「电路分享」Wi-Fi智能交换机

家庭自动化是一门跨学科的科学，它将工程的不同领域（建筑、电子、能源、电气工程和自动化）结合起来，以改善家庭生活质量。当谈论家庭自动化时，有无数的应用程序。物联网设备的普及和人工智能领域的进步使家庭自动化技术得以发展。所涉及的应用范围从智能照明控制到综合报警系统，再到能源供应系统. 传感、执行、处理和数据通信是所有这些应用程序的基础；这些操作将被远程存储，以创建统计数据、趋势和预测性维护干预。近年来，SONOFF是最受欢迎的家用自动化设备之一；它是一种非常通用的电子开关，能够驱动220伏交流电压的负载。在本文中，我们将研究如何创建类似的设备eSWITCH。

SONOFF被证明是一个非常有趣的设备，不仅因为它的电子元件和设计（实际上是相当微不足道的），而且因为它的高度集成和配置。SONOFF环境极大地帮助了设备的安装，并且对于虚拟用户来说非常有用。由于安装的简单性和产品的低成本，这家公司迅速发展壮大。该网站提供了各种各样的教程和视频来解释SONOFF是如何工作的。由于与著名的Alexa和Google Home平台的集成，这些设备既可以通过智能手机应用程序远程控制，也可以通过语音控制进行远程控制。

SONOFF BASIC R2将是我们的参考点：它配备了继电器，可以直接驱动220伏交流负载。我们将创建一个eSWITCH，一个Wi-Fi智能交换机，它和SONOFF一样好。

制作一个类似SONOFF的Wi-Fi智能交换机并不复杂。我们希望获得的功能是：

• 驱动两个220-VAC负载

• 读取单线传感器，如经典的DS18B20温度传感器

因此，这是为这种类型的应用程序选择正确的组件的问题。

系统中的硬件模块包括：

• 动力部分

• 微控制器和编程部分

• 双继电器接口段

• 单线传感器接口部分

为了实现电子电路，需要获得两个电源电压：5伏直流电驱动继电器线圈，3.3伏直流电为微控制器供电。在图1中，您可以看到电源部分的接线图。它主要由降压型交直流变换器HLK-PM01组成。该组件接收的输入电压范围为100至240伏交流电压，输出电压为5伏直流电，可提供高达600毫安的总功耗为3瓦。该模块非常小，价格仅为2美元左右。HLK-PM01的主要优点是它不需要任何额外的电路来正常工作。然而，AC/DC转换器数据表报告了一系列建议用于过电流保护（1-a保险丝和220-VAC变阻器）和改善滤波（0.1-µF容量和10-30 mH共模电感，用于EMC认证和EMI过滤）。虽然不是必要的，但遵循部件制造商的说明是一种良好的做法，特别是当它们涉及到安全要求时！

图1：电源部分

另一方面，3.3-VDC电压通过低压差调节器SE8533-HF从AC/DC转换器的输出获得。这种向海的电子调节器，在一个SOT-89-3封装中，能够提供高达250毫安，这是足够的电流为微控制器供电。

为应用选择的微控制器是一个ESP8266，包括在ESP12F模块中，这是一个具有众所周知的特性的Espressif SoM。特别是，这种微控制器适合这种应用，因为它以非常低的成本（不到2美元）提供高性能和Wi-Fi连接。在图2中，可以看到processing部分及其编程连接器。事实上，除了SoC之外，还有一个梳形连接器，有六个引脚，带有TTL逻辑，允许ESP模块的SPIFLASH芯片内的固件闪烁。除RX、TX、GND和电源引脚外，复位引脚和捆扎引脚（GPIO0）还连接至编程连接器。GPIO0必须处于高逻辑级别才能从闪存启动，而在低逻辑级别，它允许固件闪存。一个带有限制电阻的LED也连接到引脚GPIO0，这样它就可以作为一个状态引脚使用，可以由固件自由控制。其他捆扎销（GPIO2和GPIO15）未使用，因此未连接。插脚GPIO12和GPIO13用于驱动RELE1和RELE2，而GPIO14用于连接到温度传感器。

图2：处理和编程部分

驱动部分，如图3所示，利用两个继电器驱动的BC337 NPN晶体管和相对再循环二极管，以及一个状态LED。220-VAC电压将直接传输至接线盒上的负载。此外，继电器是可选的：电路布局提供了同时使用SLA-5VDC-SL-A（在220v下5-VDC驱动电流高达30a）和SRD-5VDC-SL-A（在220v时5-VDC驱动电流高达10a）的可能性。

图3：继电器部分

220-VAC线路由于功率大，必须用电工电缆连接，以免PCB板因电流过大而过载，从而使电路板和用户免受更严重的损坏。

最后，GPIO14被连接到一个三极连接器上，与GND和电源一起，用于任何类型的应用。例如，可以连接DS18B20数字温度探头，并使用单线协议读取相对测量值。

PCB如图4a和4b所示。

图4a:PCB-top

图4b:PCB-bottom

为了便于组装，此版本的eSWITCH采用分立的PTH组件；只有ESP12F模块和SE8533-HF电压调节器是SMD组件，手工组装需要手工操作。图5a和5b显示了电路板和组件的三维显示。

图5:a）顶部3D渲染

图5:b）底部3D渲染

一旦硬件组装好了，就该考虑软件了。ESP12F模块可通过使用Arduino IDE进行编程，下载其库和相关的工具链，或使用ESPpressif、ESP-IDF提供的官方环境。这个环境为开发人员提供了开发SoC所有潜力所需的库和工具：FreeRTOS操作系统、访问外围设备和Wi-Fi硬件的库、创建web服务器的库，以及通常用于通信和数据交换的库。

测试eSWITCH板的系统架构示例如图6所示：在系统启动时，微控制器打开Wi-Fi通信模块，设置连接到接入点的站模式，最后启动到MQTT代理的MQTT连接。一旦通信信道被打开，通过使用简单的协议，就可以周期性地发送温度测量值（或连接到GPIO14的传感器的任何其他参数），而固件将能够处理继电器的激活/停用请求。

图6：系统架构

很明显，这种架构的潜力是巨大的：可以实现一系列远程控制我们的eSWITCH的web服务，以便从网页或智能手机应用程序或任何其他能够使用HTTP协议的应用程序进行管理。

例如，为花园的灯光创建一个计时系统非常简单：使用Linux系统，通过cron服务在预设时间启动的bash脚本就足以向eSWITCH发送命令，以激活和停用继电器。