开发案例｜家用热水器智能化改造记

本文分成四部分：硬件设计、软件设计、APP设计、多人共享功能，最终实现了热水器的远程控制功能。随着物联网模块大量普及，各种“云”应接不暇，物联网进入家庭的速度明显提高。作为电子DIYER，意味着有了可以快速解决家庭实际需求的有力工具，以前的各种奇思妙想，都可以使用物联网技术用较短的时间内实现啦。
这不，老婆大人看到我做的门灯控制器，就提出来让我把家里的热水器改装成带物联网遥控的，可以在下班前用手机打开热水器，回到家就能有热水用。最终制作的作品是这样的：
一、硬件部分1.1 需求分析

我家的热水器是海尔EC5002-05，它可以设置好加热功率档位和加热目标温度，打开开关自动按照预置功率加热至目标温度。

它的控制开关是微动开关，这种开关按下是需要一定的力度的。

我的主要工作其实就是用物联网技术打开这个开关就行了，只要能通过手机控制这个电源开关打开，回到家就能用上热水。

1.2 总体设计

要想控制电源开关按下，有两种思路。

第一种，就是设计一个机械装置，模拟人按下开关的动作；

第二种，就是用电信号控制它打开。

按照以往的工作经验，我觉得可以采用下面几种方案，每种方案都是用ESP8266进行控制的，给出开关量控制。

（一）使用电磁铁，给出一个向下的按压动作。比如下面的这种，它就能产生一个向下按压的动作，来完成按压。这种方案的缺点是电磁铁工作电压很高，有的220伏，有的是12伏或者是24伏，而且它体积较大，也比较重，专门为它设计一个支架，也不好设计。此外，还不知道它的力度好不好控制，万一这玩意力度太大，把面板给弄坏了。。。。

（二）使用普通舵机。正好家里有一个普通的舵机，arduino套件里面的SG90舵机，它很小，也很便宜，但是完成点击的动作是没问题的。缺点也是需要一个专门的固定架子，此外，还需要专门的供电电源，以及PWM控制信号提供者。我以前做过一个STC计算器，用这个单片机提供PWM信号也行，不过就是增加了最终作品的体积和复杂程度。（ESP8266也可以提供PWM，不过没时间学它怎么用）

（三）使用直线舵机。在寻找合适的舵机的时候，竟然发现还有这种“直线舵机”。它其实就是把旋转运动利用一个螺杆转换成了直线运动，使用起来仍然是PWM控制方式，看上去这个东东比较适合我，如果说有缺点的话，仍然是需要为它设计支架。

以上三种方案，都是模拟人手按压微动开关动作的，都需要设计安装支架。而支架安装到哪里，是个问题，安装到墙上，可能需要一个庞大的支撑架子，安装到热水器上，可能需要打孔或者用强力胶固定。即使固定的问题能够解决，那么支架呢？当然可以用3D打印来解决，当然3D打印的设计过程是需要反复多次的，当然时间是可能会受到批评的，当然美观程度是会受到我家外貌协会那位质疑的。

（四）使用ESP8266直接控制，给出电信号。就是拆开热水器看看，这个开关下面的电路板上面，按下之后给控制芯片提供了一个高电平还是低电平，如果按下就是高电平，抬起就是低电平，那么我让ESP8266直接输出一个高电平给控制芯片就行了。这样做的优点是ESP8266可以隐藏着热水器内部，外观上看不出任何痕迹。缺点是ESP8266输出的电平是3.3伏，而后来测量的热水器控制板电平是5伏，不可以通用，再加一个电平匹配电路，担心时间长了会有安全隐患。不怕一万，就怕万一。

（五）使用ESP8266控制继电器，控制开关引脚短路。这个思路就是把热水器控制板上电源开关按键用导线引出来，然后用ESP8266搭建一个电路，控制这两根导线的通断，其实根子里，还是模拟按键，只不过不用机械装置来按压微动开关了。

这么做的好处优势很明显，就是安全，不管外部控制电路发生什么问题，大不了，就相当于热水器的开关按下或者打开，不会引起热水器任何故障。而且这个方案实现速度快，不用大量的机械加工工作。

当然这样做是需要一定的技术基础的，不建议看了帖子的朋友一定要自己动手DIY。生命诚可贵，用电须谨慎。

综上所述，总体设计选用第五套方案，这里没有说软件，是因为我只会用机智云，而且机智云非常好用，还可以生成APP源码。

1.3 详细设计

1.3.1 热水器引出控制线

硬件清单：电线若干、连接器接头若干

制作步骤：

1.断开电源，打开热水器控制面板，它用4个螺丝固定，用头部带磁性的螺丝刀拆下，防止掉下来找不到了。

2.拆开控制电路板保护壳

3.拔掉连接排线，取出电路板，可以看到微动开关，按下电源开关，其实就是按下了右下角那个微动开关SW4。
4.在电源微动开关背面找到它的引脚，它是4个引脚，两个一组，组与组之间平时是不导通的，用万用表确定好引脚有，焊接电线。我用的是非常好的硅胶线，特别柔软，但是特别可靠。

5.为硅胶线做一个连接器，我不习惯用胶带随便缠一下，老是觉得那种连接不可靠。

6.用胶**固定一下焊接点，防止拉扯导致短路

7.做一个将导线引出热水器外部的连接线。注意使用热缩管。

8.将控制板安装回去，里面空间足够大，然后把红色的连接器留在热水器控制面板外壳里面。

9.安装完成的效果是这样的。


1.3.2 ESP8266控制器设计
硬件清单：ESP8266模块、壳体、洞洞板、三极管、电阻、继电器模块、导线若干

制作步骤：

1.准备ESP8266模块，使用到的引脚有三个：VCC,GND和GPIO12（当然也可以用其他引脚，只不过编程时需要进行初始化）

2.准备3.3伏转5伏电路。因为ESP8266输出的IO电平是3.3伏，而手头的继电器是5伏才能控制，所以需要加一个电平转换，或者叫做开关电路，使用的是NPN三极管S8050，原理是下图。注意，连接基极的电阻最后测试应该为1K，集电极带箭头的是输出。这个电路用到的是三极管的开关功能。实际上三极管原理非常复杂，模拟电路有专门的课程进行学习，我们这里只用了一个基本的电路，来实现3.3伏驱动5伏的器件，也就是继电器（5伏工作电压）

3.用洞洞板固定单排母（用来插入ESP8266模块）和三极管电路，给ESP8266供电（5伏），并将GPIO12连接至三极管电路的基极电阻上。洞洞板打3毫米孔，用来固定在壳体上。

4.给壳体开孔，用来向外连接导线。

5.将洞洞板打孔位置、继电器板安装孔位置在壳体内部确定好，然后想办法用胶**固定几个尼龙螺母。有动手经验的人一看就知道怎么安装的，这里就不再细细赘述过程。

6.将VCC、GND和信号线都连接好，同时也连接好继电器，我手头只有一个双路继电器，其实单路继电器就够用了。

7.给ESP8266供电的是USB接口的充电器，现在家里往往都有好几个闲置的充电器可以用，充电器也是一个专门的学问，大厂的充电器质量还是杠杠滴，用在这里非常合适（省电、可靠），比自己做一个简单的220转5伏电路可靠多了。

8.继电器引出的两根线连接到热水器控制线上

9.为了提高可靠性，用了多层热缩管，将热水器那端的连接器缩住，可以抵抗水汽可能引起的短路（其实短路就相当于电源开关按下，并不会产生危害性后果）。多层热缩管的作用，有点类似于德国人连接电缆。

用到的工具比较多，最后做出来的作品看上去却很简单

硬件部分做好了之后，还需要软件的配套才能实现控制热水器开关的功能。

二、软件部分2.1 注册机智云账号

在机智云自助开发平台上注册自己的账号，以后自己设计的任何物联网设备都可以放在这个账号上面。
https://dev.gizwits.com/zh-cn/developer/

2.2 创建新的设备并生成源代码

首先创建一个新设备

然后添加数据点

数据点是light_onoff，这个名字可以是自己定义的其他字母。

在基本信息里面就会看到这个数据点的基本信息，注意Secret要想看到完整的，还需要二次密码验证。

选择MCU开发

再选择SOC方案

然后输入secret，生成代码包


下载之后发现这个代码包跟乐鑫的结构差不多（这句话是说给用过乐鑫官方代码朋友听的）

2.3 编译ESP8266源代码

上一步生成的源代码是运行在ESP8266模块内部的，怎么编译和烧写呢？

下面这个文档有说明：

https://dwz.date/fpVy

关于开发环境搭建的内容：

https://dwz.date/fpVz

关于ESP8266平台文件说明：

跟前面学习编译的内容都差不多，也是跟乐鑫一样在D盘新建一个VM文件夹。
然后把所有的文件都放在这个文件夹。我将文件夹名字命名为SoC_ESP8266，这样短一些，方便输入。

首先让linux和windows共享文件夹
输入用户密码：“espressif”，回车确认。

这时能够在VM VirtualBOX虚拟机里面通过文件夹管理器看到已经共享成功了。

本文所要实现的目的是手机APP控制这个模块，实现GPIO12的开关，也就是高低电平的转换。

上面的步骤生成的源代码是不能实现具体引脚的控制的，那么为了实现这个引脚的控制，就需要对代码进行修改。

修改的步骤是在VM文件夹下面，找到相应的.c或者.h文件，用记事本或者其他软件打开并进行编辑。

只修改了一点点。

在user_main.c中的keyinit函数中，添加了初始化GPIO12的代码。

然后在gizwits_product.c中，添加了让小灯翻转的代码。

没错，就是这么简单，就像是51单片机一样，对引脚初始化，然后在功能函数中让它变成高低电平。

2.4 编译源代码并烧写进入ESP8266

接下来开始对这个源代码进行编译。
下面进入app目录，下面这个界面是运行了VM VirtualBOX虚拟机里面的LX客户端。模拟的是linux操作系统。
进入某个目录用的是cd命令。

运行编译脚本：./gen_misc.sh
编译速度很快


接下来开始烧写
机智云自动生成的代码中，有一张图片，这个图片说明了该烧写进入哪个地址

下面开始烧写。

为了方便初学者看懂，这里说一下硬件连接，ESP8266模块由上下两块组成，其中上面这个就是ESP8266功能板，下面这个其实是一个USB转串口的板子，芯片是CH340，只不过做成了和ESP8266功能板的尺寸一样了，其实它的功能是和买的那种USB转串口的模块是一样的。用一根micro USB数据线，也就是目前手机常用的充电/数据线就行了，注意，不是TYPE-C数据线。连接电脑之后，会自动安装驱动程序，当然，要确保电脑是联网状态。驱动安装成功之后，就会在设备管理器中显示当前串口是COM几，串口号记下来，在烧写的时候，选择这个串口号就行了。

点击电脑上的烧写软件START，然后按下板子上的FLASH按键不松手，然后按下RST按键，松手，再松开FLASH按键。一般情况下可以一次烧写成功，如果不成功，请再次点击烧写START，再次按照FLASH和RST按键步骤进行烧写。

烧写完之后，模块就能够使用了。

三、App开发

工具非常重要，我们所要做的控制器APP，只需要一个开关按钮，实现对物联网模块的控制就行了，所以，能用现成的解决方案最好。

好在机智云可以自动生成代码，能做的，都做好了。

3.1 登录机智云自助开发平台：dev.gizwits.com

3.2 首先添加一个新的应用

定义一个名称

这是我们要控制的设备ID和SECRET

3.3 在线生成APP源码

选择安卓源代码

生成速度很快

生成的代码中，有AndroidStudio和Eclipse两种形式的代码。

推荐选择Android Studio。注意这个软件需要前期下载SDK，具体的下载方式请自行网络查询。这方面的知识属于本文之外的知识，为了保持文章脉络一致性，在此就不详细描述。如需博主帮助，请留言索取详细设置方式。

编译好的APP，安装到手机上之后的界面如下。这些视觉元素都是机智云自动生成好的。如果需要进行美化等等操作，也需要安卓编程的基础。在此就不详细描述了。通过这个APP，就可以实现手机对家里热水器控制模块的控制了。手机无论在哪里，只要有网络，就能够实现对家里热水器的控制。

这个APP制作出来后，只能在一台手机上使用。这是它的一个缺点。总不能谁想用热水器都给我打个电话让我来开关吧，所以还是需要做成多人可控的才行。

给家里的热水器改造了物联网开关之后，在第三节中开发App只能我一个人控制。为了达到全家人均能远程控制热水器，所以我又制作了设备二维码，方便家人也能扫码控制改造后的智能热水器。

四、实现产品共享

4.1 首先产品需要开通共享功能

在机智云开发者中心“开启设备分享功能”

机智云开发者中心：dev.gizwtis.com

4.2 在文档中心搜索“二维码”

文档中心：docs.gizwits.com

APP绑定设备二维码生成教程

跟着说明走就行了

4.3 注意事项

首先需要授权

然后才开始进行生成。

需要输入product key，和MAC地址。这个界面跟以前版本的不一样了，以前直接输入，现在还要填写格式才行。我的是HEX格式的。

MAC地址可以从设备日志进行查询。

返回201，生成成功了。

点击选择“查询所有生成的二维码”

展开之后，输入product_key，填写之后try it out
生成成功了。代码是200.

下载地址就是机智云通用地址和生成的地址合起来。
http://qrcode.gizwitsapi.com:1800/static/zipfiles/2XXXXXX.zip
在浏览器输入这个地址之后，再下载。

下载的图片是这样的，这个图片是以MAC地址进行命名的。XXXXXXXXc0ce925，以后让晶扫描二维码就可以控制家里的热水器了。

注意，这个二维码通过机智云APP就能够绑定。

机智云APP可以在应用商店搜搜“机智云”即可下载安装。