Разработка DIY диммера 220V на esp8266 (nodeMCU+RobotDyn Thyristor AC)

Как разрабатываются устройства IoT? Это сложно? Китайская компания Espressif Systems в свое время сделала переворот в индустрии IoT, представив свой новый чип ESP8266 по необычайно низкой цене, ставший культовым для производства DIY устройств умного дома. Под новый чип от  Espressif Systems программисты начали активно писать библиотеки и адаптировать существующие библиотеки платформы Arduino. Это сделало разработку IoT устройств необычайно простой и увлекательной. Сегодня существует множество коммерческих устройств на базе чипа ESP8266. Я решил поделиться с вами своим опытом создания устройства IoT на базе чипа ESP8266. 

Сколько вольт "в розетке"?

Большинство ответит: около 220 вольт и будут правы, но не совсем. Напряжение в сети питания представляет собой синусоиду с амплитудой около 311 вольт (tnx to AlexAW), на четверти цикла которой напряжение равно 110 вольт, а иногда и вовсе равно нулю!

Тоесть, если включать нагрузку каждый раз, когда синусоида приближается к нуля, можно напрямую без адаптеров из розетки заряжать мобильный телефон! 

Управлять этими сигналами мы будем с помощью модуля nodemcu, на борту у которого установлена ESP8266. Подключаем пины Z-C и pwm к цифровым пинам ESP8266, подаем питание на модуль и... Ничего не происходит! Верно, нам необходимо еще написать свою прошивку для модуля. Устанавливаем Atom и PlatformIO и приступаем к написанию микропрограммы. Китайские товарищи из RobotDyn уже написали библиотеку для управления таймерами, что упрощает  написание микропрограммы для модуля. Хотя так было не всегда, библиотека появилась около полугода назад, в первоначальной версии прошивки я использовал собственный код для диммирования. 

Что должно уметь наше устройство?

Во-первых, конечно, оно должно управляться из внешних систем по радиоканалу (Wi-Fi в нашем случае): должно принимать команды и отправлять ответ о результате их выполнения. Во-вторых, должна быть возможность найти устройство в сети. И конечно же, возможность обновления "по воздуху" (OTA Update).  Приступим к реализации. Полный листинг кода прошивки я думаю будет интересен небольшому кругу читателей, поэтому всю программную реализацию я оставлю "за кадром", сосредоточимся на принципиальном проектировании устройства. 

Наше устройство должно быть безопасным. Т.к. во время циклов включения-выключения наш транзистор нагревается, установим на плату вот такой простой термодатчик DALLS DS18B20 за 35 рублей. Датчик обменивается с микроконтроллером данными по однопроводной линии связи интерфейса 1-Wire, диапазон измерения температуры составляет от -55 до 125 градусов цельсия, этого должно нам вполне хватить. После превышения температуры 40 градусов, устройство автоматически отключит само себя и перестанет принимать команды до того, пока температура не снизится.  Callback функция отключения выглядит следующим образом:

void emergencyCallback() { sensors.requestTemperatures(); float temperature = sensors.getTempC(insideThermometer); if (temperature > 40) { dimmer.setState(OFF); digitalWrite(LED_PIN, LOW); Serial.printf("Temperature is %.2f degrees celsius. Swith OFF on emergency reason.\n\r", temperature); } else Serial.printf("Temperature is %.2f degrees celsius\n\r", temperature); }

Подключаем все по следующей схеме:

Для корректной работы датчика между пинами DATA и VDD необходимо припаять резистор на 4,7 кОм. Конфигурация пинов следующая:

#define LED_PIN D6 #define AC_LOAD D8 #define ZC_PIN D1 #define ONE_WIRE_BUS D5

Собираем все на макетной плате:

Чтобы устройством можно было управлять, поднимем на нашей ESP8266 TCP сервер на порту 2000. Для отправки на устройство команд я выбрал текстовый формат сериализации и десериализации данных json т.к. он легко читается как людьми, так и машиной, не придется писать свой парсер, можно отправлять и принимать произвольное количество параметров, да и просто с ним удобно работать в целом (особенно в python). Какие команды нам могут понадобится?

{"id":1, "method":"set_power", "power":"50", "state":"ON"} {"id":1, "method":"set_power", "power":"50", "state":"OFF"} {"id":1, "method":"set_state", "state":"OFF"} {"id":1, "method":"set_state", "state":"ON"} {"id":1, "method":"set_config", "SSID":"Wi-Fi SSID", "PASSWD": "PASSWORD"} {"id":1, "method":"set_mode", "mode":"TOGGLE_MODE"} {"id":1, "method":"get_temperature"} {"id":1, "method":"get_state"} {"id":1, "method":"update", "IP":"192.168.1.43", "url":"/update/firmware.bin"}

Параметр method определяет команду для выполнения, set_power устанавливает яркость освещения (диммирование), state - определяет включена или выключена при этом нагрузка. Это может быть удобно, когда в системах управления умным домом вызывается метод "включить" без установки уровня диммирования, в этом случае при включении будет установлен заданный ранее (например, в сцене по времени) уровень освещенности. set_state включает или выключает нагрузку, set_config - посылает на устройство конфигурацию Wi-Fi сети. При первом включении (либо в случае невозможности подключиться к существующей сети) наше устройство переходит в режим точки доступа (с адресом 192.168.4.1), подключившись к которой можно отправить конфигурацию нашей Wi-Fi сети. get_temperature возвращает текущую температуру с сенсора, get_state - текущий статус (выключено или включено), метод update инициирует обновление прошивки, он принимает в качестве параметров IP адрес сервера, на котором находится обновление и сам путь к этом обновлению (url). Само обновление можно, например, разместить в локальной сети на малинке. Отправить команды можно прямо из терминала с помощью утилиты netcat. На запрос

echo '{"id":1, "method":"get_state"}' | nc -w1 192.168.1.43 2000

получим ответ:

{"id":1,"power":30,"state":"ON"}

Для чего нужен id? Дело в том, что ESP8266 отправляет ответ всем подключенным клиентам и чтобы различать ответы, которые предназначены именно нам как раз и нужен id запроса. 

echo '{"id":1, "method":"get_temperature"}' | nc -w1 192.168.1.43 2000

вернет нам текущую температуру с датчика DS18B20

{"id":1,"temperature":21.9}

Уже сейчас наше устройство можно интегрировать с системами управления умным домом путем выполнения shell команд, например можно легко добавить в homebridge, который прокинет устройство в HomeKit. 

Demo

Статические IP. Не люблю я статические IP, поэтому для своего устройства я предусмотрел возможность сетевого поиска. 

void discoverResponder() { if (Udp.parsePacket()) { char packetBuffer[255] = ""; if (Udp.read(packetBuffer, 255) == 0) return; Serial.printf("Received broadcast message: %s from %s\n", packetBuffer, Udp.remoteIP().toString().c_str()); if (String(packetBuffer) == "discover") { Udp.beginPacket(Udp.remoteIP(),Udp.remotePort()); StaticJsonDocument<100> jsonResult; jsonResult["deviceID"] = String(ESP.getChipId(), HEX); WiFi.localIP() ? jsonResult["IP"] = WiFi.localIP().toString() : jsonResult["IP"] = WiFi.softAPIP().toString(); jsonResult["model"] = MODEL; String jsonReply; serializeJson(jsonResult, jsonReply); Udp.print(jsonReply); Udp.endPacket(); } } }

Для поиска в сети ESP8266 DIY Smart Home устройств достаточно отправить на порт 1000 широковещательный UDP пакет с содержанием "discover". Скрипт (поиска) на Python выглядит так:

import json import socket print('Starting discover ESP8266 DIY Smart Home devices...') helobytes = 'discover'.encode() s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1) s.settimeout(5) s.sendto(helobytes, ('<broadcast>', 1000)) data, addr = s.recvfrom(1024) reply = json.loads(data.decode()) deviceID = reply["deviceID"] IP = reply["IP"] hardware = reply["hardware"] print('Discovered. Device ID: , IP: , Model: '.format(deviceID, IP, hardware))

 В результате придет ответ:

{"deviceID":"d7531с","IP":"192.168.1.43","hardware":"ZCACD1"}

Здесь deviceID - уникальный идентификатор нашего устройства, нужен для того, чтобы различать несколько устройств в одной сети, IP - IP адрес, необходимый для отправки на устройство команд. 

Прошивка ESP8266

Заливать пошивку мы будем с помощью инструментов esptool и nodemcu-pyflasher. Устанавливаем. 

git clone https://github.com/espressif/esptool.git cd esptool sudo python setup.py install

После установки esptool запускаем nodemcu-pyflasher. Здесь нужно указать порт загрузки - он появляется после после подключения USB to TTL конвертера (либо после подключения USB кабеля если конвертер уже распаян на плате), путь к нашей прошивке, скорость можно оставить 115200. В случае ошибок загрузки, скорость нужно уменьшить, например до 9600. Указываем нужно ли нам стирать все данные на флеш памяти ESP, нажимаем кнопку Flash NodeMCU, ждем несколько секунд - все готово! Иногда перед подключением ESP к компьютеру нужно зажать на плате кнопку "flash", а уже потом подключать питание. Если кнопки flash нет на плате, просто замыкаем контакты GPIO0 и GND, затем подаем питание, это переведет наш модуль в режим прошивки, позволяя загрузить нашу микропрограмму на устройство. 

Интеграция в Domoticz

В конечном итоге я делал устройство для интеграции в системы управления умным домом. Можно конечно подключить его через shell скрипты, но ничто не сравнится с нативной поддержкой, "родные" устройства в Domoticz имеют  наивысший приоритет и работают очень шустро, к тому же будет обратная связь от устройства со статусом выполненной команды (включилось/выключилось), более того, появляется возможность реализовать коммуникацию напрямую через сокеты, что добавит скорости и стабильности нашему устройству. Настройка довольно проста и похожа на настройку других моих плагинов для Domoticz:

После запуска плагин создает выключатель типа диммер, и набор сцен. Bright - яркая сцена, TV - приглушенный до 30%  свет, Daily - включенный на половину диммер, Midnight - минимальное освещение. Можно так же реализовать аппаратные сцены, такие как "восход" или "закат" - все в наших руках! Дополнительно создается температурный сенсор с датчика DS18B20, который можно найти во вкладке "Температура". 

Для установки плагина клонируем репозитарий:

cd domoticz/plugins git clone https://github.com/Whilser/ESP-DIY-Samrt-Home.git ESPSmartHome sudo service domoticz restart

Там же, в репозитарии находится прошивка для модуля: файл firmware.bin.

Больше, чем просто диммер

По сути, наше устройство может измерять и посылать окружающую температуру. Да, если его расположить в корпусе, оно будет измерять внутреннюю температуру, но если вывести его за пределы корпуса - получится дополнительный термодатчик. Если заменить Zero-Cross Detector на реле (например, твердотельное), то получим умную розетку и все это легко интегрируется в систему умного дома, более того, имеется нативная поддержка системы управления умным домом Domoticz. Если закачать прошивку в существующее устройство на базе  ESP8266 (например, sonoff), или светодиодную лампочку (с некоторыми переделками, конечно), получим IoT устройство с нужным нам функционалом, это может говорить о том, что наш проект можно превратить в базовую платформу для разработки недорогих IoT устройств с нужным нам функционалом. Именно для этого в функции discover предусмотрена передача модели устройства. 

Что дальше?

Прототип получился немного громоздким, но на то он и прототип. Устройство можно уменьшить в размерах если:

Следующим устройством семейства DIY Smart Home будет счетчик воды для информирования о ресурсе фильтра питьевой воды и необходимости его замены. Спасибо за вдохновение Виталию. Так же я планирую доработать текущую прошивку, добавив некоторые аппаратные сцены (такие как восход, закат и может быть что-то еще).

Разработка собственных IoT устройств может быть довольно увлекательным занятием, время пролетает незаметно! Можно легко получить устройство с нужным мне функционалом. В дальнейшем я планирую развивать проект, разрабатывая все новые устройства с нужным мне функционалом, дорабатывая поддержку устройств в системе управления умным домом Domoticz (да, я знаю про существование Home Assistant, но так уж исторически сложилось, что начал строить свой умный дом на платформе Domoticz и если все работает и работает хорошо - не вижу особого смысла менять платформу, а все нужные мне устройства, поддержки который нет в Domoticz я могу легко и увлекательно добавить сам... ). 

Ссылка на проект GitHub: DIY Smart Home based on Espressif Systems (ESP32, ESP8266). Там правда пока мало чего документировано, но со временем я добавлю туда материалы. 

Если Вы ходите собрать подобное устройство, Вам понадобятся комплектующие, купить которые Вы сможете по ссылкам:

• RobotDyn Thyristor AC
• NodeMCU