智能家居設(shè)計：樹莓派上的Python實現(xiàn)

英文：Christopher Aedo，翻譯：Linux中國/hwlife

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大約十年前我開始釀制自制啤酒，和許多自己釀酒的人一樣，我開始在廚房制造提純啤酒。這需要一些設(shè)備并且做出來后確實是好的啤酒，最終，我用一個放入了所有大麥的大貯藏罐作為我的麥芽漿桶。幾年之后我一次釀制過 5 加侖啤酒，但是釀制 10 加侖時也會花費同樣的時間和效用（只是容器比之前大些），之前我就是這么做的。容量提升到 10 加侖之后，我偶然看到了 StrangeBrew Elsinore，我意識到我真正需要的是將整個釀酒過程轉(zhuǎn)換成全電子化的，用樹莓派來運行它。

建造自己的家用電動化釀酒系統(tǒng)需要大量這方面的技術(shù)信息，許多學習釀酒的人是在 TheElectricBrewery.com這個網(wǎng)站起步的，只不過將那些控制版搭建在一起是十分復雜的，盡管最簡單的辦法在這個網(wǎng)站上總結(jié)的很好。當然你也能用一個小成本的方法并且依舊可以得到相同的結(jié)果 —— 用一個熱水壺和熱酒容器通過一個 PID 控制器來加熱你的釀酒原料。但是我認為這有點太無聊（這也意味著你不能體驗到完整的釀酒過程）。

需要用到的硬件

在我開始我的這個項目之前, 我決定開始買零件，我最基礎(chǔ)的設(shè)計是一個可以將液體加熱到 5500 瓦的熱酒容器（HLT）和開水壺，加一個活底的麥芽漿桶，我通過一個 50 英尺的不銹鋼線圈在熱酒容器里讓泵來再循環(huán)麥芽漿（“熱量交換再循環(huán)麥芽漿系統(tǒng), 也叫 HERMS）。同時我需要另一個泵來在熱酒容器里循環(huán)水，并且把水傳輸?shù)禁溠繚{桶里，整個電子部件全部是用樹莓派來控制的。

建立我的電子釀酒系統(tǒng)并且盡可能的自動化意味著我需要以下的組件：

一個 5500 瓦的電子加熱酒精容器（HLT）

能夠放入加熱酒精容器里的 50 英尺（0.5 英寸）的不銹鋼線圈（熱量交換再循環(huán)麥芽漿系統(tǒng)）

一個 5500 瓦的電子加熱水壺

多個固態(tài)繼電器加熱開關(guān)

2 個高溫食品級泵

泵的開關(guān)用繼電器

可拆除裝置和一個硅管

不銹鋼球閥

一個測量溫度的探針

很多線

一個來容納這些配件的電路盒子

釀酒系統(tǒng) (photo by Christopher Aedo. CC BY-SA 4.0)

建立釀酒系統(tǒng)的電氣化方面的細節(jié) The Electric Brewery這個網(wǎng)站概括的很好，這里我不再重復，當你計劃用樹莓派代替這個 PID 控制器的話，你可以讀以下的建議。

一個重要的事情需要注意，固態(tài)繼電器（SSR）信號電壓，許多教程建議使用一個 12 伏的固態(tài)繼電器來關(guān)閉電路，樹莓派的 GPIO 針插口只支持 3 伏輸出電壓，然而，必須購買繼電器將電壓變?yōu)?3 伏。

Inkbird SSR (photo by Christopher Aedo. CC BY-SA 4.0)

要運行釀酒系統(tǒng)，你的樹莓派必須做兩個關(guān)鍵事情：測量來自幾個不同位置的溫度，用繼電器開關(guān)來控制加熱元件，樹莓派很容易來處理這些任務。

這里有一些不同的方法來將溫度傳感器連到樹莓派上，但是我找到了最方便的方法用單總線。這就可以讓多個傳感器分享相同的線路（實際上是三根線），這三根線可以使釀酒系統(tǒng)的多個設(shè)備更方便的工作，如果你要從網(wǎng)上找一個防水的 DS18B20 溫度傳感器，你可以會找到很多選擇。我用的是日立 DS18B20 防水溫度傳感器。

要控制加熱元件，樹莓派包括了幾個用來軟件尋址的總線擴展器（GPIO），它會通過在某個文件寫入 0 或者 1 讓你發(fā)送3.3v 的電壓到一個繼電器，在我第一次了解樹莓派是怎樣工作的時候，這個用 GPIO 驅(qū)動繼電器的樹莓派教程對我來說是最有幫助的，總線擴展器控制著多個固態(tài)繼電器，通過釀酒軟件來直接控制加熱元件的開關(guān)。

我首先將所有部件放到這個電路盒子，因為這將成為一個滾動的小車，我要讓它便于移動，而不是固定不動的，如果我有一個店（比如說在車庫、工具房、或者地下室），我需要要用一個裝在墻上的更大的電路盒，而現(xiàn)在我找到一個大小正好的防水工程盒子，能放進每件東西，最后它成為小巧緊湊工具盒，并且能夠工作。在左下角是和樹莓派連接的為總線擴展器到單總線溫度探針和固態(tài)繼電器的擴展板。

要保持 240v 的固態(tài)繼電器溫度不高，我在盒子上切了個洞，在盒子的外面用 CPU 降溫凝膠把銅片散熱片安裝到盒子外面的熱槽之間。它工作的很好，盒子里沒有溫度上的問題了，在盒子蓋上我放了兩個開關(guān)為 120v 的插座，加兩個240v 的 led 來顯示加熱元件是否通電。我用干燥器的插座和插頭，所以可以很容易的斷開電熱水壺的連接。首次嘗試每件事情都工作正常。（第一次繪制電路圖必有回報）

這個照片來自“概念”版，最終生產(chǎn)系統(tǒng)應該有兩個以上的固態(tài)繼電器，以便 240v 的電路兩個針腳能夠切換，另外我將通過軟件來切換泵的開關(guān)。現(xiàn)在通過盒子前面的物理開關(guān)控制它們，但是也很容易用繼電器控制它們。

控制盒子 (photo by Christopher Aedo. CC BY-SA 4.0)

唯一剩下有點棘手的事情是溫度探針的壓合接頭，這個探針安裝在加熱酒精容器和麥芽漿桶球形的最底部閥門前的 T 字型接頭上。當液體流過溫度傳感器，溫度可以準確顯示。我考慮加一個套管到熱水壺里，但是對于我的釀造工藝沒有什么用。最后，我買到了四分之一英寸的壓合接頭，它們工作完美。

軟件

一旦硬件整理好，我就有時間來處理軟件了，我在樹莓派上跑了最新的 Raspbian 發(fā)行版，操作系統(tǒng)方面沒有什么特別的。

我開始使用 Strangebrew Elsinore釀酒軟件，當我的朋友問我是否我聽說過 Hosehead（一個基于樹莓派的釀酒控制器），我找到了 Strangebrew Elsinore。我認為 Hosehead很棒，但我并不是要買一個釀酒控制器，而是要挑戰(zhàn)自己，搭建一個自己的。

設(shè)置 Strangebrew Elsinore很簡單，其文檔直白，沒有遇到任何的問題。盡管 Strangebrew Elsinore 工作的很好，但在我的一代樹莓派上運行 java 有時是費力的，不止崩潰一次。我看到這個軟件開發(fā)停頓也很傷心，似乎他們也沒有更多貢獻者的大型社區(qū)（盡管有很多人還在用它）。

CraftBeerPi

之后我偶然遇到了一個用 Python 寫的 CraftbeerPI，它有活躍的貢獻者支持的開發(fā)社區(qū)。原作者（也是當前維護者） Manuel Fritsch 在貢獻和反饋問題處理方面做的很好?？寺∵@個倉庫然后開始只用了我一點時間。其 README 文檔也是一個連接 DS1820 溫度傳感器的好例子，同時也有關(guān)于硬件接口到樹莓派或者芯片電腦的注意事項。

在啟動的時候，CraftbeerPI 引導用戶通過一個設(shè)置過程來發(fā)現(xiàn)溫度探針是否可用，并且讓你指定哪個 GPIO 總線擴展器指針來管理樹莓派上哪個配件。

CraftBeerPi (photo by Christopher Aedo. CC BY-SA 4.0)

用這個系統(tǒng)進行自制釀酒是容易的，我能夠依靠它掌握可靠的溫度，我能輸入多個溫度段來控制麥芽漿溫度，用CraftbeerPi 釀酒的日子有一點點累，但是我很高興用傳統(tǒng)的手工管理丙烷燃燒器的“興奮”來換取這個系統(tǒng)的有效性和持續(xù)性。

CraftBeerPI 的用戶友好性鼓舞我設(shè)置了另一個控制器來運行“發(fā)酵室”。就我來說，那是一個二手冰箱，我用了 50 美元加上放在里面的 25 美元的加熱器。CraftBeerPI 很容易控制電器元件的冷熱，你也能夠設(shè)置多個溫度階段。舉個例子，這個圖表顯示我最近做的 IPA 進程的發(fā)酵溫度。發(fā)酵室發(fā)酵麥芽汁在 67F° 的溫度下需要 4 天，然后每 12 小時上升一度直到溫度到達 72F°。剩下兩天溫度保持不變是為了雙乙酰生成。之后 5 天溫度降到 65F°，這段時間是讓啤酒變“干”，最后啤酒發(fā)酵溫度直接降到 38F°。CraftBeerPI 可以加入各個階段，讓軟件管理發(fā)酵更加容易。

SIPA 發(fā)酵設(shè)置 (photo by Christopher Aedo. CC BY-SA 4.0)

我也試驗過用液體比重計來對酵啤酒的比重進行監(jiān)測，通過藍牙連接的浮動傳感器可以達到。有一個整合的計劃能讓 CraftbeerPi 很好工作，現(xiàn)在它記錄這些比重數(shù)據(jù)到谷歌的電子表格里。一旦這個液體比重計能連接到發(fā)酵控制器，設(shè)置的自動發(fā)酵設(shè)置會基于酵母的活動性直接運行且更加容易，而不是在 4 天內(nèi)完成主要發(fā)酵，可以在比重穩(wěn)定 24 小時后設(shè)定溫度。

像這樣的一些項目，構(gòu)想并計劃改進和增加組件是很容易，不過，我很高興今天經(jīng)歷過的事情。我用這種裝置釀造了很多啤酒，每次都能達到預期的麥芽汁比率，而且啤酒一直都很美味。我的最重要的消費者 —— 就是我！很高興我可以隨時飲用。

隨時飲用 (photo by Christopher Aedo. CC BY-SA 4.0)

這篇文章基于 Christopher 的開放的西部的講話《用Linux、Python 和樹莓派釀制啤酒》。

作者簡介

Christopher Aedo 從他的學生時代就從事并且貢獻于開源軟件事業(yè)。最近他在 IBM 領(lǐng)導一個極棒的上游開發(fā)者團隊，同時他也是開發(fā)者擁護者。當他不再工作或者實在會議室演講的時候，他可能在波特蘭市俄勒岡州用樹莓派釀制和發(fā)酵一杯美味的啤酒。