Простые терморегуляторы своими руками. Создание домашней автоматизированной системы отопления на базе Raspberry Pi

alexxlabПрост
Как собрать многозональную систему управления отоплением своими руками. Какие компоненты потребуются для создания умного термостата на Raspberry Pi. Почему самодельное решение может быть лучше готовых коммерческих термостатов. Какие преимущества дает централизованное управление отоплением дома.

Содержание

Почему возникла необходимость в создании собственной системы отопления

После переезда в новый дом автор столкнулся с неудобствами старой системы отопления:

  • Несколько разрозненных термостатов с разными настройками
  • Отсутствие централизованного управления
  • Невозможность гибкого программирования режимов работы

Существующая система не позволяла эффективно управлять отоплением в разных зонах дома. Требовалось найти современное решение, которое обеспечило бы удобство использования и экономию энергии.

Ограничения существующей системы отопления

Дом, построенный в 1960-х годах, имел ряд особенностей, которые нужно было учесть при модернизации системы отопления:

  • Водяное отопление с плинтусными радиаторами
  • 6 отдельных зон отопления с собственными термостатами
  • Только 2 провода для подключения каждого термостата

Эти ограничения затрудняли установку готовых «умных» термостатов и требовали нестандартного подхода к автоматизации.

Сравнение готовых решений и самодельной системы

Автор рассмотрел несколько вариантов готовых термостатов, но у каждого были свои недостатки:

  • Nest и Ecobee — дорого для 6 зон, требуют дополнительной проводки
  • Термостаты на батарейках — частая замена батарей, ограниченный функционал
  • Профессиональные системы — высокая стоимость, устаревшие технологии

В итоге было принято решение создать собственную систему на базе Raspberry Pi, которая обеспечила бы:

  • Централизованное управление всеми зонами
  • Использование существующей проводки
  • Совместимость с HomeKit
  • Гибкость настройки и программирования

Компоненты для сборки умного термостата ThermOS

Основой системы стал одноплатный компьютер Raspberry Pi 4. Список необходимых компонентов включал:

  • Raspberry Pi 4 Model B 2GB
  • Блок питания 15 Вт
  • Макетная плата
  • 8-канальный релейный модуль
  • Датчики температуры DS18B20
  • Клеммные колодки и провода
  • Корпус для монтажа

Общая стоимость комплектующих составила около $150, что значительно дешевле готовых решений для 6 зон.

Преимущества самодельной системы ThermOS

Созданная автором система управления отоплением имеет ряд преимуществ:

  • Централизованное управление всеми зонами из одного места
  • Использование существующей проводки термостатов
  • Интеграция с HomeKit для удаленного управления
  • Гибкие возможности программирования режимов работы
  • Существенно ниже стоимость по сравнению с готовыми решениями
  • Возможность дальнейшей модернизации и расширения функционала

Самодельная система позволила решить все поставленные задачи по автоматизации отопления дома с учетом имеющихся ограничений.

Схема подключения компонентов системы

Для сборки системы управления отоплением потребовалось разработать схему подключения всех компонентов:

  • Подключение релейного модуля к GPIO-портам Raspberry Pi
  • Подключение датчиков температуры по шине 1-Wire
  • Соединение существующей проводки термостатов с релейным модулем
  • Монтаж всех компонентов в корпусе рядом с котлом отопления

Автор использовал программу draw.io для создания подробной схемы электрических соединений. Это позволило спланировать монтаж и избежать ошибок при сборке.

Программное обеспечение для управления отоплением

Для работы системы ThermOS было разработано специальное программное обеспечение:

  • Основная программа на Python для опроса датчиков и управления реле
  • Веб-интерфейс для настройки параметров и режимов работы
  • Интеграция с HomeKit для удаленного управления
  • Модули для сбора статистики и построения графиков

Открытый исходный код позволяет при необходимости дорабатывать и расширять функциональность системы.

Процесс установки и настройки ThermOS

Установка самодельной системы управления отоплением включала следующие этапы:

  1. Сборка аппаратной части согласно разработанной схеме
  2. Монтаж устройства рядом с котлом отопления
  3. Подключение существующей проводки термостатов
  4. Установка датчиков температуры в помещениях
  5. Настройка программного обеспечения на Raspberry Pi
  6. Калибровка датчиков и проверка работы реле
  7. Настройка режимов работы и расписаний отопления

После завершения установки система была готова к использованию и позволила эффективно управлять отоплением во всех зонах дома.

Опыт эксплуатации самодельной системы отопления

По итогам использования ThermOS в течение отопительного сезона автор отметил следующие результаты:

  • Повышение комфорта за счет точного поддержания заданной температуры
  • Экономия энергии благодаря гибким настройкам режимов работы
  • Удобство управления через смартфон из любой точки
  • Возможность анализа статистики и оптимизации настроек

Самодельная система полностью оправдала ожидания и позволила решить проблемы, с которыми не справлялись готовые коммерческие решения.

Перспективы развития проекта ThermOS

В дальнейшем автор планирует развивать свою систему управления отоплением:

  • Добавление датчиков влажности для комплексного мониторинга микроклимата
  • Интеграция с системой вентиляции для управления притоком свежего воздуха
  • Разработка мобильного приложения с расширенным функционалом
  • Внедрение алгоритмов машинного обучения для прогнозирования и оптимизации

Открытая архитектура системы позволяет постоянно совершенствовать ее возможности в соответствии с потребностями пользователей.


принцип работы, схема включения и выключения

Часто для работы какого-либо устройства или целой системы необходимо поддерживать определённый температурный режим. Это актуально при работе контуров отопления или охлаждения, построении устройств типа «инкубатор». Одним из простых приборов, позволяющих контролировать температуру, является термореле. Такое приспособление возможно приобрести в специализированных торговых точках, но можно изготовить такой регулятор температуры и своими руками.

  • Назначения и характеристики
    • Параметры приспособления
    • Принцип работы
  • Схемотехника регуляторов
    • Простые устройства
    • Термореле на микроконтроллере

Назначения и характеристики

В основе работы термореле лежит способность устройства управлять включением и выключением узлов схемы в зависимости от изменения температуры. Фактически — это приспособление, располагающееся между управляемыми элементами и датчиками температуры. Конструктивно прибор представляет собой электронную схему или же устройство, выполненное из специального материала.

Первый вид предполагает использование выносных или встроенных датчиков, а второй — использует свойства различных материалов изменять свои параметры при изменении характеристик электрической сети. То есть контроль происходит контактным или бесконтактным способом. Но несмотря на принципиальные различия, суть работы терморегуляторов одинаков. Регистрируя изменение температуры, устройство разрывает или подсоединяет подключённые к нему узлы аппаратуры или оборудования в автоматическом режиме.

Благодаря их применению, температура воздуха, воды, поверхностей различных приборов и радиоэлементов имеет стабильное значение.

Для каждой среды используются свои особенности размещения устройства. Его точность срабатывания зависит не только от качества исполнения самого регулятора, но и правильного размещения.

Выпускаются терморегуляторы разных видов.

Классифицировать их можно по следующим признакам:

  1. По назначению. Разделяются на внутренние и наружные.
  2. Способу установки. Существуют независимые терморегуляторы, как способные располагаться на любой поверхности, так и размещаемые только внутри оборудования.
  3. Функциональностью. Терморегуляторы могут регистрировать только один сигнал или сразу несколько. При этом второго типа называются многоканальными. Они могут поддерживать значение температуры как на нескольких устройствах одновременно, используя независимые каналы, так и только на одном.
  4. Способу настройки. Управление режимами работы и настройка приспособления может быть механической, электронной или электромеханической.
  5. Гистерезису. В терморегуляторах под ним понимают значение температуры, при которой сигнал изменяется на противоположный знак, а также явление, когда происходит задержка переключения сигнала в зависимости от величины влияния. Именно он даёт возможность снизить частоту переключения, например, при повышении температуры в нагревателе.
    Но при этом следует понимать, что большая величина гистерезиса приводит к температурному скачку.
  6. Виду термодатчиков. Подключаемые к терморегуляторам датчики могут быть контактного и бесконтактного действия. Например, использующие в работе инфракрасное излучение или свойство биметаллической пластины.

Параметры приспособления

Как и любое оборудование, регуляторы температуры характеризуются набором параметров. От них в первую очередь зависит точность срабатывания устройства. Зависят эти характеристики не только от качества применяемых при построении схемы терморегулятора элементов, но и реализации системы, позволяющей избегать влияния посторонних факторов. К основным характеристикам относят:

  1. Время переключения. Зависит от схемы реализации регулятора и способа установки датчика, определяющего его инерционность.
  2. Регулируемый диапазон. Устанавливает граничные значения температурного режима, в котором может происходить работа устройства.
  3. Напряжение питания. Это значение рабочего напряжения, необходимого для нормальной работы устройства.
  4. Активная нагрузка. Показывает, какой максимальной мощностью может управлять регулятор температуры.
  5. Класс защиты. Характеризует безопасность прибора. Обозначается согласно международной классификации по электрической безопасности.
  6. Система сигнализации. В регуляторе может использоваться светодиодный сигнализатор или жидкокристаллический экран. Ориентируясь на него, пользователь может сразу видеть, в каком режиме работает прибор контроля.
  7. Рабочая температура. Обозначает диапазон, в рамках которого обеспечивается правильная работа терморегулятора.
  8. Вид термодатчика. Являясь чувствительным элементом, он выступает в качестве индикатора температуры, отправляя данные на контроллер. Такие термодатчики на включение и выключение устройства бывают разных типов и конструкций, а также отличаются по способу передачи данных.

Кроме этого, к качественным характеристикам устройства относят: удобство использования, габариты, дополнительные возможности, общий вид.

Поэтому собирая терморегулятор своими руками, для получения законченного вида устройства желательно продумывать не только схему приспособления, но и корпус, в котором он будет располагаться.

Принцип работы

В общем виде терморегулятор можно представить в виде блок-схемы, состоящей из датчика температуры, блока обработки и регулирующего механизма. В основе работы механического теплового реле лежит способность биметаллической пластины изменять свою форму в зависимости от температуры. Для её изготовления используются два материала, жёстко скреплённые между собой с разным температурным коэффициентом расширения.

При нагреве такой пластины происходит её изгиб. Именно это свойство и используется при производстве тепловых реле. Во время деформирования пластинка замыкает или размыкает контактную группу, вследствие чего разрывается или восстанавливается электрический контакт. Такое реле может применяться в цепях как переменного, так и постоянного тока, а выбор граничной температуры в них обычно устанавливается с помощью механического регулятора.

Кроме этого, существуют твердотельные реле (электронные). В их конструкции уже нет движущихся и механических частей, а используется электронная схема, вычисляющая изменения температуры.

В качестве основных элементов таких приборов является термистор и микропроцессор. В первом происходит изменение электрических параметров при колебаниях температуры, а второй обрабатывает и в зависимости от запрограммированного алгоритма коммутирует контактные группы.

Схемотехника регуляторов

Из-за сложности настройки механического реле самостоятельное его изготовление практически невозможно, поэтому радиолюбители изготавливают твердотельные регуляторы. На сегодняшний день известно большое количество схем термореле разного класса. Так что подобрать подходящую для возможного повторения не составит сложности.

Но перед тем как приступить к самостоятельному изготовлению терморегулятора, необходимо подготовить ряд инструментов и материалов. Для этого, кроме электрической схемы и необходимых согласно ей радиоэлементов, понадобится:

  1. Паяльник или в случае использования сложных микроконтроллеров паяльная станция.
  2. Односторонний фольгированный стеклотекстолит. Если электрическая схема содержит большое количество радиоэлементов и относится к средней или высокой группе сложности, то изготовить её навесным монтажом не представляется возможным. Поэтому используется стеклотекстолит, на котором удобным методом, например, лазурно-утюжным или фотолитографией, наносится печатная схема будущего термореле.
  3. Мультиметр. Он необходим для настройки работы устройства и проверки правильности установки радиоэлементов.
  4. Мини-дрель. С помощью неё выполняют отверстия, в которые устанавливаются радиоэлементы.
  5. Рабочие материалы. К ним относятся: флюс, припой, спиртовой раствор, изолента или термоусадочные трубочки.

Последовательность действий при изготовлении сводится к следующему. На первом этапе выбирается схема и изучается её описание, доступность радиоэлементов. При этом не стоит забывать, что почти для каждой радиодетали существует аналог. Затем, изготавливается печатная схема, а по ней уже плата. На плату запаиваются радиоэлементы, коммутационные гнёзда и провода. Как только всё готово, производится тестовый запуск и в случае необходимости подстройка работы.

Простые устройства

Простейшее устройство, реагирующее на изменение температуры, можно собрать из нескольких сопротивлений и интегрального усилителя. Использующиеся резисторы представляют собой два полуплеча, образующие собой измерительную и опорную часть схемы. В качестве R2 используется термистор, то есть резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от воздействующей на него температуры.

Интегральный усилитель LM393 работает в режиме компаратора, то есть сравнивает два сигнала, снимаемые с R1-R2 и R3-R4. Как только уровень сигнала на двух входах микросхемы сравняется, LM393 переключает нагрузку к питающей сети. В качестве нагрузки можно использовать вентилятор. Как только вентилятор охладит контролируемое устройство, уровень сигнала на втором и третьем входе компаратора снова начнёт различаться. Устройство снова переключит свои выходы, и питание прекратит поступать в нагрузку.

Несложную схему можно собрать и на тиристоре. В качестве её нагрузки можно использовать нагреватель, температуру которого и будет регулировать самодельный терморегулятор.

Эта схема может использоваться в инкубаторе или аквариуме.

В основе схемы также лежит способность компаратора сравнивать уровни напряжения на своих входах и в зависимости от этого открывать свои выходы. При одинаковом сигнале ток через транзистор VT1 не течёт, а значит, на управляющем выводе тиристора VS1 находится низкий уровень, и он закрыт. Появившееся напряжение на сопротивлении R8 приводит к его открытию. Запитывается схема через диод VD2 и R10. Для стабилизации питания используется стабилитрон VD1. Перечень и номиналы элементов приведены в таблице:

ОбозначениеНаименованиеАналог
R110 кОм 
R222 кОм 
R3100 кОм 
R4 =R66,8 кОм 
R51 кОм 
R8470 Ом 
R95,1 кОм 
R1027 кОм 
С10,33 мкФ 
VT1КТ1172N6027
VD1КС212ЖBZX30C12
VD2КД1051N4004
VS1КУ208ГTAG307— 800
   

Термореле на микроконтроллере

Собрав такой термостат, его можно использовать совместно с отопительной системой, например, совместно с котлом. В основе конструкции используется микросхема DS1621, которая совмещает в себе термометр и термостат. Её цифровой ввод-вывод обеспечивает точность ±0,5 °C.

При использовании DS1621 в качестве термостата в её внутреннюю энергонезависимую память (EEPROM) помещаются данные о температуре, которую необходимо поддерживать. А также контрольные точки, по достижении которых температура повышается или понижается. Разница между ними образует гистерезис, при этом на третьем выводе микросхемы формируется логическая единица или ноль.

Данные в микросхему заносятся с помощью микроконтроллера, выполненного на ATTINY2313. Устройство может поддерживать температуру в диапазоне от 10 до 40 градусов. Управление термоэлементом котла осуществляется через тиристор. С помощью кнопки S1 осуществляется включение и выключение термометра. А кнопками S2 и S3 устанавливается температура. Светодиод HL1 сигнализирует о работоспособности прибора. Во время нагревания термоэлемента котла он мигает. В качестве трансформатора используется TAIWAN 110—230V 6−0−6V 150TA.

При программировании в Features необходимо выбрать: int. RC Osc. 4 MHz; Start-up time: 14 CK + 0 ms; [CKSEL=0010 SUT=00] и Brown-out detection disabled; [B0DLEVEL=111] поставить галочку на Serial program downloading (SPI) enabled; [SPIEN=0]. А также отметить фьюзы: SUT1, SPIEN, SUTO, CKSEL3, CKSEL2, CKSELO. Правильно собранное устройство работает сразу и в наладке не нуждается.

Терморегуляторы своими руками — инструкция и схема подключения

Автоматическое управление подачей теплоносителя используется во многих технологических процессах, в том числе и для бытовых отопительных систем. Фактором определяющим действие терморегулятора, является наружная температура, значение которой анализируется и при достижении установленного предела, расход сокращается либо увеличивается.

Терморегуляторы бывают различного исполнения и сегодня в продаже достаточно много промышленных версий, работающих по различному принципу и предназначенных для использования в разных областях. Также доступны и простейшие электронные схемы, собрать которые может любой, при наличии соответствующих познаний в электронике.

  • Описание ↓
  • Принцип работы ↓
  • Как сделать своими руками ↓
  • Схемы авторегуляторов ↓
  • Необходимые материалы и инструменты ↓
  • Пошаговое руководство ↓
  • Область применения самодельных терморегуляторов ↓
  • Ремонт своими руками ↓
  • Преимущества и недостатки ↓
  • Советы и рекомендации ↓

Описание

Терморегулятор представляет собой устройство, устанавливаемое в системах энергоснабжения и позволяющее оптимизировать затраты энергии на обогрев. Основные элементы терморегулятора:

  1. Температурные датчики – контролируют уровень температуры, формируя электрические импульсы соответствующей величины.
  2. Аналитический блок – обрабатывает электрические сигналы поступающие от датчиков и производит конвертацию значения температуры в величину, характеризующую положение исполнительного органа.
  3. Исполнительный орган – регулирует подачу, на величину указанную аналитическим блоком.

Современный терморегулятор – это микросхема на основе диодов, триодов или стабилитрона, могущих преобразовывать энергию тепла в электрическую. Как в промышленном, так и самодельном варианте, это единый блок, к которому подключается термопара, выносная или располагаемая здесь же. Терморегулятор включается последовательно в электрическую цепь питания исполняющего органа, таким образом, уменьшая или увеличивая значение питающего напряжения.

Принцип работы

Датчик температуры подает электрические импульсы, величина тока которых зависит от уровня температуры. Заложенное соотношение этих величин позволяет устройству очень точно определить температурный порог и принять решение, например, на сколько градусов должна быть открыта заслонка подачи воздуха в твердотопливный котел, либо открыта задвижка подачи горячей воды. Суть работы терморегулятора заключается в преобразовании одной величины в другую и соотнесении результата с уровнем силы тока.

Простые самодельные регуляторы, как правило, имеют механическое управление в виде резистора, передвигая который, пользователь устанавливает необходимый температурный порог срабатывания, то есть, указывая, при какой наружной температуре необходимо будет увеличить подачу. Имеющие более расширенный функционал, промышленные приборы, могут программироваться на более широкие пределы, при помощи контроллера, в зависимости от различных диапазонов температуры. У них отсутствуют механические элементы управления, что способствует долгой работе.

Как сделать своими руками

Сделанные собственноручно регуляторы получили широкое применение в бытовых условиях, тем более, что необходимые электронные детали и схемы всегда можно найти. Подогрев воды в аквариуме, включение вентилирования помещения при повышении температуры и многие другие несложные технологические операции вполне можно переложить на такую автоматику.

Схемы авторегуляторов

В настоящее время, у любителей самодельной электроники, популярностью пользуются две схемы автоматического управления:

  1. На основе регулируемого стабилитрона типа TL431 – принцип работы состоит в фиксации превышения порога напряжения в 2,5 вольт. Когда на управляющем электроде он будет пробит, стабилитрон приходит в открытое положение и через него проходит нагрузочный ток. В том случае, когда напряжение не пробивает порог в 2,5 вольт, схема приходит в закрытое положение и отключает нагрузку. Достоинство схемы в предельной простоте и высокой надежности, так как стабилитрон оснащается только одним входом, для подачи регулируемого напряжения.
  2. Тиристорная микросхема типа К561ЛА7, либо ее современный зарубежный аналог CD4011B – основным элементом является тиристор Т122 или КУ202, выполняющий роль мощного коммутирующего звена. Потребляемый схемой ток в нормальном режиме не превышает 5 мА, при температуре резистора от 60 до 70 градусов. Транзистор приходит в открытое положение при поступлении импульсов, что в свою очередь является сигналом для открытия тиристора. При отсутствии радиатора, последний приобретает пропускную способность до 200 Вт. Для увеличения этого порога, понадобится установка более мощного тиристора, либо оснащение уже имеющегося радиатором, что позволит довести коммутируемую способность до 1 кВт.

Необходимые материалы и инструменты

Сборка самостоятельно не займет много времени, однако обязательно потребуются некоторые знания в области электроники и электротехники, а также опыт работы с паяльником. Для работы необходимо следующее:

  • Паяльник импульсный или обычный с тонким нагревательным элементом.
  • Печатная плата.
  • Припой и флюс.
  • Кислота для вытравливания дорожек.
  • Электронные детали согласно выбранной схемы.

Схема терморегулятора

Пошаговое руководство

  1. Электронные элементы необходимо разместить на плате с таким расчетом, чтобы их легко было монтировать, не задевая паяльником соседние, возле деталей активно выделяющих тепло, расстояние делают несколько большим.
  2. Дорожки между элементами протравливаются согласно рисунку, если такого нет, то предварительно выполняется эскиз на бумаге.
  3. Обязательно проверяется работоспособность каждого элемента при помощи мультиметра и только после этого выполняется посадка на плату с последующим припаиванием к дорожкам.
  4. Необходимо проверять полярность диодов, триодов и других деталей в соответствии со схемой.
  5. Для пайки радиодеталей не рекомендуется использовать кислоту, поскольку она может закоротить близкорасположенные соседние дорожки, для изоляции, в пространство между ними добавляется канифоль.
  6. После сборки, выполняется регулировка устройства, путем подбора оптимального резистора для максимально точного порога открывания и закрывания тиристора.

Область применения самодельных терморегуляторов

В быту, применение терморегулятора встречается чаще всего у дачников, эксплуатирующих самодельные инкубаторы и как показывает практика, они не менее эффективны, чем заводские модели. По сути, использовать такое устройство можно везде, где необходимо произвести какие-то действия зависящие от показаний температуры. Аналогично можно оснастить автоматикой систему опрыскивания газона или полива, выдвижения светозащитных конструкций или просто звуковую, либо световую сигнализацию, предупреждающую о чем-либо.

Ремонт своими руками

Собранные собственноручно, эти приборы служат достаточно долго, однако существует несколько стандартных ситуаций, когда может потребоваться ремонт:

  • Выход из строя регулировочного резистора – случается наиболее часто, поскольку изнашиваются медные дорожки, внутри элемента, по которым скользит электрод, решается заменой детали.
  • Перегрев тиристора или триода – неправильно была подобрана мощность или прибор находится в плохо вентилируемой зоне помещения. Чтобы в дальнейшем избежать подобного, тиристоры оборудуются радиаторами, либо же следует переместить терморегулятор в зону с нейтральным микроклиматом, что особенно актуально для влажных помещений.
  • Некорректная регулировка температуры – возможно повреждение терморезистора, коррозия или грязь на измерительных электродах.

Несомненно, использование автоматического регулирования, уже само по себе является преимуществом, так как потребитель энергии получает такие возможности:

  • Экономия энергоресурсов.
  • Постоянная комфортная температура в помещении.
  • Не требуется участие человека.

Автоматическое управление нашло особенно большое применение в системах отопления многоквартирных домов. Оборудуемые терморегуляторами вводные задвижки автоматически управляют подачей теплоносителя, благодаря чему жители получают значительно меньшие счета.

Недостатком такого прибора можно считать его стоимость, что впрочем, не относится к тем, что изготовлены своими руками. Дорогостоящими являются только устройства промышленного исполнения, предназначенные для регулирования подачи жидких и газообразных сред, так как исполнительный механизм включает в себя специальный двигатель и другую запорную арматуру.

Советы и рекомендации

Хотя сам прибор достаточно нетребователен к условиям эксплуатации, точность реагирования зависит от качества первичного сигнала и особенно это касается автоматики работающей в условиях повышенной влажности или контактирующей с агрессивными средами. Термодатчики в таких случаях, не должны контактировать с теплоносителем напрямую.

Выводы закладываются в гильзу из латуни, и герметично запаиваются эпоксидным клеем. Оставить на поверхности можно торец терморезистора, что будет способствовать большей чувствительности.

Статья была полезна?

1,00 (оценок: 1)

Сборка домашнего термостата с помощью Raspberry Pi

Мы с женой переехали в новый дом в октябре 2020 года. Как только похолодало, мы осознали некоторые недостатки старой системы отопления дома (включая одну зону обогрева, которая была всегда включено ). В нашем предыдущем доме были термостаты Nest, и нынешняя установка была не такой удобной. У нас в доме несколько термостатов, и у одних были запрограммированы графики отопления, у других разные графики, у некоторых вообще не было.

Изображение:

Предыдущий владелец дома оставил заметки, объясняющие, как работают некоторые термостаты. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

Пришло время перемен, но у дома есть некоторые ограничения:

  • Он был построен в конце 1960-х годов с ремонтом в 90-х годах.
  • Отопление водяное (плинтус ГВС).
  • Имеет шесть термостатов для шести зон нагрева.
  • К каждому термостату на нагрев идет только два провода (красный и белый).

Image by:

Тако (произносится ТАЙ-КО) зональные клапаны на печи. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

Купить или построить?

Хотел «умный» термостат для всех зон нагрева (расписания, автоматика, дома/в гостях и т.д.). У меня было несколько вариантов, если я хотел купить что-то с полки, но все они имеют недостатки:

Вариант 1: Nest или Ecobee

  • Это дорого: ни один умный термостат не может работать с несколькими зонами, поэтому мне нужно по одному на каждую зону (~ 200 долларов * 6 = 1200 долларов).
  • Это сложно: мне пришлось бы заново проложить провод термостата, чтобы получить печально известный провод С, который обеспечивает постоянную подачу питания на термостат. Провода имеют длину от 20 до 100 футов каждый, проложены в стене, и могут быть прикреплены скобами к стойкам.

Вариант 2: Термостат с батарейным питанием , например термостат Sensi WiFi

  • Батарейки хватает всего на месяц или два.
  • Он не совместим с HomeKit в режиме работы от батареи.

Вариант 3. Готовый коммерческий термостат , но существует только один (типа): Honeywell TrueZONE 

  • . Он старый и плохо поддерживается (выпущен в 2008 году).
  • Это дорого — более 300 долларов только за контроллер, и вам нужен шлюз RedLINK, чтобы некачественное приложение работало.

И победителем стал… 

Вариант 4: Собери сам!

Я решил создать свой собственный мультизональный умный термостат, который я назвал ThermOS.

  • Централизовано на печи (нужно одно устройство, а не шесть).
  • В нем используются существующие провода встроенного в стену термостата.
  • Он совместим с HomeKit, в комплекте с автоматизацией, планированием, дома/в гостях и т. д.
  • Иддддд это… весело? Ага, весело… Думаю.

Оборудование ThermOS

Я знал, что хочу использовать Raspberry Pi. Поскольку они стали такими недорогими, я решил использовать Raspberry Pi 4 Model B 2 ГБ. Я уверен, что мог бы обойтись с Raspberry Pi Zero W, но это будет для будущей версии.

Вот полный список деталей, которые я использовал:

Имя Количество Цена
Raspberry Pi 4 Модель B 2 ГБ 1 29,99 $
Официальный блок питания Raspberry Pi 4 мощностью 15 Вт 1 6,99 $
Макетная плата Inland 400 с точками крепления 1 2,99 $
Внутренний 8-канальный релейный модуль 5 В для Arduino 1 8,99 $
Проволочная перемычка DuPont, 20 см (3 шт. в упаковке) 1 4,99 $
Датчик температуры DS18B20 (оригинальный) с сайта Mouser.com 6 6,00 $
3-контактные винтовые клеммные колодки (40 шт. в упаковке) 1 7,99 $
RPi модуль клеммной колодки GPIO для Raspberry Pi 1 17,99 $
Измерительные провода с зажимом типа «крокодил» (10 шт. в упаковке) 1 5,89 $
Провод термостата Southwire 18/2 (50 футов) 1 10,89 $
Термоусадочная пленка 1 4,99 $
Макетная плата для пайки (5 шт.) 1 11,99 $
Монтажные скобы для печатных плат (50 шт. в упаковке) 1 7,99 $
Пластиковый корпус/корпус 1 27,92 $

Я начал рисовать схему оборудования на draw. io и понял, что мне не хватает важных знаний о печи. Я открыл боковую панель и нашел понижающий трансформатор, который берет 120-вольтовую электрическую линию и делает ее 24-вольтовой для системы отопления. Если ваша система отопления похожа на мою, вы увидите множество перемычек между клапанами зоны Taco. Терминал 3 на Тако перепрыгнул через все мои зональные клапаны. Это связано с тем, что не имеет значения, сколько клапанов включено/открыто — он просто управляет циркуляционным насосом. Если открыта любая комбинация от одного до пяти клапанов, она должна быть включена; если ни один клапан не открыт, он должен быть выключен… просто!

Изображение:

Архитектура ThermOS с использованием одной зоны. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

По своей сути термостат — это всего лишь тип переключателя. Как только термистор (датчик температуры) внутри термостата определяет более низкую температуру, переключатель замыкается и замыкает цепь 24 В. Вместо того, чтобы иметь термостат в каждой комнате, в этом проекте все они размещены рядом с печью, так что все шестизонные клапаны могут управляться релейным модулем, использующим шесть из восьми реле. Raspberry Pi действует как мозг термостата и управляет каждым реле независимо.

Изображение:

Ручная настройка реле с помощью Raspberry Pi и Python. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

Следующая проблема заключалась в том, как получить показания температуры в каждой комнате. Я мог бы иметь беспроводной датчик температуры в каждой комнате, работающий на Arduino или Raspberry Pi, но это может быть дорого и сложно. Вместо этого я хотел повторно использовать существующий провод термостата в стенах, но исключительно для датчиков температуры.

Температурный датчик «1-wire» DS18B20 оказался отвечающим всем требованиям:

  • Он имеет точность +/- 0,5°C или 0,9°F.
  • Для передачи данных используется протокол «1-wire».
  • Самое главное, DS18B20 может использовать режим «паразитного питания», когда ему требуется всего два провода для питания и данных. Просто на заметку… почти все DS18B20 поддельные. Я купил несколько (надеясь, что они настоящие), но они не работали, когда я пытался использовать паразитную силу. Затем я купил настоящие на Mouser.com, и они работали как часы!

Image by:

Три DS18B20 подключены с использованием паразитного питания к одной и той же шине GPIO. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

Начав с макетной платы и всех компонентов локально, я начал писать код для взаимодействия со всем этим. Как только я доказал свою концепцию, я добавил существующий провод встроенного в стену термостата. Я получил стабильные показания с этой настройкой, поэтому я решил сделать их немного более отточенными. С помощью моего папы, самопровозглашенного «достаточно хорошего» паяльника, мы припаяли провода к трехконтактным винтовым клеммам (чтобы избежать перегрева датчика), а затем подключили датчик к клеммам. Теперь датчики можно прикрепить с помощью проволочных гаек к существующей проводке в стене.

Image by:

DS18B20 крепятся к старому термостату с помощью существующих проводов. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

Я все еще нахожусь в процессе «улучшения» настенных креплений для датчиков температуры, но я прошел через несколько модификаций 3D-печати и думаю, что почти готов.

Image by:

Я начал с крепления в стиле Nest и перешел к стилю скрытого монтажа. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

Программное обеспечение ThermOS

Как обычно, написать логику было несложно. Однако принятие решения об архитектуре и структуре приложения было запутанным многодневным процессом. Я начал с оценки проектов с открытым исходным кодом, таких как PiHome, но он зависел от конкретного оборудования , а был написан на PHP. Я фанат Python и решил начать с нуля и написать свой собственный REST API.

Поскольку интеграция с HomeKit была очень важна, я решил, что со временем напишу подключаемый модуль HomeBridge для ее интеграции. Я не знал, что существует целая среда Python HomeKit под названием HAP-Python, которая реализует дополнительный протокол. Это помогло мне проверить работоспособность концепции и управлять ею через приложение Home на моем iPhone всего за 30 минут.

Изображение:

Первоначальная версия интеграции Apple HomeKit с помощью фреймворка HAP-Python. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

Изображение:

Архитектура программного обеспечения ThermOS (Joseph Truncale, CC BY-SA 4.0)

Остальная часть «временной» логики относительно проста, но я хочу выделить часть, которую я изначально пропустил. Мой код работал несколько дней, и я работал над оборудованием, когда заметил, что мои реле включаются и выключаются каждые несколько секунд. Этот «короткий цикл» не обязательно вреден, но определенно не эффективен. Чтобы избежать этого, я добавил пороговое значение, чтобы убедиться, что тепло переключается только при температуре +/- 0,5°C.

Вот логика порога (в комментариях можно увидеть отладку резиновой уточки):

 # проверяем, что хотим тепла
если self.target_state.value == 1:
    # если тепловое реле уже включено, проверьте, не превышено ли пороговое значение
    # если выше, выключите .. если еще ниже продолжайте
    если GPIO.input(self.relay_pin):
        если self.current_temp.value - self.target_temp.value >= 0,5:
            статус = 'НАГРЕВ ВКЛ. - ТЕМП. ВЫШЕ ВЕРХНЕГО ПОРОГА, ВЫКЛЮЧЕНИЕ'
            GPIO.output(self.relay_pin, GPIO.LOW)
        еще:
            status = 'ОБОГРЕВ ВКЛЮЧЕН - ТЕМП НИЖЕ ВЕРХНЕГО ПОРОГОВОГО ПОРОГА, ПРОДОЛЖАЕТСЯ ВКЛ'
            GPIO.output(self.relay_pin, GPIO.HIGH)
    # если тепловое реле еще не включено, проверьте, не ниже ли пороговое значение
    elif не GPIO.input(self. relay_pin):
        если self.current_temp.value - self.target_temp.value <= -0,5:
            статус = «НАГРЕВ ВЫКЛЮЧЕН — ТЕМП НИЖЕ НИЖНЕГО ПОРОГА, ВКЛЮЧЕНИЕ»
            GPIO.output(self.relay_pin, GPIO.HIGH)
        еще:
          статус = 'НАГРЕВ ВЫКЛЮЧЕН - ПОДДЕРЖИВАНИЕ ВЫКЛЮЧЕНА'

Image by:

Пороговое значение позволяет увеличить промежутки времени, когда отопление выключено. (Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

И я достиг своей конечной цели — иметь возможность управлять всем этим с моего телефона.

Изображение:

ThermOS как концентратор HomeKit (Joseph Truncale, CC BY-SA 4.0)

Кладем ThermOS в коробку для завтрака

Мое доказательство концепции было довольно грязным.

Изображение:

ThermOS, управляющая одной зоной (до) (Joseph Truncale, CC BY-SA 4. 0)

Разработав программное обеспечение и общий дизайн оборудования, я начал выяснять, как упаковать все компоненты в более прочную и отточенную форму. Одной из моих главных проблем при стационарной установке было использование макетной платы с перемычками DuPont . Я заказал несколько макетных плат для пайки и плату с винтовыми клеммами (спасибо @arduima за контакты Raspberry Pi GPIO).

Вот как выглядела паяемая макетная плата с креплениями и корпусом.

Изображение:

(Джозеф Трункейл, CC BY-SA 4.0)

А вот и он, установленный в котельной.

Image by:

ThermOS установлен (Joseph Truncale, CC BY-SA 4.0)

Теперь мне просто нужно упорядочить и пометить провода, а затем я могу начать менять оставшиеся термостаты на ThermOS. И я займусь своим следующим проектом: ThermOS для моего центрального кондиционера.

Это первоначально появилось на Medium и переиздается с разрешения.

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International License.

Выберите и установите термостат

Главная