「電路分享」Wi-Fi智能交換機(jī)

家庭自動化是一門跨學(xué)科的科學(xué)，它將工程的不同領(lǐng)域（建筑、電子、能源、電氣工程和自動化）結(jié)合起來，以改善家庭生活質(zhì)量。當(dāng)談?wù)摷彝プ詣踊瘯r，有無數(shù)的應(yīng)用程序。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及和人工智能領(lǐng)域的進(jìn)步使家庭自動化技術(shù)得以發(fā)展。所涉及的應(yīng)用范圍從智能照明控制到綜合報警系統(tǒng)，再到能源供應(yīng)系統(tǒng). 傳感、執(zhí)行、處理和數(shù)據(jù)通信是所有這些應(yīng)用程序的基礎(chǔ)；這些操作將被遠(yuǎn)程存儲，以創(chuàng)建統(tǒng)計數(shù)據(jù)、趨勢和預(yù)測性維護(hù)干預(yù)。近年來，SONOFF是最受歡迎的家用自動化設(shè)備之一；它是一種非常通用的電子開關(guān)，能夠驅(qū)動220伏交流電壓的負(fù)載。在本文中，我們將研究如何創(chuàng)建類似的設(shè)備eSWITCH。

SONOFF被證明是一個非常有趣的設(shè)備，不僅因?yàn)樗碾娮釉驮O(shè)計（實(shí)際上是相當(dāng)微不足道的），而且因?yàn)樗母叨燃珊团渲谩ONOFF環(huán)境極大地幫助了設(shè)備的安裝，并且對于虛擬用戶來說非常有用。由于安裝的簡單性和產(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解釋SONOFF是如何工作的。由于與著名的Alexa和Google Home平臺的集成，這些設(shè)備既可以通過智能手機(jī)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程控制，也可以通過語音控制進(jìn)行遠(yuǎn)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(qū)動220伏交流負(fù)載。我們將創(chuàng)建一個eSWITCH，一個Wi-Fi智能交換機(jī)，它和SONOFF一樣好。

制作一個類似SONOFF的Wi-Fi智能交換機(jī)并不復(fù)雜。我們希望獲得的功能是：

• 驅(qū)動兩個220-VAC負(fù)載

• 讀取單線傳感器，如經(jīng)典的DS18B20溫度傳感器

因此，這是為這種類型的應(yīng)用程序選擇正確的組件的問題。

系統(tǒng)中的硬件模塊包括：

• 動力部分

• 微控制器和編程部分

• 雙繼電器接口段

• 單線傳感器接口部分

為了實(shí)現(xiàn)電子電路，需要獲得兩個電源電壓：5伏直流電驅(qū)動繼電器線圈，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(dá)600毫安的總功耗為3瓦。該模塊非常小，價格僅為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正常工作。然而，AC/DC轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表報告了一系列建議用于過電流保護(hù)（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(rèn)證和EMI過濾）。雖然不是必要的，但遵循部件制造商的說明是一種良好的做法，特別是當(dāng)它們涉及到安全要求時！

圖1：電源部分

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

為應(yīng)用選擇的微控制器是一個ESP8266，包括在ESP12F模塊中，這是一個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(yīng)用，因?yàn)樗苑浅５偷某杀荆ú坏?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，還有一個梳形連接器，有六個引腳，帶有TTL邏輯，允許ESP模塊的SPIFLASH芯片內(nèi)的固件閃爍。除RX、TX、GND和電源引腳外，復(fù)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，而在低邏輯級別，它允許固件閃存。一個帶有限制電阻的LED也連接到引腳GPIO0，這樣它就可以作為一個狀態(tài)引腳使用，可以由固件自由控制。其他捆扎銷（GPIO2和GPIO15）未使用，因此未連接。插腳GPIO12和GPIO13用于驅(qū)動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(qū)動部分，如圖3所示，利用兩個繼電器驅(qū)動的BC337 NPN晶體管和相對再循環(huán)二極管，以及一個狀態(tài)LED。220-VAC電壓將直接傳輸至接線盒上的負(fù)載。此外，繼電器是可選的：電路布局提供了同時使用SLA-5VDC-SL-A（在220v下5-VDC驅(qū)動電流高達(dá)30a）和SRD-5VDC-SL-A（在220v時5-VDC驅(qū)動電流高達(dá)10a）的可能性。

圖3：繼電器部分

220-VAC線路由于功率大，必須用電工電纜連接，以免PCB板因電流過大而過載，從而使電路板和用戶免受更嚴(yán)重的損壞。

最后，GPIO14被連接到一個三極連接器上，與GND和電源一起，用于任何類型的應(yīng)用。例如，可以連接DS18B20數(shù)字溫度探頭，并使用單線協(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(diào)節(jié)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。這個環(huán)境為開發(fā)人員提供了開發(fā)SoC所有潛力所需的庫和工具：FreeRTOS操作系統(tǒng)、訪問外圍設(shè)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(shù)據(jù)交換的庫。

測試eSWITCH板的系統(tǒng)架構(gòu)示例如圖6所示：在系統(tǒng)啟動時，微控制器打開Wi-Fi通信模塊，設(shè)置連接到接入點(diǎn)的站模式，最后啟動到MQTT代理的MQTT連接。一旦通信信道被打開，通過使用簡單的協(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(shù)），而固件將能夠處理繼電器的激活/停用請求。

圖6：系統(tǒng)架構(gòu)

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

例如，為花園的燈光創(chuàng)建一個計時系統(tǒng)非常簡單：使用Linux系統(tǒng)，通過cron服務(wù)在預(yù)設(shè)時間啟動的bash腳本就足以向eSWITCH發(fā)送命令，以激活和停用繼電器。