ESP8266-01 Έξυπνος χρονοδιακόπτης IoT για οικιακό αυτοματισμό: 9 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

ΕΝΗΜΕΡΩΣΕΙΣ

2018-09-30: Το υλικολογισμικό ενημερώθηκε σε έκδοση 1.09. Τώρα με τη Βασική υποστήριξη Sonoff

2018-10-01: Δοκιμή Firmware Έκδοση 1.10 διαθέσιμη για δοκιμή στο ESP8266-01 με ζητήματα

Με τα νέα τσιτάτα να είναι Internet Of Things (IoT) και Home Automation, αποφάσισα να κοιτάξω τα τρέχοντα στοιχεία μέσα και γύρω από το σπίτι μου που ελέγχονται μέσω κάποιου είδους συσκευής. Τα στοιχεία που ξεχώρισαν είναι τα εξής:

• Αντλία πισίνας
• Γέμισμα νερού πισίνας
• Πισίνα και τα γύρω φώτα
• Φώτα γραφείου τηλεόρασης/ψυχαγωγίας

Το κοινό στοιχείο που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο αυτών των συσκευών είναι τα τυπικά χρονόμετρα βύσματος τοίχου. Κάθε συσκευή είναι εξοπλισμένη με το δικό της χρονόμετρο και όλες βρίσκονται σε διαφορετικές τοποθεσίες. Γιατί λοιπόν επέλεξα αυτά τα στοιχεία για να ξεκινήσω με έργα Internet of Things ή Home Automation, θα μπορούσατε να ρωτήσετε;

Λοιπόν, η ζωή στη Νότια Αφρική σημαίνει ότι οι διακοπές ρεύματος είναι ένα συνηθισμένο φαινόμενο. Με τα στατιστικά στοιχεία του σπιτιού μου, είχα 35 διακοπές ρεύματος τον τελευταίο χρόνο, συνολικά 40 ώρες. Αυτό κανονικά δεν αποτελεί πρόβλημα, καθώς όλοι οι τρέχοντες εγκατεστημένοι χρονοδιακόπτες είναι εφοδιασμένοι με εφεδρική μπαταρία για τη διατήρηση του χρόνου κατά τη διάρκεια διακοπών ρεύματος. Υπάρχουν όμως κάποια ζητήματα:

• Αυτές οι εφεδρικές μπαταρίες διαρκούν μόνο ένα ή δύο χρόνια, τότε ο χρονοδιακόπτης πρέπει να αντικατασταθεί. Τα χρονόμετρα είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε ο χρονοδιακόπτης πρέπει να καταστραφεί για να αποκτήσει πρόσβαση στην εσωτερική μπαταρία Ni-Cad.
• Κάθε φορά που διακόπτεται η τροφοδοσία, τα χρονόμετρα με ελαττωματικές μπαταρίες πρέπει να επαναπρογραμματίζονται και να ρυθμίζεται ο χρόνος.
• Η φυσική θέση του χρονοδιακόπτη, όταν συνδέεται στην πρίζα τοίχου, καθιστά σχεδόν αδύνατη την ανάγνωση των οθονών LCD που βλέπουν το χρονόμετρο από την κορυφή. Αυτό σημαίνει ότι το χρονόμετρο πρέπει να αποσυνδεθεί ή πρέπει να ξαπλώσω στο πάτωμα για να ρυθμίσω ή να ρυθμίσω τα χρονόμετρα μετά από διακοπή ρεύματος.

Για τους παραπάνω λόγους, αποφάσισα να δοκιμάσω τη δυνατότητα αντικατάστασης των χρονοδιακόπτη με ένα IoT Smart Timer, συνδεδεμένο στο τοπικό οικιακό μου δίκτυο.

Η ιδέα ήταν να σχεδιάσουμε ένα αυτόνομο χρονόμετρο, το οποίο μπορεί:

• Αυτόματη προσαρμογή της τρέχουσας ώρας χρησιμοποιώντας το Διαδίκτυο (IoT)
• Λειτουργεί χωρίς ενέργειες χρήστη (Smart)
• Ενεργοποίηση/απενεργοποίηση εξόδου σύμφωνα με τις καθορισμένες ώρες (Χρονοδιακόπτης)
• Προγραμματιζόμενος και ελεγχόμενος μέσω δικτύου (Home Automation)

Βήμα 1: Ο σχεδιασμός ESP8266-01

Ο σχεδιασμός έγινε χρησιμοποιώντας μια μονάδα WiFi ESP8266-01, καθώς αυτό είχα στη διάθεσή μου. Στην απλούστερη μορφή του, το ESP8266-01 έχει τέσσερις ακίδες εισόδου/εξόδου:

• GPIO0
• GPIO2
• TX
• RX

ESP8266-01 Λειτουργίες ενεργοποίησης

Η λογική κατάσταση των ακίδων εισόδου/εξόδου χρησιμοποιείται για να καθορίσει σε ποια λειτουργία θα εκκινήσει το ESP8266-01. Το πρώτο βήμα ήταν να καθοριστεί ποια από τις ακίδες εισόδου/εξόδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση ενός ρελέ εξόδου.

• Για κανονική ενεργοποίηση, τα GPIO0 και GPIO2 πρέπει να ρυθμιστούν στη λογική Υ HIGHΗΛΗ. Έτσι είναι σαφές ότι αυτές οι δύο ακίδες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ψηφιακή έξοδος.
• Ο πείρος Tx έχει οριστεί ως έξοδος κατά την ενεργοποίηση και η έξοδος υψηλή. Αυτός ο πείρος Tx μεταδίδει επίσης ορισμένα σειριακά δεδομένα κατά την ενεργοποίηση. Έτσι, αυτός ο πείρος δεν μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως έξοδος.

Ο μόνος πείρος που απομένει είναι ο πείρος Rx. Αυτός ο πείρος έχει οριστεί ως είσοδος κατά την ενεργοποίηση και δεν χρειάζεται να τραβηχτεί ψηλά κατά την ενεργοποίηση. Αυτός ο πείρος είναι επομένως ο καταλληλότερος για να χρησιμοποιηθεί ως ακίδα εξόδου.

Εκκίνηση

Για να διασφαλίσετε τη σωστή λειτουργία εκκίνησης του ESP8266-01 κατά την ενεργοποίηση, οι ακόλουθες ακίδες τραβιούνται ψηλά χρησιμοποιώντας αντιστάσεις 10K:

• GPIO0
• GPIO2
• RST
• CH_PD

Αυτό διασφαλίζει ότι η μονάδα ξεκινά σωστά κάθε φορά.

Ρελέ εξόδου

Το RX είναι ο μόνος πείρος κατάλληλος για χρήση ως έξοδο. Αυτός ο πείρος χρησιμοποιείται έτσι για να οδηγήσει το ρελέ εξόδου μέσω ενός τρανζίστορ NPN. Προστέθηκαν η τυπική αντίσταση διόδου σφόνδυλου και βάσης τρανζίστορ.

Κουμπί MODE/SET

Το κουμπί είναι συνδεδεμένο στο GPIO2 και με το κουμπί απελευθερωμένο, μια αντίσταση 10K θα τραβήξει το GPIO2 ψηλά. Με το πάτημα του κουμπιού, το GPIO2 τραβιέται στα 0V.

Αυτό το κουμπί χρησιμοποιείται για δύο λειτουργίες:

• Αρχική ρύθμιση για τη σύνδεση της μονάδας σε τοπικό δίκτυο WiFi
• Για χειροκίνητο έλεγχο της εξόδου κατά την κανονική λειτουργία

Ένδειξη LED

Το LED είναι συνδεδεμένο στο GPIO0 και υποδεικνύει τα ακόλουθα:

• Κατά την αρχική ενεργοποίηση, αναβοσβήνει FAST για να υποδείξει τη λειτουργία ρύθμισης WiFi
• Αναβοσβήνει αργά όταν δεν έχει ρυθμιστεί ο χρόνος της μονάδας
• υποδεικνύει την κατάσταση ενεργοποίησης/απενεργοποίησης του ρελέ εξόδου

Βήμα 2: Το τροφοδοτικό

Θα χρησιμοποιήσω το IoT Smart Timer σε διαφορετικά επίπεδα τάσης, επομένως υπάρχουν δύο διαθέσιμες επιλογές τροφοδοσίας:

12 - 24V DC

Ο μετατροπέας DC-DC που χρησιμοποιείται είναι κατάλληλος για παροχές έως 28V DC. Η έξοδος του μετατροπέα είναι ρυθμιζόμενη και έχει ρυθμιστεί στα 5V. Αυτό πρέπει να γίνει πριν συνδεθεί η μονάδα ESP8266.

Προστέθηκε μια δίοδος για προστασία από την αντίστροφη πολικότητα στην είσοδο τροφοδοσίας.

Για αυτήν την επιλογή, μπόρεσα να αποκτήσω ένα μικρό τροφοδοτικό λειτουργίας διακοπτών 220V/5V στο eBay.

Ανεξάρτητα από την τάση εισόδου, ο έξυπνος χρονοδιακόπτης IoT χρειάζεται δύο τροφοδοτικά:

Ράγα 5V

Και με τις δύο επιλογές, το 5V DC λαμβάνεται από τροφοδοτικό μεταγωγής και όχι από γραμμικό ρυθμιστή. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ελάχιστη θερμότητα που παράγεται από το τροφοδοτικό. Το 5V χρησιμοποιείται για την οδήγηση του ρελέ εξόδου

Ράγα 3,3V

Ο 3.3V για το ESP8266-01 λαμβάνεται από έναν ρυθμιστή ASM1117 3.3. Το ASM1117 3.3 είναι ένας γραμμικός ρυθμιστής και μπορεί να χειριστεί έως και 500mA. Ωστόσο, η παραγόμενη θερμότητα θα καθοριστεί από την τάση εισόδου στο ASM1117. Για να μειώσει τη θερμότητα, το ASM1117 τροφοδοτείται από τη ράγα 5V.

Φιλτράρισμα θορύβου

Για να μειωθεί ο κυματισμός της τάσης στο ESP8266-01, η ράγα 3.3V είναι εξοπλισμένη με πυκνωτή 100 - 1000uf. Και οι δύο ράγες 5V και 3.3V προστατεύονται επίσης από παρεμβολές υψηλής συχνότητας με πυκνωτές 0.1uf.

Βήμα 3: Συναρμολόγηση του πίνακα υπολογιστών

Το PC Board σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας την δωρεάν έκδοση του Eagle. Είναι ένας πίνακας μονής όψης, ο οποίος μπορεί να κατασκευαστεί εύκολα στο σπίτι χρησιμοποιώντας τη μέθοδο μεταφοράς γραφίτη.

Μόλις γίνει η πλακέτα PC, συναρμολογήστε την πλακέτα PC με την ακόλουθη σειρά:

• Συγκολλήστε τον ρυθμιστή ASM1117 και τρία εξαρτήματα SMD 0.1uf στην πλευρά συγκόλλησης της πλακέτας
• Προσθέστε το μοναδικό άλτη στην πλευρά του εξαρτήματος του πίνακα
• Συγκολλήστε τις αντιστάσεις και τις διόδους στη θέση τους
• Προσθέστε τις κεφαλίδες για τη μονάδα ESP8266-01
• Προσθέστε τις καρφίτσες κεφαλίδας για το LED και το κουμπί
• Προσθέστε τους ακροδέκτες βίδας
• Χρησιμοποιώντας ακίδες κεφαλίδας, συνδέστε τον μετατροπέα DC/DC στην πλακέτα.
• Συγκολλήστε το ρελέ στη θέση του
• Ολοκληρώστε την πλακέτα συγκολλώντας το τρανζίστορ και τον πυκνωτή 100uf.

Μόλις συγκολληθούν όλα τα εξαρτήματα στην πλακέτα, επαληθεύστε όλα τα σημεία συγκόλλησης και βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχουν βραχυκυκλώματα μεταξύ των μαξιλαριών.

! ! ! ΣΗΜΑΝΤΙΚΗ ΣΗΜΕΙΩΣΗ ! ! ! Για να διασφαλίσετε ότι η πλακέτα PC μπορεί να χειριστεί μεγάλα ρεύματα στις επαφές εξόδου, εφαρμόστε μια αξιοπρεπή ποσότητα συγκόλλησης στα ίχνη μεταξύ των επαφών ρελέ και των ακροδεκτών βίδας

Βήμα 4: Δοκιμή της πλακέτας PC

! ! ! Πριν από την εφαρμογή ισχύος! ! !

Αφαιρέστε τη μονάδα ESP8266-01 από τη μονάδα. Αυτό γίνεται για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση του ρυθμιστή ASM1117 προτού ρυθμιστεί η παροχή 5V.

Δεν υπάρχουν πολλές δοκιμές που μπορούν να γίνουν μετά τη συναρμολόγηση. Το πιο σημαντικό βήμα είναι να διασφαλίσετε τα σωστά επίπεδα τάσης.

• Εφαρμόστε 12 - 24V DC στη μονάδα.
• Μετρήστε την τάση εξόδου του μετατροπέα DC/DC
• Ρυθμίστε την έξοδο του μετατροπέα μεταξύ 5,0 και 5,5V.
• Στη συνέχεια, μετρήστε την παροχή 3,3V.
• Εάν τα τροφοδοτικά είναι εντάξει, αποσυνδέστε το ρεύμα από τη μονάδα

Τώρα μπορείτε να εισαγάγετε τη μονάδα ESP8266-01 στις κεφαλίδες που παρέχονται.

! ! ! Σημείωση !

Μόλις δοκιμάσετε το χρονόμετρο IoT και λειτουργεί, χρησιμοποιήστε διάφανο βερνίκι για να καλύψετε την πλευρά συγκόλλησης της πλακέτας PC. Αυτό θα αποτρέψει την οξείδωση των τροχιών και θα παρέχει επιπλέον μόνωση μεταξύ των επαφών του ρελέ και του υπόλοιπου κυκλώματος

Βήμα 5: Το περίβλημα

Το περίβλημα δεν είναι τόσο σημαντικό, αρκεί η πλακέτα του υπολογιστή και όλες οι καλωδιώσεις να ταιριάζουν καλά και με ασφάλεια σε αυτό.

Για να διευκολύνω την κατασκευή, έφτιαξα ένα καλώδιο με το κουμπί LED και MODE/SETUP συνδεδεμένο σε αυτό. Αυτό μου έδωσε μεγαλύτερη ευελιξία στην τοποθέτηση του LED και του κουμπιού στο περίβλημα. Αυτό το καλώδιο στη συνέχεια συνδέεται στην κεφαλίδα στην πλακέτα PC.

Οι φωτογραφίες δείχνουν μία από τις μονάδες 12V που χρησιμοποιούνται για φώτα LED.

Βήμα 6: Προγραμματισμός του ESP8266-01/NodeMCU

Για να προγραμματίσετε το ESP8266-01, πρέπει πρώτα να ρυθμίσετε το Arduino IDE. Δεν θα υπεισέλθω σε αυτές τις λεπτομέρειες, καθώς υπάρχουν πολλά μεγάλα Εκπαιδευτικά διαθέσιμα για αυτό το θέμα. Έχω επιλέξει τους παρακάτω συνδέσμους στο Instructables για αναφορά, χωρίς καμία συγκεκριμένη παραγγελία προς τους συγγραφείς. Ευχαριστώ για τις ατομικές οδηγίες τους.

Ακολουθήστε αυτό το ESP8266 και το Arduino IDE για να ρυθμίσετε το Arduino IDE για τη μονάδα ESP8266..

Στη συνέχεια, θα χρειαστείτε έναν προγραμματιστή για να προγραμματίσετε το ESP8266. Ακολουθούν δύο σύνδεσμοι:

Χρησιμοποιώντας το Arduino Uno

Πίνακας προγραμματισμού DIY

Βιβλιοθήκες

Θα χρειαστεί να εγκαταστήσετε επιπλέον βιβλιοθήκες για να μπορέσετε να συντάξετε τον κώδικα. Και πάλι, ανατρέξτε σε αυτό το Instructable:

Εγκατάσταση και χρήση Βιβλιοθηκών Arduino

Δεν μπορώ να θυμηθώ ποιες βιβλιοθήκες έπρεπε να εγκαταστήσω, αλλά ξέρω ότι το WiFiManager πρέπει να μεταφορτωθεί ξεχωριστά.. Τα έχω συμπεριλάβει στο αρχείο Libraries.zip.

Βήμα 7: Ρύθμιση για πρώτη φορά

Όταν χρησιμοποιείται για πρώτη φορά, το IoT Smart Timer πρέπει να συνδεθεί σε δίκτυο WiFi. Αυτή η εργασία γίνεται χρησιμοποιώντας τη βιβλιοθήκη WiFiManager, επομένως δεν χρειάζεται να πληκτρολογήσετε SSID ή κωδικούς πρόσβασης στον κώδικα.

Ακολουθήστε αυτά τα λίγα βήματα:

• Ενεργοποιήστε τη μονάδα
• Το LED θα αρχίσει να αναβοσβήνει γρήγορα
• Πατήστε το κουμπί MODE/SETUP
• Όταν σβήσει η λυχνία LED, αφήστε το κουμπί
• Περιμένετε μερικά δευτερόλεπτα και, στη συνέχεια, ανοίξτε τις συνδέσεις WiFi του smartphone ή της συσκευής σας
• Θα είναι ορατή μια νέα λέξη -κλειδί WiFi που ονομάζεται IoT Timer
• Επιλέξτε αυτό το σημείο πρόσβασης
• Συνδεθείτε στο χρονοδιακόπτη IoT (δεν απαιτείται κωδικός πρόσβασης)
• Περιμένετε μέχρι η συσκευή σας να συνδεθεί στο δίκτυο χρονοδιακόπτη IoT
• Ανοίξτε οποιοδήποτε πρόγραμμα περιήγησης στο Διαδίκτυο
• Στη γραμμή διευθύνσεων, πληκτρολογήστε την ακόλουθη διεύθυνση IP - 192.168.4.1
• Θα ανοίξει η κονσόλα WiFiManager
• Επιλέξτε Διαμόρφωση WiFi
• Θα εμφανιστεί μια λίστα με τα διαθέσιμα σημεία δικτύων WiFi
• Επιλέξτε το απαιτούμενο δίκτυο WiFi και πληκτρολογήστε τον κωδικό πρόσβασης
• Στη συνέχεια, εισαγάγετε τη διεύθυνση IP που θέλετε να χρησιμοποιήσετε για να συνδεθείτε στο Χρονόμετρο IoT
• Εισαγάγετε την προεπιλεγμένη διεύθυνση IP πύλης, ακολουθούμενη από τη μάσκα
• Μόλις ολοκληρωθούν όλες οι ρυθμίσεις, κάντε κλικ στο κουμπί Αποθήκευση
• Θα ανοίξει ένα νέο παράθυρο για να επιβεβαιώσει ότι τα νέα διαπιστευτήρια αποθηκεύτηκαν
• Κλείστε το πρόγραμμα περιήγησής σας

Μόλις αποθηκευτεί, το δίκτυο χρονοδιακόπτη IoT θα κλείσει και η μονάδα θα προσπαθήσει να συνδεθεί στο δίκτυό σας WiFi.

• Συνδέστε το Smartphone ή τη συσκευή σας στο ίδιο δίκτυο WiFi που χρησιμοποιήθηκε για το χρονόμετρο IoT.
• Ανοίξτε το πρόγραμμα περιήγησής σας
• Στη γραμμή διευθύνσεων, πληκτρολογήστε τη διεύθυνση IP του Χρονοδιακόπτη IoT
• Θα ανοίξει η σελίδα διαμόρφωσης του χρονοδιακόπτη IoT

Ο χρονοδιακόπτης IoT είναι τώρα έτοιμος για χρήση

Βήμα 8: Ρύθμιση του χρονοδιακόπτη IoT

Η ενσωματωμένη ιστοσελίδα του IoT Timer αποτελείται από πέντε ενότητες:

Κατάσταση

Αυτό δείχνει το όνομα της συσκευής, καθώς και την τρέχουσα ώρα και την κατάσταση εξόδου του χρονοδιακόπτη

Επιπλέον, ο τρόπος λειτουργίας του χρονοδιακόπτη έχει οριστεί σε αυτήν την ενότητα. Υπάρχουν τρεις τρόποι:

• Αυτόματη - Η έξοδος θα ελέγχεται από τα διαφορετικά προγράμματα χρονοδιακόπτη
• On - Η έξοδος είναι αναγκαστική ON και θα παραμείνει ενεργή μέχρι να αλλάξει η λειτουργία
• Ανενεργό - Η έξοδος αναγκάζεται να απενεργοποιηθεί και θα παραμείνει απενεργοποιημένη μέχρι να αλλάξει η λειτουργία.

Προγράμματα

Αυτή η ενότητα περιέχει τους χρόνους ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του χρονοδιακόπτη. Υπάρχουν επτά προγράμματα διαθέσιμα και κάθε πρόγραμμα μπορεί να ρυθμιστεί ξεχωριστά.

Πριν αλλάξετε το επόμενο πρόγραμμα, πατήστε το κουμπί ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ για να αποθηκεύσετε τυχόν αλλαγές που έγιναν στο τρέχον πρόγραμμα.

Λειτουργία κουμπιού

Το κουμπί MODE/SETUP μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του ρελέ εξόδου κατά την κανονική λειτουργία. Εδώ, επιλέξτε τι πρέπει να κάνει το κουμπί όταν πατηθεί.

Επιλέξτε το πλαίσιο "Λειτουργία κουμπιού ενημέρωσης" πριν πατήσετε το κουμπί Αποθήκευση για να αποθηκεύσετε τις νέες ρυθμίσεις.

Διαμόρφωση

Εδώ, μπορείτε να αλλάξετε το όνομα του Χρονοδιακόπτη IoT. Αυτό καθιστά εύκολο τον εντοπισμό μεταξύ πολλαπλών χρονομετρητών.

Ο χρόνος στη μονάδα λαμβάνεται από το διαδίκτυο μέσω διακομιστή ώρας NTP. Για να εμφανίσετε τη σωστή ώρα, ενημερώστε τη Ζώνη ώρας στην περιοχή σας.

Εάν θέλετε να χρησιμοποιήσετε διαφορετικό διακομιστή χρόνου NTP, εισαγάγετε τη νέα διεύθυνση IP στο χώρο που παρέχεται.

Επιλέξτε το πλαίσιο "Ενημέρωση διαμόρφωσης" πριν πατήσετε το κουμπί Αποθήκευση για να αποθηκεύσετε τις νέες ρυθμίσεις.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ

Κατά την αλλαγή της Ζώνης ώρας, η νέα ώρα θα οριστεί σωστή μόνο κατά το επόμενο ερώτημα ώρας. Η μονάδα έχει ρυθμιστεί να ενημερώνει την ώρα κάθε 5 λεπτά.

Ρύθμιση χρόνου

Μερικές φορές, συμβαίνει ότι ο διακομιστής ώρας NTP δεν απαντά σε κάθε ερώτημα. Εάν χρειαστεί πολύς χρόνος για να ρυθμιστεί ο χρόνος μέσω του διακομιστή NTP, μπορείτε να εισαγάγετε την ώρα και την ημερομηνία με μη αυτόματο τρόπο.

Επιλέξτε το πλαίσιο "Ενημέρωση ώρας" πριν πατήσετε το κουμπί Αποθήκευση για να αποθηκεύσετε τη νέα ώρα και ημερομηνία.

Συγχρονισμός χρόνου

Το τελευταίο μέρος της σελίδας υποδεικνύει την ώρα και την ημερομηνία κατά την οποία ο τελευταίος χρόνος συγχρονίστηκε μέσω του διακομιστή ώρας NTP.