如何用手機控制空調 ——簡單實用的智能家居教程

【首發少數派：如何用手機控制空調 ——簡單實用的智能家居教程】

我家有三個單體空調，型號比較老，每次要在各自的控制面板上調節開關和溫度，也沒有定時控溫功能。如果想實現遠程操控（比如在手機上），最簡單的方案就是 Nest Thermostat。然而摳門如我一看每個售價$169，三個要五百多美元，便萌生自己改裝的念頭。

可行嗎？根據電路常識推測，空調各部分工作應該是由相應 IO（Input / Output）的高低電位觸發，那麼只要找到控制面板所連結的 IO，就可以取而代之。換個角度，即使空調結構是黑盒子，既然 Nest Thermostat 能用於大部分空調型號，這說明：1，空調的 API（操控界面）是高度統一的；2，只要能模擬 Nest 的行為，就可以實現從空調 API 到 Nest API 的轉換；3，網上一定有許多通用的 DIY 開源項目。

在這個課題上，我花了一半時間找合適的開源項目。你需要綜合評價：對方解決的問題是否和你一致，交互界面你是否喜歡，配件是否經濟實惠，軟硬體系統是否強健，是否有後續開放性，可否融合到更廣的智能家居平台等等。由於是第一次改裝家電，後兩個因素暫時不考慮。因為我手頭有多餘的樹莓派 Zero，在定製的 Linux 系統下可以輕鬆安裝 Web App，通過 ssh 編程也極為簡便，於是就以 thermostat + raspberry pi + web 為關鍵詞搜索，最終選中了這個方案：PyStat。

PyStat 的用戶界面是一個網頁：

用戶界面非常直觀：第一行顯示室溫和目標溫度。第二行的三個圓圈表明相應部件是否工作。比如，在制熱時，制熱和風扇同時工作，所以第1、3個圓圈是亮的，中間代表製冷的不亮。第三行的三個方塊是用戶選擇的工作模塊，最多可選一個。注意無論選製冷還是制熱，風扇始終是工作的。第四行是溫度選擇。選好模式和溫度後點擊 Submit Changes 即可傳送指令。最下方是由 Weather API 提供的天氣預報。

因為是 Web App ，就可以在家裡任何瀏覽器上操作，比如手機和 Tablet 上：

（打折時淘的 Fire Tablet 重獲生機，可以嵌到牆裡）

因為是內網頁面，你只能在聯入家裡 Wifi 的設備上操控，即不能在回家路上事先打開空調——這是這個方案的缺點之一。我會在以後的系統智能家居方案中探索這個需求。

如果你喜歡這個界面，就可以下載代碼庫，擼起袖子幹了：

購買配件

樹莓派 Zero W $10 + shipping

Micro SD 卡（至少8G） $8

4 Channel Relay $7

DS18B20溫度探頭 $6

一個4.7k~10k歐姆的電阻

導線若干、Micro USB 充電線一根

總價：$31+。除了樹莓派以外的配件在 AliExpress 上買便宜得多，只是要等2-3周。

此外，你可能還需要用於測試的 LED 燈若干、麵包版、電焊工具、micro HDMI 線、micro USB hub、USB 滑鼠鍵盤等輔助配件，以上都不算在耗材里。

預備樹莓派

1，在樹莓派上安裝 Rasbian 系統，參考這裡。建議安裝這個帶圖形桌面的版本。

2，通過 Micro HDMI 連顯示器，在圖形界面里連上家裡的 Wifi。

3，如果選擇 ssh 聯入，記得在 raspi-config 設置里 enable ssh。

4，下載代碼：https://github.com/zhaozhichen/PyStat

設置溫度探頭

我先扯開一點，講一下空調是怎麼控制溫度的。

糾正一個許多人都有的錯誤印象：（以制熱為例）溫度調得越高，空調功率越大，室溫升溫越快。事實上，對大部分普通空調，制熱製冷功率是恆定的，和所調溫度無關。比如室溫是10度，制熱目標溫度設為20度，在制熱過程中室溫逐漸升高，當到達目標溫度加容錯值（比如2度），也就是22度時，空調停止工作。此後，室溫逐漸回落，當落到目標溫度減去容錯值，也就是18度時，制熱再次開啟，如此往複保證室溫在設定溫度周圍（18～22度）震蕩。所以，設定溫度高低只能決定最終穩定的室溫，而不能改變初始升溫的速度。

說這個原理，是因為我們要在程序里復現以上邏輯，也就是說除了控制制熱／製冷／風扇的輸出信號，我們還需要測量室溫的輸入信號。

溫度是模擬量。不同於 Arduino，樹莓派只支持數字輸入，於是需要 DS18B20 這樣的 1-Wire 設備將模擬信號轉換為脈衝數字信號，然後解碼為模擬量，保存在 /sys/bus/w1/devices 中。請參考這個 教程，並將你的溫度探頭序列號複製到這裡。注意：我們用4號介面。

安裝 Web App

我自己不會做網站，尤其不懂前端，對 LAMP 結構的 web server 敬而遠之。直到發現基於 python 的 flask，三行代碼寫 Hello World，真是找到了救命稻草，一見鍾情。Flask 的 web server 教程請參考這裡。

這個系統的主代碼是 ThermostatMain.py，初次運行時開啟三個線程，分別是 ：

• ThermostatService
• 從 current.set 讀取指令（模式：制熱／製冷／風扇，目標溫度）；
• 通過溫度探頭讀取室溫；
• 通過 GPIO 輸出制熱／製冷／風扇的開關。
• ThermostatWeb
• web server，通過溫度探頭讀取室溫顯示在網頁上；
• （可選）從指定的天氣信息服務商 API 讀取所在地氣候、天氣預報等信息。推薦 Weather 提供的 API；
• 將用戶在網頁上做的指令保存於 current.set。
• ThermostatScheduler
• 定時開關，這個沒有用戶界面，我也沒有用上。

然後循環運行以下任務：

• 記錄室溫、指令、天氣情況等信息，通過 sqlite3 保存到資料庫中；
• 檢測各進程，及時報錯。

運行主程序：

$ Python3 ThermostatMain.py

然後在其他設備上訪問：192.168.X.X:5000（填寫樹莓派的 IP 地址），應該可以看到用戶界面。

這是 web app 的單元測試（unit test）。

樹莓派電路

如果你沒有在樹莓派上用過 python 的 GPIO 庫，可以參考這個教程。我們用的樹莓派的 GPIO 針腳排布在這裡，此外可以在這裡看到更詳細的參數。我們用到了4個介面，除了用於前文提到的用於溫度探頭的4號口，其他三個輸出口分別是：

• 制熱開關：17
• 製冷開關：27
• 風扇開關：22

除此之外，還需要用到3.3伏電位和地線（ground）。所以，焊接後的電路如下（溫度探頭的焊接方式在前文提到的教程里）：

（由於我用的是樹莓派 Zero，不帶 Wifi 功能，所以需要外接 USB Wifi 模塊。如果你買的是我推薦的樹莓派 Zero W，就可以忽略這個模塊。）

在接空調之前，建議用 LED 燈模擬空調，檢測制熱／製冷／風扇在網頁提供的指令下是否工作正常。比如，在17口和地線之間串聯進一個 LED 燈加一個大於1k的電阻（防止 LED 燈電流過載而燒毀），如果空調應該處於制熱模式，燈應該亮。

這是樹莓派的單元測試。

注意：由於我們用到的 Relay 的開關和樹莓派 GPIO 的輸出是相反的，所以你在用 LED 燈測試時需要在這裡將輸出指令掉轉過來。）

空調電路

盡量獲得空調的手冊（至少是比較接近的型號），了解遙控模式的使用方式。比如，這個是和我家空調型號比較接近的控制板布局（摘自手冊）：

注意 C、E、F 區。E 區中的 Remote 必須調至 ON，這意味著你將通過 C 區針腳操控空調，同時也意味著你放棄了控制面板的操作權。C 區的針腳布局如下：

每個空調的布局不盡相同，但一般都至少含有 R、G、W、Y、C 五個介面。含義如下：

• R：24伏高電位
• C：地線 Ground
• G：風扇
• W：制熱
• Y：製冷

當 W 和 R 相連，W 就獲得了高電位，制熱模式開啟。風扇和製冷同理。

這種通用介面稱為 Thermostats C Wire，可以參考這篇介紹。

在連入空調前，建議你先測試遙控模式下針腳是否工作正常。拿一根導線，將 R 和 G 連上，應該可以觸發風扇工作。如果不行，將空調電源拔掉再接上試試。

這是空調遙控模塊的單元測試。

注意，我們在樹莓派上也連出五根線，分別對應以上五個介面。但是，樹莓派的電位是3.3伏，而空調面板使用24伏，不能直接對接，需要用轉換電壓的 Relay，電路示意圖如下（摘自這裡）：

（空調地線不用接，因為它們最終連到同一個 Ground：地面——字面意思，非冷笑話。）

實物圖（我用的是8通道 Relay，其實只用了其中三個通道）：

最後，連入空調電路：

最後運行主程序，進行端到端成品測試（End to end test）。

祝你成功！

後續

1，設置靜態IP：

sudo vi /etc/dhcpcd.conf

加上（第二行自選IP）：

interface wlan0static ip_address=192.168.X.X/24static routers=192.168.0.1static domain_name_servers=192.168.0.1

2，開機啟動程序：

sudo crontab -e

加上：

@reboot sh /home/pi/PyStat/launch.sh >/home/pi/logs/cronlog 2>&1

3，我在做這個的過程中發現一個很棒的全棧方案，是下一個探索方向：

• NodeMcu：客戶端硬體；
• MQTT：通訊協議；
• Home Assistant：服務端控制平台。

推薦閱讀：