「電路分享」Wi-Fi智能交換機

家庭自動(dòng)化是一門(mén)跨學(xué)科的科學(xué)，它將工程的不同領(lǐng)域（建筑、電子、能源、電氣工程和自動(dòng)化）結合起來(lái)，以改善家庭生活質(zhì)量。當談?wù)摷彝プ詣?dòng)化時(shí)，有無(wú)數的應用程序。物聯(lián)網(wǎng)設備的普及和人工智能領(lǐng)域的進(jìn)步使家庭自動(dòng)化技術(shù)得以發(fā)展。所涉及的應用范圍從智能照明控制到綜合報警系統，再到能源供應系統. 傳感、執行、處理和數據通信是所有這些應用程序的基礎；這些操作將被遠程存儲，以創(chuàng )建統計數據、趨勢和預測性維護干預。近年來(lái)，SONOFF是最受歡迎的家用自動(dòng)化設備之一；它是一種非常通用的電子開(kāi)關(guān)，能夠驅動(dòng)220伏交流電壓的負載。在本文中，我們將研究如何創(chuàng )建類(lèi)似的設備eSWITCH。

SONOFF被證明是一個(gè)非常有趣的設備，不僅因為它的電子元件和設計（實(shí)際上是相當微不足道的），而且因為它的高度集成和配置。SONOFF環(huán)境極大地幫助了設備的安裝，并且對于虛擬用戶(hù)來(lái)說(shuō)非常有用。由于安裝的簡(jiǎn)單性和產(chǎn)品的低成本，這家公司迅速發(fā)展壯大。該網(wǎng)站提供了各種各樣的教程和視頻來(lái)解釋SONOFF是如何工作的。由于與著(zhù)名的Alexa和Google Home平臺的集成，這些設備既可以通過(guò)智能手機應用程序遠程控制，也可以通過(guò)語(yǔ)音控制進(jìn)行遠程控制。

SONOFF BASIC R2將是我們的參考點(diǎn)：它配備了繼電器，可以直接驅動(dòng)220伏交流負載。我們將創(chuàng )建一個(gè)eSWITCH，一個(gè)Wi-Fi智能交換機，它和SONOFF一樣好。

制作一個(gè)類(lèi)似SONOFF的Wi-Fi智能交換機并不復雜。我們希望獲得的功能是：

• 驅動(dòng)兩個(gè)220-VAC負載

• 讀取單線(xiàn)傳感器，如經(jīng)典的DS18B20溫度傳感器

因此，這是為這種類(lèi)型的應用程序選擇正確的組件的問(wèn)題。

系統中的硬件模塊包括：

• 動(dòng)力部分

• 微控制器和編程部分

• 雙繼電器接口段

• 單線(xiàn)傳感器接口部分

為了實(shí)現電子電路，需要獲得兩個(gè)電源電壓：5伏直流電驅動(dòng)繼電器線(xiàn)圈，3.3伏直流電為微控制器供電。在圖1中，您可以看到電源部分的接線(xiàn)圖。它主要由降壓型交直流變換器HLK-PM01組成。該組件接收的輸入電壓范圍為100至240伏交流電壓，輸出電壓為5伏直流電，可提供高達600毫安的總功耗為3瓦。該模塊非常小，價(jià)格僅為2美元左右。HLK-PM01的主要優(yōu)點(diǎn)是它不需要任何額外的電路來(lái)正常工作。然而，AC/DC轉換器數據表報告了一系列建議用于過(guò)電流保護（1-a保險絲和220-VAC變阻器）和改善濾波（0.1-μF容量和10-30 mH共模電感，用于EMC認證和EMI過(guò)濾）。雖然不是必要的，但遵循部件制造商的說(shuō)明是一種良好的做法，特別是當它們涉及到安全要求時(shí)！

圖1：電源部分

另一方面，3.3-VDC電壓通過(guò)低壓差調節器SE8533-HF從AC/DC轉換器的輸出獲得。這種向海的電子調節器，在一個(gè)SOT-89-3封裝中，能夠提供高達250毫安，這是足夠的電流為微控制器供電。

為應用選擇的微控制器是一個(gè)ESP8266，包括在ESP12F模塊中，這是一個(gè)具有眾所周知的特性的Espressif SoM。特別是，這種微控制器適合這種應用，因為它以非常低的成本（不到2美元）提供高性能和Wi-Fi連接。在圖2中，可以看到processing部分及其編程連接器。事實(shí)上，除了SoC之外，還有一個(gè)梳形連接器，有六個(gè)引腳，帶有TTL邏輯，允許ESP模塊的SPIFLASH芯片內的固件閃爍。除RX、TX、GND和電源引腳外，復位引腳和捆扎引腳（GPIO0）還連接至編程連接器。GPIO0必須處于高邏輯級別才能從閃存啟動(dòng)，而在低邏輯級別，它允許固件閃存。一個(gè)帶有限制電阻的LED也連接到引腳GPIO0，這樣它就可以作為一個(gè)狀態(tài)引腳使用，可以由固件自由控制。其他捆扎銷(xiāo)（GPIO2和GPIO15）未使用，因此未連接。插腳GPIO12和GPIO13用于驅動(dòng)RELE1和RELE2，而GPIO14用于連接到溫度傳感器。

圖2：處理和編程部分

驅動(dòng)部分，如圖3所示，利用兩個(gè)繼電器驅動(dòng)的BC337 NPN晶體管和相對再循環(huán)二極管，以及一個(gè)狀態(tài)LED。220-VAC電壓將直接傳輸至接線(xiàn)盒上的負載。此外，繼電器是可選的：電路布局提供了同時(shí)使用SLA-5VDC-SL-A（在220v下5-VDC驅動(dòng)電流高達30a）和SRD-5VDC-SL-A（在220v時(shí)5-VDC驅動(dòng)電流高達10a）的可能性。

圖3：繼電器部分

220-VAC線(xiàn)路由于功率大，必須用電工電纜連接，以免PCB板因電流過(guò)大而過(guò)載，從而使電路板和用戶(hù)免受更嚴重的損壞。

最后，GPIO14被連接到一個(gè)三極連接器上，與GND和電源一起，用于任何類(lèi)型的應用。例如，可以連接DS18B20數字溫度探頭，并使用單線(xiàn)協(xié)議讀取相對測量值。

PCB如圖4a和4b所示。

圖4a:PCB-top

圖4b:PCB-bottom

為了便于組裝，此版本的eSWITCH采用分立的PTH組件；只有ESP12F模塊和SE8533-HF電壓調節器是SMD組件，手工組裝需要手工操作。圖5a和5b顯示了電路板和組件的三維顯示。

圖5:a）頂部3D渲染

圖5:b）底部3D渲染

一旦硬件組裝好了，就該考慮軟件了。ESP12F模塊可通過(guò)使用Arduino IDE進(jìn)行編程，下載其庫和相關(guān)的工具鏈，或使用ESPpressif、ESP-IDF提供的官方環(huán)境。這個(gè)環(huán)境為開(kāi)發(fā)人員提供了開(kāi)發(fā)SoC所有潛力所需的庫和工具：FreeRTOS操作系統、訪(fǎng)問(wèn)外圍設備和Wi-Fi硬件的庫、創(chuàng )建web服務(wù)器的庫，以及通常用于通信和數據交換的庫。

測試eSWITCH板的系統架構示例如圖6所示：在系統啟動(dòng)時(shí)，微控制器打開(kāi)Wi-Fi通信模塊，設置連接到接入點(diǎn)的站模式，最后啟動(dòng)到MQTT代理的MQTT連接。一旦通信信道被打開(kāi)，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的協(xié)議，就可以周期性地發(fā)送溫度測量值（或連接到GPIO14的傳感器的任何其他參數），而固件將能夠處理繼電器的激活/停用請求。

圖6：系統架構

很明顯，這種架構的潛力是巨大的：可以實(shí)現一系列遠程控制我們的eSWITCH的web服務(wù)，以便從網(wǎng)頁(yè)或智能手機應用程序或任何其他能夠使用HTTP協(xié)議的應用程序進(jìn)行管理。

例如，為花園的燈光創(chuàng )建一個(gè)計時(shí)系統非常簡(jiǎn)單：使用Linux系統，通過(guò)cron服務(wù)在預設時(shí)間啟動(dòng)的bash腳本就足以向eSWITCH發(fā)送命令，以激活和停用繼電器。