Wi-Fi智能开关eSWITCH的应用

家庭自动化是一门跨学科科学，它结合了不同的工程领域（建筑、电子、能源、电气工程和自动化），以提高家庭生活质量。在谈论家庭自动化时，有无数的应用。物联网设备的普及和人工智能领域的进步促进了家庭自动化技术的发展。涉及的应用范围从智能照明控制到集成报警系统，再到能源供应系统的监测和控制。 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 是最受欢迎的家庭自动化设备之一；它是一种极其通用的电子开关，能够驱动 220-VAC 负载。在本文中，我们将了解如何创建类似的设备 eSWITCH。

eSWITCH：Wi-Fi 智能开关

事实证明，SONOFF 是一款备受关注的设备，不仅因为它的电子元件和设计（实际上非常简单），还因为它的高集成度和配置。SONOFF 环境对安装设备有很大帮助，它对虚拟用户非常有用。由于安装简单和产品成本低，公司发展迅速。网络提供了各种解释 SONOFF 工作原理的教程和视频。由于与著名的 Alexa 和 Google Home 平台集成，这些设备可以通过智能手机应用程序和语音控制进行远程控制。

SONOFF BASIC R2 将成为我们的参考点：它配备继电器，可以直接驱动 220-VAC 负载。我们将创建一个 eSWITCH，一个 Wi-Fi 智能开关，它和 SONOFF 一样好。

硬件：组件、原理图和 PCB

制作一个类似于 SONOFF 的 Wi-Fi 智能开关并不是很复杂。我们想要获得的功能是：

驱动两个 220-VAC 负载

读取单线传感器，例如经典的 DS18B20 温度传感器

因此，需要为此类应用选择正确的组件。

系统中的硬件模块有：

电源部分

微控制器和编程部分

双继电器接口部分

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 VDC 用于驱动继电器线圈，3.3 VDC 用于为微控制器提供电流。在图 1 中，您可以看到电源部分的接线图。它主要由一个降压AC/DC转换器HLK-PM01组成。该组件的输入电压范围为 100 至 240 VAC，输出电压为 5 VDC，它可以提供高达 600 mA 的电流，总功耗为 3 W。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即可正常工作。然而，AC/DC 转换器数据表报告了一系列建议用于过流保护的组件（1-A 保险丝和 220-VAC 压敏电阻）和改进滤波（0. 1µF 容量和 10 至 30mH 共模电感，用于 EMC 认证和 EMI 滤波）。虽然不是必需的，但遵循组件制造商的说明是一种很好的做法，尤其是当它们涉及安全要求时！

图 1：电源部分

另一方面，3.3-VDC 电压是通过低压差稳压器 SE8533-HF 从 AC/DC 转换器的输出获得的。这款 Seaward Elec 稳压器采用 SOT-89-3 封装，能够提供高达 250 mA 的电流，足以为微控制器供电。

为该应用选择的微控制器是 ESP8266，包含在 ESP12F 模块中，这是一款具有众所周知的特性的 Espressif SoM。特别是，这款微控制器非常适合此类应用，因为它以极低的成本（不到 2 美元）提供高性能和 Wi-Fi 连接。在图 2 中，可以看到处理部分及其编程连接器。事实上，除了 SoC 之外，还有一个带有 TTL 逻辑的 6 针梳状连接器，可以让 ESP 模块的 SPIFLASH 芯片内部的固件刷新。除了 RX、TX、GND 和电源引脚之外，复位引脚和捆绑引脚 （GPIO0） 还连接到编程连接器。GPIO0 必须处于高逻辑电平才能从闪存启动，而处于低逻辑电平则允许固件的刷新。一个带有限流电阻的 LED 也连接到引脚 GPIO0，以便它可以用作可以由固件自由控制的状态引脚。其他捆绑引脚（GPIO2 和 GPIO15）未使用，因此未连接。引脚 GPIO12 和 GPIO13 用于驱动 RELE1 和 RELE2，而 GPIO14 用于连接温度传感器。

图 2：处理和编程部分

驱动部分，如图 3 所示，使用由 BC337 NPN 晶体管和相关再循环二极管驱动的两个继电器，以及一个状态 LED。220-VAC 电压将直接传输到接线盒上的负载。此外，继电器是可选的：电路布局提供了使用 SLA-5VDC-SL-A（在 220 V 时具有高达 30 A 的 5-VDC 驱动电流）和 SRD-5VDC-SL-A（具有5-VDC 驱动电流，在 220 V 时高达 10 A）。

图 3：继电器部分

220VAC线路由于功率大，需要用电工线做，以免过大的电流使PCB过载，从而防止板子和用户遭受甚至严重的损坏。

最后，GPIO14 与 GND 和电源一起连接到三极连接器，可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关测量值。

PCB 如图 4a 和 4b 所示。

图 4：a-up） PCB 顶部；b-bottom） PCB底部

为了便于组装，此版本的 eSWITCH 采用分立的 PTH 组件制成；只有ESP12F模块和SE8533-HF稳压器是贴片元件，手工组装需要手工技能。图 5a 和 5b 显示了电路板和组件的 3D 渲染。

图 5：a） 顶部 3D 渲染；b） 底部3D渲染

软件：工具链和通信

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

测试 eSWITCH 板的系统架构示例如图 6 所示：系统启动时，微控制器打开 Wi-Fi 通信模块，设置站模式以连接到接入点，最后启动 MQTT 连接到 MQTT 代理。一旦通信通道打开，通过使用简单的协议，可以定期发送温度测量值（或连接到 GPIO14 的传感器的任何其他参数），而固件将能够处理激活/停用请求的继电器。

图 6：系统架构

很明显，这种架构的潜力是广泛的：可以实现一系列远程控制我们的 eSWITCH 的 Web 服务，以便可以从网页或智能手机应用程序或任何其他能够使用HTTP 协议。

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 脚本足以向 eSWITCH 发送命令以进行激活和停用的继电器。

结论

在本文中，我们看到了一些想法，例如 SONOFF，尽管易于实施，但如何能够渗透市场和 DIY 世界。也许该设备可以解决的简单性和广泛的问题使 SONOFF 在制造商和爱好者的世界中广受欢迎。

审核编辑：郭婷