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家庭自動化是一門跨學科科學，它結合了不同的工程領域（建筑、電子、能源、電氣工程和自動化），以提高家庭生活質(zhì)量。在談論家庭自動化時，有無數(shù)的應用。物聯(lián)網(wǎng)設備的普及和人工智能領域的進步促進了家庭自動化技術的發(fā)展。涉及的應用范圍從智能照明控制到集成報警系統(tǒng)，再到能源供應系統(tǒng)的監(jiān)測和控制。傳感、執(zhí)行、處理和數(shù)據(jù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)、趨勢和預測性維護干預。近年來，SONOFF 是最受歡迎的家庭自動化設備之一；它是一種極其通用的電子開關，能夠驅(qū)動 220-VAC 負載。在本文中，我們將了解如何創(chuàng)建類似的設備 eSWITCH。

eSWITCH：Wi-Fi 智能開關

事實證明，SONOFF 是一款備受關注的設備，不僅因為它的電子元件和設計（實際上非常簡單），還因為它的高集成度和配置。SONOFF 環(huán)境對安裝設備有很大幫助，它對虛擬用戶非常有用。由于安裝簡單和產(chǎn)品成本低，公司發(fā)展迅速。網(wǎng)絡提供了各種解釋 SONOFF 工作原理的教程和視頻。由于與著名的 Alexa 和 Google Home 平臺集成，這些設備可以通過智能手機應用程序和語音控制進行遠程控制。

SONOFF BASIC R2 將成為我們的參考點：它配備繼電器，可以直接驅(qū)動 220-VAC 負載。我們將創(chuàng)建一個 eSWITCH，一個 Wi-Fi 智能開關，它和 SONOFF 一樣好。

硬件：組件、原理圖和 PCB

制作一個類似于 SONOFF 的 Wi-Fi 智能開關并不是很復雜。我們想要獲得的功能是：

驅(qū)動兩個 220-VAC 負載

讀取單線傳感器，例如經(jīng)典的 DS18B20 溫度傳感器

因此，需要為此類應用選擇正確的組件。

系統(tǒng)中的硬件模塊有：

電源部分

微控制器和編程部分

雙繼電器接口部分

單線傳感器接口部分

為了實現(xiàn)電子電路，需要獲得兩個電源電壓：5 VDC 用于驅(qū)動繼電器線圈，3.3 VDC 用于為微控制器提供電流。在圖 1 中，您可以看到電源部分的接線圖。它主要由一個降壓AC/DC轉(zhuǎn)換器HLK-PM01組成。該組件的輸入電壓范圍為 100 至 240 VAC，輸出電壓為 5 VDC，它可以提供高達 600 mA 的電流，總功耗為 3 W。該模塊非常小，價格僅為 2 美元左右。HLK-PM01 的主要優(yōu)點是它不需要任何額外的電路即可正常工作。然而，AC/DC 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表報告了一系列建議用于過流保護的組件（1-A 保險絲和 220-VAC 壓敏電阻）和改進濾波（0. 1μF 容量和 10 至 30mH 共模電感，用于 EMC 認證和 EMI 濾波）。雖然不是必需的，但遵循組件制造商的說明是一種很好的做法，尤其是當它們涉及安全要求時！

圖 1：電源部分

另一方面，3.3-VDC 電壓是通過低壓差穩(wěn)壓器 SE8533-HF 從 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出獲得的。這款 Seaward Elec 穩(wěn)壓器采用 SOT-89-3 封裝，能夠提供高達 250 mA 的電流，足以為微控制器供電。

為該應用選擇的微控制器是 ESP8266，包含在 ESP12F 模塊中，這是一款具有眾所周知的特性的 Espressif SoM。特別是，這款微控制器非常適合此類應用，因為它以極低的成本（不到 2 美元）提供高性能和 Wi-Fi 連接。在圖 2 中，可以看到處理部分及其編程連接器。事實上，除了 SoC 之外，還有一個帶有 TTL 邏輯的 6 針梳狀連接器，可以讓 ESP 模塊的 SPIFLASH 芯片內(nèi)部的固件刷新。除了 RX、TX、GND 和電源引腳之外，復位引腳和捆綁引腳（GPIO0）還連接到編程連接器。GPIO0 必須處于高邏輯電平才能從閃存啟動，而處于低邏輯電平則允許固件的刷新。一個帶有限流電阻的 LED 也連接到引腳 GPIO0，以便它可以用作可以由固件自由控制的狀態(tài)引腳。其他捆綁引腳（GPIO2 和 GPIO15）未使用，因此未連接。引腳 GPIO12 和 GPIO13 用于驅(qū)動 RELE1 和 RELE2，而 GPIO14 用于連接溫度傳感器。

圖 2：處理和編程部分

驅(qū)動部分，如圖 3 所示，使用由 BC337 NPN 晶體管和相關再循環(huán)二極管驅(qū)動的兩個繼電器，以及一個狀態(tài) LED。220-VAC 電壓將直接傳輸?shù)浇泳€盒上的負載。此外，繼電器是可選的：電路布局提供了使用 SLA-5VDC-SL-A（在 220 V 時具有高達 30 A 的 5-VDC 驅(qū)動電流）和 SRD-5VDC-SL-A（具有5-VDC 驅(qū)動電流，在 220 V 時高達 10 A）。

圖 3：繼電器部分

220VAC線路由于功率大，需要用電工線做，以免過大的電流使PCB過載，從而防止板子和用戶遭受甚至嚴重的損壞。

最后，GPIO14 與 GND 和電源一起連接到三極連接器，可用于任何類型的應用。例如，可以連接 DS18B20 數(shù)字溫度探頭并使用單線協(xié)議讀取相關測量值。

PCB 如圖 4a 和 4b 所示。

圖 4：a-up） PCB 頂部；b-bottom） PCB底部

為了便于組裝，此版本的 eSWITCH 采用分立的 PTH 組件制成；只有ESP12F模塊和SE8533-HF穩(wěn)壓器是貼片元件，手工組裝需要手工技能。圖 5a 和 5b 顯示了電路板和組件的 3D 渲染。

圖 5：a）頂部 3D 渲染；b）底部3D渲染

軟件：工具鏈和通信

硬件組裝好后，就該考慮軟件了。ESP12F 模塊可通過 Arduino IDE、下載其庫和相關工具鏈或使用樂鑫提供的官方環(huán)境 ESP-IDF 進行編程。該環(huán)境為開發(fā)人員提供了開發(fā) SoC 的所有潛力所需的庫和工具：FreeRTOS 操作系統(tǒng)、用于訪問外圍設備和 Wi-Fi 硬件的庫、用于創(chuàng)建 Web 服務器的庫，以及通常用于通信和數(shù)據(jù)交換。

測試 eSWITCH 板的系統(tǒng)架構示例如圖 6 所示：系統(tǒng)啟動時，微控制器打開 Wi-Fi 通信模塊，設置站模式以連接到接入點，最后啟動 MQTT 連接到 MQTT 代理。一旦通信通道打開，通過使用簡單的協(xié)議，可以定期發(fā)送溫度測量值（或連接到 GPIO14 的傳感器的任何其他參數(shù)），而固件將能夠處理激活/停用請求的繼電器。