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），以提高家庭生活質量。在談論家庭自動化時，有無數的應用。物聯網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展。涉及的應用范圍從智能照明控制到集成報警系統，再到能源供應系統的監測和控制。 傳感、執行、處理和數據通信是所有這些應用程序的基礎；這些操作將被遠程存儲，以創建統計數據、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，能夠驅動 220-VAC 負載。在本文中，我們將了解如何創建類似的設備 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。由于安裝簡單和產品成本低，公司發展迅速。網絡提供了各種解釋 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，可以直接驅動 220-VAC 負載。我們將創建一個 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：

驅動兩個 220-VAC 負載

讀取單線傳感器，例如經典的 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

為了實現電子電路，需要獲得兩個電源電壓：5 VDC 用于驅動繼電器線圈，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 的主要優點是它不需要任何額外的電路即可正常工作。然而，AC/DC 轉換器數據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壓器 SE8533-HF 從 AC/DC 轉換器的輸出獲得的。這款 Seaward Elec 穩壓器采用 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

驅動部分，如圖 3 所示，使用由 BC337 NPN 晶體管和相關再循環二極管驅動的兩個繼電器，以及一個狀態 LED。220-VAC 電壓將直接傳輸到接線盒上的負載。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 驅動電流）和 SRD-5VDC-SL-A（具有5-VDC 驅動電流，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 數字溫度探頭并使用單線協議讀取相關測量值。

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境 ESP-IDF 進行編程。該環境為開發人員提供了開發 SoC 的所有潛力所需的庫和工具：FreeRTOS 操作系統、用于訪問外圍設備和 Wi-Fi 硬件的庫、用于創建 Web 服務器的庫，以及通常用于通信和數據交換。

測試 eSWITCH 板的系統架構示例如圖 6 所示：系統啟動時，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，通過使用簡單的協議，可以定期發送溫度測量值（或連接到 GPIO14 的傳感器的任何其他參數），而固件將能夠處理激活/停用請求的繼電器。

圖 6：系統架構

很明顯，這種架構的潛力是廣泛的：可以實現一系列遠程控制我們的 eSWITCH 的 Web 服務，以便可以從網頁或智能手機應用程序或任何其他能夠使用HTTP 協議。

例如，為花園的燈光創建一個計時系統非常簡單：使用 Linux 系統，通過 cron 服務在預設時間啟動的 bash 腳本足以向 eSWITCH 發送命令以進行激活和停用的繼電器。

結論

在本文中，我們看到了一些想法，例如 SONOFF，盡管易于實施，但如何能夠滲透市場和 DIY 世界。也許該設備可以解決的簡單性和廣泛的問題使 SONOFF 在制造商和愛好者的世界中廣受歡迎。

審核編輯：郭婷