树莓派 2 + Windows 10 IoT 打造全屋智能家居中控系统
系统架构概览
树莓派 2 (Win10 IoT Core) 作为主控，通过 I²C 总线管理多个 Arduino UNO 从节点，每个房间一个 UNO 负责：
- 继电器控制灯/风扇/插座等负载
- 采集 LDR 光照、PIR 人体红外、LM35 温度
- 定时上报传感器数据、接收主控下发开关指令
水泵/热水器等大功率设备经 交流接触器 + 空开 二级保护，由继电器驱动线圈隔离控制。
硬件清单（单房间基准）
| 组件 | 数量 | 关键参数 |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 1/房间 | I²C 从机地址唯一 |
| 树莓派 2 Model B | 1 | 主控，运行 UWP 应用 |
| 4/8/16 路继电器模块 | 视负载数 | 低电平触发，光耦隔离 |
| LDR 光敏电阻 + 10k 分压 | 1 | 窗边采集环境光 |
| PIR 人体红外模块 | 1 | 检测人员在室 |
| LM35 温度传感器 | 1 | 模拟量输出 10 mV/℃ |
| 交流接触器 (3TF32) | 1 | 线圈 250 VAC，触点 16A/415VAC |
| 微型断路器 (1P C16A) | 1 | 水泵短路/过载保护 |
通信协议设计（I²C 自定义帧）
主控 (Pi) 发送 3 字节：[Mode][Pin][Value]；从机 (UNO) 回复 14 字节：
| Mode | 功能 | 响应内容 (14 字节) |
|---|---|---|
| 0 | 读传感器 | [光照 0-255][PIR 0/1][温度符号 0/1][温度绝对值 0-255][保留 10 字节] |
| 1 | 读设备状态 | D0-D13, A2, A3 共 14 路数字口高低电平 |
| 2 | 写设备状态 | [目标引脚当前状态] |
软件架构 (C# UWP)
- Home：根对象，含
List<Room>，支持 JSON 序列化持久化 - Room：含
List<Device>与SensorData结构体 - Device：封装地址、类型、开关方法（调用 Mode 2）
- I2C_Helper：封装
Windows.Devices.I2c读写、CRC 校验、重试逻辑
UI 交互设计
采用 Wireframe → XAML 流程，五大页面：
- 首页：全屋设备状态概览、时间、一键离家/回家
- 收藏设备：拖拽自定义常用开关
- 房间页：分房间查看/控制、实时传感器曲线
- 水路设备：水泵/热水器专用联动逻辑
- 设置页：房间/设备增删改、I²C 地址分配、网络配置
部署与已知问题
部署步骤
- VS2015 Community 创建 UWP 项目，目标版本 10.0.10586+
- ARM 配置 → 远程部署至 Pi 2 IP，需开启开发者模式
- IoT 仪表板设置启动应用为本项目
典型坑点与对策
| 问题 | 原因 | 对策 |
|---|---|---|
| UNO 上电 D13 闪烁触发继电器 | Optiboot 启动时翻转 D13 | 避开 D13 或重烧无闪烁 Bootloader |
| Pi 断电丢失时间 | 无板载 RTC | 外挂 DS3231 模块 + NTP 双保险 |
| UWP 异步异常无堆栈 | WinRT 异步调试体验差 | 预埋断点、大量 Debug.WriteLine、捕获 Task 异常 |
源码与原理图获取
- Arduino 从机固件：项目附件
Arduino_Sketch_v0.4.ino - UWP 主控完整工程：GitHub 仓库
- Fritzing 原理图与 PCB：项目附件
Home Automation Schematic.fzz
制造工艺
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