse兩種形式的代碼。

推薦選擇Android Studio。注意這個(gè)軟件需要前期下載SDK，具體的下載方式請(qǐng)自行網(wǎng)絡(luò)查詢。這方面的知識(shí)屬于本文之外的知識(shí)，為了保持文章脈絡(luò)一致性，在此就不詳細(xì)描述。如需博主幫助，請(qǐng)留言索取詳細(xì)設(shè)置方式。

編譯好的APP，安裝到手機(jī)上之后的界面如下。這些視覺(jué)元素都是機(jī)智云自動(dòng)生成好的。如果需要進(jìn)行美化等等操作，也需要安卓編程的基礎(chǔ)。在此就不詳細(xì)描述了。通過(guò)這個(gè)APP，就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)家里熱水器控制模塊的控制了。手機(jī)無(wú)論在哪里，只要有網(wǎng)絡(luò)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家里熱水器的控制。

這個(gè)APP制作出來(lái)后，只能在一臺(tái)手機(jī)上使用。這是它的一個(gè)缺點(diǎn)。總不能誰(shuí)想用熱水器都給我打個(gè)電話讓我來(lái)開(kāi)關(guān)吧，所以還是需要做成多人可控的才行。

給家里的熱水器改造了物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)之后，在第三節(jié)中開(kāi)發(fā)App只能我一個(gè)人控制。為了達(dá)到全家人均能遠(yuǎn)程控制熱水器，所以我又制作了設(shè)備二維碼，方便家人也能掃碼控制改造后的智能熱水器。

四、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品共享

4.1 首先產(chǎn)品需要開(kāi)通共享功能

在機(jī)智云開(kāi)發(fā)者中心“開(kāi)啟設(shè)備分享功能”

機(jī)智云開(kāi)發(fā)者中心：dev.gizwtis.com

4.2 在文檔中心搜索“二維碼”

文檔中心：docs.gizwits.com

APP綁定設(shè)備二維碼生成教程

跟著說(shuō)明走就行了

4.3 注意事項(xiàng)

首先需要授權(quán)

然后才開(kāi)始進(jìn)行生成。

需要輸入product key，和MAC地址。這個(gè)界面跟以前版本的不一樣了，以前直接輸入，現(xiàn)在還要填寫格式才行。我的是HEX格式的。

MAC地址可以從設(shè)備日志進(jìn)行查詢。

返回201，生成成功了。

點(diǎn)擊選擇“查詢所有生成的二維碼”

展開(kāi)之后，輸入product_key，填寫之后try it out
生成成功了。代碼是200.

下載地址就是機(jī)智云通用地址和生成的地址合起來(lái)。
http://qrcode.gizwitsapi.com:1800/static/zipfiles/2XXXXXX.zip
在瀏覽器輸入這個(gè)地址之后，再下載。

下載的圖片是這樣的，這個(gè)圖片是以MAC地址進(jìn)行命名的。XXXXXXXXc0ce925，以后讓晶掃描二維碼就可以控制家里的熱水器了。

注意，這個(gè)二維碼通過(guò)機(jī)智云APP就能夠綁定。

機(jī)智云APP可以在應(yīng)用商店搜搜“機(jī)智云”即可下載安裝。