该系统是基于Raspberry Pi 2 和 Windows 10 IoT Core 的家庭自动化系统。该系统包含适用于 iOS、Android、Windows、Mac OSX 的 Web 应用程序，可用于控制虚拟执行器。

所需元件：

1、输入

• 按钮 ( BUSCH-JAEGER 2020US )
• 运动检测器（Abus 360°  BW8085 ）
• 室温（基于 DHT22 的设备）
• 房间湿度（基于 DHT22 的设备）
• 窗口状态（使用Honeywell Slimline 簧片触点打开或关闭）
• 日出、日落、温度和湿度（取自OpenWeatherMap ）

2、输出

• 灯（吸顶）（继电器驱动，不调光）
• 插座（继电器驱动，不调光）
• 卷帘（窗）（由上下两个继电器驱动）
• 风扇（吊顶）（每档3个继电器驱动）
• 浴室风扇（每个档位由 2 个继电器驱动）

硬件：

1、I2C总线

• 以 5V 驱动总线：RaspberryPi 以 3.3V 驱动总线，因此需要 I2C 电平转换器 (P82B96)，这是第一个（也是唯一一个）添加到 RaspberryPi 2 的设备（控制器），用于此连接的电缆应尽可能短。
• 使用 CAT7 之类的双绞线电缆：将一对用于 SDA&GND，另一对用于 SCL&GND，。SDA&SCL 勿使用单根双绞线电缆，还要确保电缆的屏蔽层连接到 PE（在德国）。
• 首选绞合电缆
• 在 SDA 和 SCL 的总线末端添加 10k 的上拉电阻。
• 将总线速度限制为 100kbits（标准模式）。
•  I2C 缓冲器 (P82B96)，该 IC 可用作电平转换器或可用于分隔物理段中的总线，缓冲区应放置在总线的中间。

这种优化的 I2C 总线用于连接电源分配器内的每个板。

2、继电器板（输出）

为继电器和 IC 添加了支架，因此如果其中一个损坏，可以轻松地更换它们。另一点是可以使用PCA9555D代替MAX7311，

HSRel5 中继板：

• 具有5个继电器、3个GPIO 
• 所有需要的端口都取自具有 8 个GPIO的内部PCF8574 8 位端口扩展器，前 5 个用于继电器，后 3 个可用于其他输出

继电器需要 12V 才能工作，而端口扩展器（只能驱动 LED）无法提供。因此，需要一个中继驱动程序。继电器与继电器驱动器相连，而继电器驱动器又与逆变器相连。这个逆变器是必需的，因为在 IC 上电后，端口扩展器上的所有端口的状态都是高电平，将关闭所有继电器。 

如果第一个继电器要关闭，则需要使用I2C总线向端口扩展器发送00011110（MSB）。这会将第一个端口设置为LOW （其他端口也被更新）。端口扩展器的第一个端口连接到逆变器的第一个输入端。逆变器的第一个输出连接到继电器驱动器 (ULN2803) 的第一个输入。作为链的最后一部分，继电器连接到继电器驱动器的第一个输出端。

继电器板 HSRel8(+8) ：

• 使用MAX7311作为端口扩展器
• 包含 8 个继电器、8 个GPIO 

该板不需要硬件逆变器，这意味着HSRel5 上继电器的高电平状态是关闭，而HSRel8(+8) 上的高电平状态是开启。 这种不同的行为由这些设备的驱动程序处理。

每个灯、插座等都连接到这些继电器。

3、端口扩展器（输入）

按钮、运动检测器和簧片开关（用于窗户）连接到 来自CCTools 的名为I2C-Port16 HS的电路板 。该板包含一个端口扩展器（MAX7311 ）、每个端口的上拉电阻（5V、10K）和陶瓷电容器（100NF ）。该板可使用 12V 或 5V 电源。陶瓷电容器用于滤除噪声（毛刺滤波器）。

每个输入设备（按钮、运动检测器、簧片开关）都有自己的电缆连接到电源分配器。甲CAT7电缆用于每个输入装置，因为它需要具有屏蔽，其与PE（保护接地）相连接。具有多个按钮（如卷帘按钮）的点只需使用一根CAT7电缆即可连接。

在电源分配器处，每个输入设备都连接到端口扩展器的一个端口和GND 。由于上拉电阻，端口状态默认为高电平。按下按钮会将端口连接到GND ，从而导致端口处于低电平状态。运动探测器和簧片触点也以这种方式工作。

共享中断电缆连接到所有输入板。默认情况下，此电缆是上拉的。如果任何端口扩展器的状态发生变化，相应的端口扩展器会将中断状态设置为低电平。此行为可防止使用 I2C 总线对所有端口扩展器进行连续轮询。Pi2 上的软件仅轮询相应的GPIO。 如果中断 GPIO 处的状态已更改，则会相应地轮询每个输入板的当前状态，并在需要时触发事件。

4、树莓派 2

Raspberry Pi 2 运行 Windows 10 IoT，并通过定制外壳安装到配电器上。它还具有带状态 LED 的原型屏蔽罩、带上拉电阻 ( 10K )、保护电阻 ( 1K )的中断端口和用于毛刺过滤的陶瓷电容器 ( 100NF )，所有电缆都可以使用螺钉端子接线。

5、温湿度传感器

使用DHT22 (AOSONG)测量每个房间/地点（当前为 10）的当前温度和湿度。该传感器使用不支持寻址的专有协议提供当前温度和湿度。这要求每个传感器都连接到微控制器。添加一个Arduino Nano V3.0作为I2C总线的从设备，Arduino 从所有连接的传感器每2.5秒，并且高速缓存至本地读取值。发送端口 id (0-10) 后，可以从Arduino Nano读取这些值。使用 I2C 总线从寄存器读取数据时的行为是相同的。

温度和湿度使用两种不同的视图显示在 Web 应用程序中。

（WEB应用程序的温度和湿度）

湿度（“Luftfeuchtigkeit” ）条目右侧的图标表示墙壁上霉菌生长的风险是否增加。小于 60% 的值是绿色，小于 70% 是黄色，高于 70% 是红色。

Web 应用程序还提供所有传感器的概览。

硬件设置：

下图说明了使用输入和输出板的配电器上的硬件设置，未显示 12V/5V 电源和 N/PE 连接。

433Mhz远程中继 

此功能使继电器板成为可选的，负责DHT22 （温度和湿度）传感器的Arduino Nano也发送 433Mhz 信号。发送器（FS1000A ）与温度和湿度传感器一起安装在房屋中央房间的箱子内。为了进一步增加发射器的范围，它额外使用 12V 供电（也适用于 3.3 但范围较短）。

远程中继的主要问题之一是它们不发送任何状态信息。因此，用户有可能通过使用原始遥控器将状态更改引入系统。为了强制同步，软件解决方案每 5 秒自动更新一次状态。这使 Web 应用程序上显示的状态尽可能可靠（但使原始遥控器的使用无用）。  

远程继电器可用于每个自动化系统，并提供与继电器板继电器相同的功能。

433Mhz 遥控器的代码目前只能通过原型板上的电路进行手动配置。然后将这些代码复制到配置中。下面引用了所需电路板的Fritzing草图，Arduino草图位于文件夹中的存储库中 CK.HomeAutomation.SensorsBridge\RemoteCodeFinder。 

软件：

下面引用的存储库包含 Visual Studio 2015 解决方案和所有相关项目。只需将 Raspberry Pi 2 用作家庭自动化控制器，同时通过为其他继电器板或传感器编写自定义驱动程序来进行扩展。 

软件解决方案的项目分为：

• 应用程序（包含网络应用程序）
• 控制器（包含 Pi 的启动项目和家庭配置）
• SDK（包含所有共享项目）

CK.HomeAutomation.TraceViewer

该项目包含一个控制台应用程序，用于显示控制器（Pi2 实例）发送的跟踪消息。当前，所有通知都使用 UDP 套接字连续发送到广播地址。因此需要在防火墙上打开一个端口（例如 19227），使用 TraceViewer 来查找错误和/或错误配置。

发送通知所需的所有类都位于项目中CK.HomeAutomation.Notifications。

CK.Home自动化.网络：

该项目包含基本 HTTP 服务器的实现。Web 应用程序需要 HTTP 服务器，它以 JSON 格式提供状态信息并接受状态更改的请求。

HTTP 服务器还能够托管 Web 应用程序。由于包名称不同，必须使用管理 SMB 共享将 Web 应用程序的内容手动上传到目标文件夹。 

目标文件夹： \\[IP]\c$\Users\DefaultAccount\AppData\Local\Packages\CK.HomeAutomation.Controller-uwp_p2wxv0ry6mv8g\LocalState\app

CK.HomeAutomation.Controller.*

Controllers 文件夹中的每个项目都是一个实施IoT 后台任务的启动项目。

在测试解决方案之前，您应该熟悉以下任务：

从头开始设置带有 Windows 10 IoT 的 Raspberry Pi2 ( https://ms-iot.github.io/content/en-US/win10/SetupRPI.htm )
使用 Microsoft PowerShell 远程会话 ( https://ms-iot.github.io/content/en-US/win10/samples/PowerShell.htm )连接 Raspberry Pi2

将通用 Windows 应用程序部署到 Raspberry Pi2。

解决方案目录还包括一个小的PowerShell脚本SetupRaspberryPi.ps1，该脚本被调用以执行用于设置 Raspberry Pi2 的通用命令链。

CK.HomeAutomation.Actuators：

该项目提供了最高级别的抽象。家庭、房间末端每个执行器如按钮、灯、插座等都在这个项目中实现，并根据每个执行器的特性提供特殊的事件和方法。

可以使用 fluent API 创建房间，这使得配置易于阅读和理解。 

MotionDetector - 执行器：

该执行器用于检测房间内的人和运动。

运动检测器执行器的实现提供了两个事件。两者中的第一个MotionDetected是检测到运动时触发的事件。物理运动检测器将输出保持在高电平，直到没有检测到进一步的运动，此时 会触发第二个事件DetectionCompleted。

下图显示了 Web 应用程序中运动检测器的条目。可以使用 Web 应用程序停用每个运动检测器（仅在软件中）。红点表示当前检测到运动。

按钮 - 执行器：

这个执行器代表一个物理按钮。该按钮有两个事件，表示它被按下。事件PressedShort ，如果按钮被按下一个短的持续时间（<1.5秒），而事件被触发PressedLong是否已按下了更长的持续时间的按钮仅触发（> 1.5秒）。如果超过持续时间（1.5 秒）并且没有释放按钮，第二个事件也会自动触发。这两个事件允许按钮具有多种功能。

例：

该解决方案还包含一个. 此按钮实现相同的界面 ( )，只能使用 Web 应用程序“按下”。VirtualButtonIButton

插座、灯、BinaryStateOutput - 执行器：

该类BinaryStateOutput仅用于支持二进制状态（ON和OFF ）的每个执行器。这些执行器的示例是Socket和Lamp。基本实现提供了更新（ON和OFF ）或切换状态的方法。Buttons 可以与实现 的对象交互IBinaryStateOutputActuator，这允许添加多个自定义执行器。

下图显示了每个二进制状态输出的模板。左侧的图标对于插座和灯是不同的。可以使用Web 应用程序的配置文件 ( )定义自定义图标，例如“ Mückenstecker ”条目中的毒瓶Configuration.js。

组合二元状态执行器：

每个类型的物理执行器 BinaryStateOutput 都可用于创建逻辑二进制状态执行器。如果状态应该被切换，则必须将一个执行器设置为“主”，这是确定新状态所必需的。执行器有自己的 ID，可以像任何其他二进制状态输出执行器一样使用（实现了所需的接口）。

这种实现的一个重要优点是处理状态更新的方式。通常一个二进制状态输出的新状态直接通过I2C总线一个一个地提交给每个设备。这种行为会在每个执行器状态更新之间产生短暂但可见的延迟。所述 CombinedBinaryStateActuator 防止使用内部变动跟踪这种延迟。

例子：

状态机 - 执行器：

该执行器允许端口（继电器）或其他二进制输出执行器具有多种状态。 

带风扇的示例：

状态机提供了关闭它或移动到下一个状态的方法。如果已达到状态机的最后一个状态并且接下来应应用初始状态，则状态将重置为OFF 。

状态机的另一个用例是为其他几个执行器创建模板或“情绪”。

示例心情：

该方法WithTurnOffIfStateIsAppliedTwice确保状态机的状态将在第二次激活特定触发器时更改为OFF ，因为配置的状态仍然处于活动状态（例如：按下“ DeskOnly ”按钮将激活“ DeskOnly ”情绪。如果在“ DeskOnly ”情绪仍处于活动状态时再次按下按钮，则执行器将应用关闭状态。不需要用于关闭状态的专用按钮。）。

下图显示了状态机的模板。可以使用 Web 应用程序的配置文件更改每个状态的标题和图像。

温度传感器/湿度传感器：

使用 I2C 传感器桥读取温度和湿度值。这两个值都是从单个物理设备读取的，但分为温度执行器和湿度执行器。这些值每 10 秒自动轮询一次。

该解决方案提供了多种自动化：

1、自动开启和关闭自动化

此自动化将连接的二进制状态输出设置为ON。按钮或运动检测器可用作触发器。需要指定所需的ON状态持续时间。如果超出该范围，则状态设置为OFF 。如果超出指定范围，状态将自动设置为OFF 。可以提供启用自动化规则的可选时间范围。“仅白天”或“仅夜间”的预定义范围可用（需要气象站对象）。

例子：

2、AutomaticRollerShutterAutomation：

这种自动化用于根据多种条件自动移动多个卷帘。这些条件之一是日出和日落，这意味着卷帘在日出时自动向上移动，在日落时自动向下移动（需要气象站对象）。也可以为日出和日落添加差异。根据日出和日落功能，可以指定“之前不打开”的时间，以确保在到达该时间点之前不会打开卷帘。另一个条件是室外温度（也需要气象站对象），如果室外温度超过特定值（例如 28°C），卷帘门会自动关闭。此功能适用于屋顶窗。

卷帘的位置也通过时间测量进行跟踪。必须配置启动和完全关闭之间所需的持续时间。

例子：

以下屏幕截图显示了 Web 应用程序中卷帘的条目。按钮上方的进度条显示当前位置。

3、自动有条件的自动化：

此自动化用于在条件匹配时将多个二进制状态输出的状态设置为ON 。此自动化用于花园中仅在夜间亮起的灯。它可以指定一个时间范围为ON的状态，并且多个时间范围OFF状态。也可以将日出和日落用于ON状态（需要气象站对象）。

例子：

4、通用自动化和复杂条件：

新实现的最新功能是通用自动化和条件框架。通用自动化旨在在满足配置条件时执行自定义操作。每次通过按钮、运动检测器、间隔或任何其他代码调用触发器时都会检查这一点。 

气象站：

许多自动化和条件取决于环境条件，例如当前天气、日出和日落时间、室外温度或湿度。所有这些信息目前由OpenWeatherMap的 WebApi 支持的虚拟气象站每 60 秒提供一次。虚拟气象站是使用界面实现的IWeatherStation，这使得无缝集成位于花园中的物理站变得容易。

CK.Home自动化.硬件：

该项目包含所有当前支持的输入和输出设备的驱动程序。特别是继电器板、CCTools 的输入板和 433Mhz 远程开关。还包括Arduino Nano （传感器桥和 433Mhz 发送器）的驱动程序和源代码。所有更高级别的对象（如执行器和自动化）都是针对接口实现的，以向金属硬件类的具体裸机添加抽象层。这使得以后可以轻松地为其他板和传感器添加更多驱动程序。

CK.Home自动化.遥测：

该项目包含两个组件。第一个是 CSV 写入器，它将每个更改的状态写入包的“LocalState”目录。可以使用管理 SMB 共享从 Pi2 下载此文件：  \\192.168.1.15\c$\Users\DefaultAccount\AppData\Local\Packages\CK.HomeAutomation.Controller-uwp_p2wxv0ry6mv8g\LocalState\BinaryStateOutputActuatorChanges.csv.

CSV 文件的示例内容：

第二个组件是AzureEventHubPublisher. 此组件将任何状态发生更改的事件以及任何传感器更改的值发送到Microsoft Azure EventHub 。如果按下按钮或检测到运动，也会生成事件。该解决方案包含用于创建所需SQL数据库表的SQL脚本和StreamAnalytics作业所需的查询（在文件夹 #Azure 中）。

每个更改的执行器状态都会生成到Azure SQL数据库中的条目。第一个条目包含 START事件和新状态。第二个条目包含END 事件以及该状态的总持续时间（以秒为单位）。 

网络应用程序：

软件解决方案包含该项目 CK.HomeAutomation.App。这个项目是一个建立在AngularJS 、jQuery和Bootstrap之上的网络应用程序。从控制器 (Pi2) 读取房间配置，并根据现有房间生成 UI。

可以使用 文件直接从文件系统打开 Web 应用程序，也可以将其 上传到 Web 服务器。该文件 用于配置和翻译 Web 应用程序。必须在配置文件中设置控制器（Pi2 实例）的 IP 地址：index.htmlConfiguration.js

仅当 Web 应用程序托管在 Web 服务器上时，它才可以添加到iOS的主屏幕（我个人使用带有 nginx 的 BananaPi）。将 Web 应用程序添加到主屏幕的描述如下：http :  //www.tech-recipes.com/rx/44908/ios-add-website-shortcut-to-home-screen/

在 Raspberry Pi2 上托管 Web 应用程序已经在进行中，但目前不完全受支持。

终端

该网络应用程序也在客厅运行，旧的 iPad 3 用作终端。