Умный WiFi выключатель света

Доброго времени суток, уважаемый читатель.

Немного лирики в начале. Идея «умного» выключателя света совсем не нова и, наверное, это первое, что приходит в голову тем, кто начал знакомство с платформой Arduino и элементами IoT. И я этому не исключение. Поэкспеременировав с элементами цепей, моторчиками и светодиодами хочется сделать нечто более прикладное, что востребовано в повседневной жизни и, самое главное, будет удобно в использовании, а не останется жертвой эксперимента в неугоду комфорту.

В этой статье я расскажу, как я сделал выключатель, который будет работать как обычный (т.е. что обычно закреплен на стене) и в то же время позволит управлять им через WiFi (или через Интернет, как это сделано в данном случае).

Итак, составим список того, что понадобится для осуществления задуманного. Сразу скажу, я намеревался не тратиться сильно на комплектующие и выбирал компоненты по отзывом на форумах и соотношению цены к качеству. Поэтому некоторые компоненты возможно покажутся тут неуместными для опытных электролюбителей, но прошу не судить строго, т.к. я только новичек в электромеханике и буду очень признателен за комментарии более опытных специалистов.

Так же мне понадобились: сервер, с помощью которого выключатель будет управляться через Интернет, Arduino Uno, с помощью которого я программировал ESP, роутер и расходные материалы как провода, клеммы и т.д., всё это может варироваться от вкусов и никак не повлияет на конечный результат.

Цены взяты из Ebay, где я их и покупал.

А вот как выглядят элементы из таблицы:

Теперь можно составить и схему подключения:

Как вы наверное заметили, схема очень простая. Все собиратся легко, быстро и без пайки. Эдакий рабочий прототип, с которым не нужно долго возиться. Всё связано проводами и клеммами. Единственный минус это то, что реле не влезло в гнездо выключателя. Да, изначально я планировал запихнуть всё это в стену за выключателем, чтобы смотрелось эстетично. Но к моему сожалению места в гнезде оказалось мало и реле просто напросто не влезло ни вдоль, ни поперек:

Поэтому временно я вынес реле за гнездо, до тех пор пока не найду подходящую коробку выключателя с розеткой чтобы спрятать железо внутрь. Но нет ничего более постоянного, чем временное, не правда ли? Поэтому все это выглядит сейчас вот так:

Изолента спасёт от удара током… надеюсь.

А теперь поговорим о програмной части.

И прежде чем приступать к разбору кода и деталей, я приведу общую схему реализации управления лампочкой.

Надеюсь, я когда нибудь все перепишу и связь будет основана на более быстром протоколе нежели HTTP, но для начала сойдет. Удаленно лампочка меняет свое состояние приблизительно за 1-1.5 секунды, а с выключателя моментально, как и подобает порядочному выключателю.

Программировании ESP8266-01

Самый простой способ сделать это — с помощью Arduino. Скачать необходимые библиотеки для Arduino IDE можно с GitHub ^[5]. Там же все инструкции по установке и настройке.

Далее нам нужно подключить ESP к компьютеру, для этого понадобится либо USB to Serial Адаптер (типа FTDi ^[6], CH340 ^[7], FT232RL ^[8]) либо любая Arduino платформа (у меня была Arduino Uno) с выходами RX и TX.

Стоит отметить, что ESP8266-01 питается от 3.3 Вольта, а значит ни в коем случае не подключайте его к питанию Arduino, которые (часто) питаются от 5 Вольт, напрямую иначе все сгорит к чертям. Можно использовать понижатель напряжения, который приведен в таблице выше.

Схема подключения проста: подключаем TX, RX и GND ESP к RX, TX и GND адаптера/Arduino соотвественно. После этого, собственно, подключение готово к использованию. Микроконтроллер можно программировать используя Arduino IDE.

Пара нюансов при использовании Arduino Uno:

• На Uno есть выход для 3.3В, но его оказалось недостаточно. При подключении к нему ESP, все вроде работает, индикаторы горят, но связь с COM портом теряется. Поэтому я использовал другой источник питания на 3.3В для ESP.
• К тому же у UNO не возникло никаких проблем при общении с ESP, с учетом того, что UNO питался от 5В, а ESP от 3В.

После нескольких экспериментов с ESP8266-01, выяснилось, что ESP чувствительны к подключенным к GPIO0 и GPIO2 напряжениям. В момент старта они ни в коем случае не должны быть заземлены, если вы намереваетесь запустить его в штатном режиме. Более подробно о старте микроконтроллера тут ^[9]. Я этого не знал и мне пришлось слегка менять схему, т.к. в версии ESP-01 присутсвтуют только эти 2 пина и в моей схеме используются оба.

А вот и сама программа для ESP:

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <WiFiClient.h>
#include <ESP8266WebServer.h>
#include <ESP8266mDNS.h>
#include <ESP8266HTTPClient.h>
extern "C" { // эта часть обязательна чтобы получить доступ к функции initVariant
  #include "user_interface.h"
}

const char* ssid = "WIFISSID"; // Имя WiFi
const char* password = "***************"; // Пароль WiFi
const String self_token = "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"; // токен для минимальной безопасности связи
const String serv_token = "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"; // токен для минимальной безопасности связи
const String name = "IOT_lamp"; // имя выключателя, читай лампочки
const String serverIP = "192.168.1.111"; // внутренний IP WEB сервера 
bool lamp_on =  false;
bool can_toggle = false;
int button_state;

ESP8266WebServer server(80); // веб сервер
HTTPClient http; // веб клиент

const int lamp = 2; // Управляем реле через GPIO2
const int button = 0; // "Ловим" выключатель через GPIO0

// функция для пинга лампочки
void handleRoot() { 
  server.send(200, "text/plain", "Hello! I am " + name);
}

// функция для недействительных запросов
void handleNotFound(){
  String message = "not found";
  server.send(404, "text/plain", message);
}

// Да будет свет
void turnOnLamp(){
  digitalWrite(lamp, LOW);
  lamp_on = true;
}

// Да будет тьма
void turnOffLamp(){
  digitalWrite(lamp, HIGH);
  lamp_on = false;
}

// Отправляем серверу события ручного вкл./выкл.
void sendServer(bool state){
  http.begin("http://"+serverIP+"/iapi/setstate");
  String post = "token="+self_token+"&state="+(state?"on":"off"); // По токену сервер будет определять что это за устройство
  http.addHeader("Content-Type", "application/x-www-form-urlencoded");
  int httpCode = http.POST(post);
  http.end();  
}

// Изменяем состояние лампы
void toggleLamp(){
  if(lamp_on == true) {
    turnOffLamp();
    sendServer(false);
  } else {
    turnOnLamp();
    sendServer(true);
  }
}

// Получаем от сервера команду включить
void handleOn(){
  String token = server.arg("token");
  if(serv_token != token) {
    String message = "access denied";
    server.send(401, "text/plain", message);
    return;
  }
  turnOnLamp();
  String message = "success";
  server.send(200, "text/plain", message);
}

// Получаем от сервера команду выключить
void handleOff(){
  String token = server.arg("token");
  if(serv_token != token) {
    String message = "access denied";
    server.send(401, "text/plain", message);
    return;
  }
  turnOffLamp();
  String message = "success";
  server.send(200, "text/plain", message);
}

// Устанавливаем MAC чтобы давать одинаковый IP
void initVariant() {
  uint8_t mac[6] = {0x00, 0xA3, 0xA0, 0x1C, 0x8C, 0x45};
  wifi_set_macaddr(STATION_IF, &mac[0]);
}

void setup(void){
  pinMode(lamp, OUTPUT);
  pinMode(button, INPUT_PULLUP); // Важно сделать INPUT_PULLUP
  turnOffLamp();
  WiFi.hostname(name);
  WiFi.begin(ssid, password);

  // Ждем пока подключимся к WiFi
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
  }

  // Назначем функции на запросы
  server.on("/", handleRoot);
  server.on("/on",  HTTP_POST, handleOn);
  server.on("/off", HTTP_POST, handleOff);
  server.onNotFound(handleNotFound);

  // Стартуем сервер
  server.begin();
}

void loop(void){
  server.handleClient();

  // Проверяем нажатие выключателя
  button_state = digitalRead(button);
  if (button_state == HIGH && can_toggle) {
    toggleLamp();
    can_toggle = false;
    delay(500);
  } else if(button_state == LOW){
    can_toggle = true;
  }
}

Пару замечаний по коду:

• Очень важно объявить пин GPIO0 как pinMode(button, INPUT_PULLUP), т.к. в схеме мы не используем резистор для этой кнопки. А у ESP есть свои «вшитые» для этих самых целей.
• При отлове состояния кнопки желательно установить задержку при считывании чтобы избежать ложного срабатывания в момент нажатия.

Программировании WEB сервера

Тут можно дать волю своей фантазии и использовать любые доступные средства для создания сервиса который будет обрабатывать запросы присылаемые выключателем и отправлять запросы на включение/выключение.

Я использовал для этих целей Yii ^[10]. Я выбрал этот фреймворк по нескольким причинам, мне нужна была авторазация (т.к. портал доступен в Интернете) и управление ролями (для будущих экспериментов), а еще он мне просто нравится. И теперь мой портал управления выглядит так:

Для управления лампочкой в зоне досегаемости сети, хватило бы и самого сервера на ESP. Но хочется ведь иметь логи, логику и другие устройства в будущем, поэтому лушче все же использовать отдельный серер для управления.

Это всё что касается портала, думаю нет смысла писать о нем больше, но если возникнут вопросы, то с радостью отвечу на них в комментариях.

Вместо заключение

Спасибо, если дочитали статью до конца и, возможно, нашли в ней что либо для себя полезное. Буду рад советам и критике. В целом, мне до сих пор кажется, что узкое место в цепи это Адаптер на 5В и буду рад, если Вы поделитесь своим опытом решения подобных задач. Что касается ESP8266-01, то пока он не вызвал у меня никаких нареканий кроме как особого использования пинов GPIO. Работает пока стабильно вторую неделю. Успехов в проектах.

Автор: A3a

Источник ^[11]