Esp8266

4) Модуль реле для Ардуины, нам он будет нужен только для примера работы (спойлер: сделаем свое умное реле с управлением через телеграм бот). Ссылка.

5) Блок питания на 5V DC(вольт постоянного тока), вольтаж такой же как в любом заряднике. Можете взять например старую USB зарядку от ненужного телефона, либо взять что то вроде того что по ссылке ниже. Питание самого микроконтроллера у нас 3.3V DC, но мы возьмем 5V DC, потому что нам нужно запитать модуль реле, а он 5 вольт. Ссылка.

6) AMS1117. Эта замечательная микрушка позволяет нам сделать из 5 вольт 3.3 вольта. Ссылка.

Так же мы можем добавить сюда батарею и модуль зарядки, но это уже как нибудь потом разберем.

Так же на компьютере нам нужно установить Arduino IDE. Да, я в курсе что есть PlatformIO, но для новичка Arduino IDE выглядит менее нагруженым и более понятным. Сама по себе программа бесплатна и качается с официального сайта. Ссылка

С установкой Arduino IDE проблем возникнуть не должно, она проста как 2 копейки. Перейдем сразу к настройкам. Первое что нам необходимо, это сделать доступными профили плат ESP. Переходим в настройки

В старой гирлянде было крайне неудобно включать/выключать подсветку и переключать режимы. Это же необходимо встать с дивана, подойти к устройству, нажать кнопку. Соответственно, в новой системе необходимо реализовать управление через мобильный телефон. Так же, стоит учесть, что в моём доме ёлка стоит около окна, и будет видно сразу две гирлянды. Соответственно, стоит предусмотреть возможность обмена данными между этими гирляндами для возможности синхронизации режимов. Причём, синхронизация должна быть не "приколоченной намертво", а вполне себе опциональной.

Подбор железа

Исходя из ТЗ становится очевидно, что достаточно просто поменять контроллер с старой-доброй атмеги на что-то из семейства ESP. Эта система на кристалле (да, именно так её называет производитель, SoC) из коробки имеет на борту достаточно шустрое ядро, WiFi и приличный объём памяти. Но, имеет место быть небольшой конфликт: рабочее напряжение пинов ESP 3.3В. А напряжение питания WS2812b составляет от 3.5 до 5.3В, исходя из даташита. Причём, "протокол" передачи данных для светодиодов подразумевает формирование прямоугольных испульсов, кодирующих 24 бита цвета для каждого светодиода. Уровень "0" в этой последовательности должен быть <0.3VDD (напряжение питания), уровень "1" >0.7VDD.

Я покопался в своих закромах и обнаружил две платы Wemos D1 mini (на базе ESP8266) и одну плату LOLIN S2 mini (на базе ESP32-S2). Обе платы имеют всю необходимую обвязку для подключения внешнего питания 5В и подтягивающие резисторы для запуска МК. Там же, в закромах родины нашёл весьма удобные макетные платы под форм-фактор этих устройств.

Это снимает проблему согласования напряжения питания ESP и WS2812b. Но возникает опасение, что уровень логической "1" от контроллера будет недостаточным для формирования управляющего сигнала. Ведь, согласно даташиту, уровень "1" >0.7VDD. А питание светодиодов у нас 5В, соответственно, требуемый уровень логической единицы равен 0,7 * 5 = 3,5В. Тут я пошёл по пути экспериментов, быстренько набросал схемку на бредборде и проверил, а как оно, заведётся, или нет. Ведь, исходя из моего опыта общения с контроллерами семейства STM32, уровня 3.3В должно быть вполне достаточно. И оно завелось!

Подбор ПО

Очевидно, что прошивка будет самописная. Надеяться, что вот сейчас я зайду в гугл, забью "прошивка ESP8266 с моими требованиями" и все найдётся и заработает достаточно наивно. Да и неспортивно это. В случае с ESP есть два основных фреймворка для написания прошивки. Профессиональный ESP-IDF с его ориентированностью на чистый С и Arduino IDE с ядром ESP. Причём второе - это, по сути своей, обёртка вокруг ESP-IDF. Так как у меня была хоть и ущёрбная, но рабочая прошивка для Arduino Nano, написанная в Arduino IDE, я остановился на втором варианте.

Этап второй. Практическая реализация в железе.

Схема в общем виде выглядит так:

Ничего сложного и интересного. Единственное, для одной из систем одна из кнопок была заменена на устройство bme280, работающее по протоколу I2C. Интересно отслеживать влажность в помещении и уровень давления. Показания температуры врут безбожно: датчик находится слишком близко к ESP, которая имеет привычку сильно нагреваться. Спаять устройство по этой схеме не представляет ничего сложного. Но ведь хочется сделать всё красиво. А значит нужен корпус для устройства и система крепления гирлянды. С корпусом всё довольно просто. Минут 30 в Компас3D, час работы 3D принтера и в руках корпус, подогнанный под конкретное спаянное устройство. Магия термоклея, и на выходе получается вполне себе симпатичный прибор:

С системой крепления всё чуточку интереснее. Если на ёлку крепить гирлянду не требуется (просто берём и обматываем гирлянду вокруг дерева), то на окно требуется крепёж. Тут возможно реализовать два варианта: установить гирлянду непосредственно перед окном, но за шторой. Тогда праздничное настроение будет создано людям, гуляющим на улице и смотрящим на мой седьмой этаж. Либо размещать гирлянду перед шторой. Тогда праздничное настроение будет у всех, находящихся в комнате. Я пошёл по второму пути. Штора крепится на гардину с Т-образными пазами. И вновь на помощь приходит компас и 3D-принтер. В каждой точке, из которой спускается светодиодная гирлянда была изготовлена вот такая сборка из двух деталей:

Бонусом, такая конструкция хорошо фиксирует сборки проводов, и конструкция получается довольно добротной. Следующей "железной" проблемой стало то, что провод со светодиодами достаточно лёгкий, и гирлянда отказывалась висеть вертикально. И вновь 3D принтер спасает положение. Я напечатал несколько тематических грузиков, и привязал их на тоненькие верёвочки. Получилось весьма достойно:

Этап третий. Программное обеспечение aka прошивка

А вот прошивку не скину в чистом виде. Только если кто-то хочет повторить - могу ему слить данное поделие. Ибо в коде есть ряд проблем, которые пока не решены.

Принцип работы системы прост до ужаса. Намертво зашиты константы с SSID/PASS моей локальной WiFi сети и IP адреса всех гирлянд, участвующих во взаимодействии. Arduino IDE хорош, в первую очередь, невероятным количеством библиотек. Итак, что есть сейчас, и для чего используется.

1. Разумеется, WiFi, для подключения к локальной сети. SSID и пароль забиты в дефайны, что есть хардкод, и вообще моветон

2. FastLED для управления WS2812b. Реализован простейший алгоритм отслеживания потребляемого гирляндой тока и ограничение оного к возможностям источника питания. Работает, на мой взгляд, лучше встроенного в библиотеку.

3. WebServer для поднятия странички управления гирляндой, если сильно лень подходить и нажимать кнопку. Я не сильно дизайнер, но страничка получилась довольно простой и информативной.

4. UDP для общения между гирляндами. Да, я знаю, что есть ненулевой шанс потери данных, поэтому пришлось реализовать достаточно простой алгоритм проверки корректности пришедших данных. Битые пакеты отбрасываются. Вроде бы это не очень хорошо, но я тут не космический корабль запускаю, и не ядерным реактором управляю. Если синхронизация произойдёт на 100мс позже, то ничего страшного. Хардкод в данном случае - IP-адреса гирлянд, участвующих в обмене информацией, жестко прописанные в роутере.

5. ArduinoOTA. Лень каждый раз подключать ESP напрямую к компу, когда хочется что-то поменять в прошивке. А так всё выходит просто: обновились по воздуху, и радуемся.

В качестве гирлянды-мастера выбрана ёлочная. На её страничке можно поставить галочку с требованиями синхронизации остальных гирлянд, и её режим будет транслироваться всем остальным.

В сухом остатке получилось несколько устройств, на которые не стыдно посмотреть, которые не стыдно показать и которые работают и радуют глаз. Возможно, когда разберусь с текущими проектами - вернусь к доработке гирлянд. Избавиться от хардкода, что не очень сложно и чуть улучшить синхронизацию (заставить гирлянду-мастера передавать не только свой текущий режим, но и конкретный тик из millis() для более эффектного внешнего вида) и всё, пожалуй. Сделать полноценное Android-приложение, управляющее гирляндами. Возможно, имеет смысл сделать отдельный сервер на полновесной ESP32, который собирал бы данные с гирлянд, и синхронизировал их при необходимости. Но это уже вопрос полноценного самописного умного дома, т.к. к такому серверу можно подключить любое устройство на базе ESP. Для работы с MQTT так же есть полноценные библиотеки. В общем, проект получился достаточно простым, но интересным с точки зрения возможности масштабирования.

На этом всё, спасибо, что дочитали. Ссылок на телегу не будет, это всё от лукавого :)

У него на борту всего 512 МБ оперативной памяти. И что-то тяжелое он однозначно не потянет. В комментариях писали, что устройств с 1 гб ОЗУ для всего хватает, но почитав тематические форумы понял, что нужно минимум 2 гб, даже если не применять большое количество плагинов.
И напомню, что я еще в процессе работ и не сделал даже половины из намеченного. Возможно в будущем обзаведусь каким-нибудь мини-сервером, желание есть.

Так же были комментарии, что готовые решения вышли бы дешевле. Возможно это так, но у готовых решений ограничен функционал и удовлетворить все хотелки врятли бы вышло.

Теперь обо всем по порядку

Остановились мы на том, что объединили устройства в одну сеть и подключили к MQTT брокеру. Теперь начнем с управления с телефона. Для этого подойдет любое приложение, которое может получать и отправлять MQTT сообщения. У всех них есть плюсы и минусы, можно выбрать любое, которое понравится фукционалом и визуально. Я остановился на IoT MQTT Panel.
После настройки в нем подключения к брокеру, необходимо добавить нужные вам кнопки, графики, индикаторы состояния и т.д.

Первым делом я добавил одно реле, которое будет управлять насосом и уже прошил в Tasmota.
Контроллеры ESP имеют так называемые GPIO, порты ввода/вывода, к которым подключаются датчики, кнопки, реле. Здесь так же не буду углубляться, скажу только что в готовых устройствах само реле привязывается к одному из GPIO и в настройках Tasmota нужно настроить режим его работы как Relay.

Теперь можно управлять этим реле по MQTT по беспроводной связи. Напомню: для общения по MQTT используются топики (Topic - условно тема сообщения) и само сообщение. Для управления реле нам нужно отправить на него MQTT сообщение которое выглядит следующим образом:
cmnd/relay1/POWER ON, где

relay1 это название устройства в настройках Tasmota
POWER это выход устройства relay1. Если на этом устройстве несколько реле можно управлять ими отдельно используя POWER1, POWER2 и т.д.
ON - наше сообщение для включения реле, может быть OFF для отключения или TOGGLE для переключения.

В ответ на эти сообщения Tasmota отправляет брокеру состояние данного выхода в топик stat/relay1/POWER с сообщением ON или OFF

В приложении, в поле Topic пишем cmnd/relay1/POWER
Payload ON - ON
Payload OFF - OFF
Subscribe Topic, это топик, подписываясь на который мы будем получать актуальное состояние нашего реле. В нашем случае stat/relay1/POWER

Ну и дальше на ваше усмотрение можно выбрать разные иконки, цвета. Можно включить запрос перед отправкой сообщения, который защитит от случайных нажатий. В конечном счете у нас появится первая кнопка.

Не знаю, нужно ли так подробно расписывать, но когда делал все это сам, очень долго собирал информацию, потому что совсем не было опыта и информации одновременно много в целом, но мало по конкретным темам. Надеюсь кому-то это пригодится.

Теперь мы можем включать устройства с телефона в домашней сети. Двигаемся дальше.
В процессе поиска системы для автоматизации всего что у меня будет, наткнулся на Node-red. Дальше речь пойдет о нем. Ни разу не пожалел о своем выборе, так как система может построить практически все сценарии, которые могут придти в голову. Оправка и получение данных по MQTT, работа с Telegram ботами, скачивание и отправка в интернет любой информации, интеграция с Алисой, Zigbee, SmartTV (по крайней мере с моим LG на WebOS), работа с почтой, ModBus, SNMP и многое дрегое. А строится все управление путем создания так называемых Нод и их соединения. К тому же абсолютно бесплатна и не требовательна к ресурсам.

И так я начал решать свою первую задачу с насосом. Напомню, что вода в скважине, после непродолжительной работы насоса заканчивается и нужно было сделать периодическое включение/отключение насоса. Но это время всегда разное. В какие-то дни можно качать по 10 минут, а в какие-то вода заканчивалась через 2-3 минуты. То есть нужно оставить возможность регулировки интервалов включения.

Сначала надо настроить приложение чтобы оно отправляло сообщения с разными цифровыми значениями на нужный топик. Для этого в приложении есть виджет Slider (ползунок).

Нужно задать топик для отправки. Его будет считывать Node-red, поэтому мы можем написать все что угодно. Например control/relay1. Payload min и payload max это крайние состояния ползунка. Для себя я сделал от 0 до 10 это мои минуты для управления. Slider step это шаг значений. Factor это наш множитель, который будет применяться к нашему числу для отправки. Unit просто обозначение наших единиц на виджете.

Теперь с помощью приложения мы отправим брокеру сообщение с топиком control/relay1 и значением от 0 до 10. Нужно обработать его в Node-red и отправить на реле. Переходим в Node-red. Его установка подробно описана на сайте, ее описывать не буду. После установки переходим на страницу его настройки по ip-адресу. Web-интерфейс выглядит так

Слева доступные ноды. Они выставляются на рабочую область и соединяются линиями. Есть ноды со входом, есть ноды с выходом, есть ноды у которых есть вход/выход. Немного про ноды

• Switch позволяет разделять пути для сообщения, что-то вроде условия IF в языках программирования.

• Delay добавляет задержку сообщениям или служить как фильтр выдавая сообщения определенный промежуток времени.

• Trigger позволяет отправлять сообщение через определенный промежуток времени если не было "Стоп" сообщения.

• Inject запускает внесенное сообщение вручную, служит для отладки. Но так же может отправлять сообщения по расписанию или с определенным интервалом.

• Function для обработки сообщений с помощью ЯП JavaScript

Debug выводит сообщение в окно Debug, в правом краю окна. Служит для отладки.

и многие другие, с разными функциями.

Для получения сообщений MQTT используется нода mqtt in, для отправки mqtt out. После добавления ноды mqtt in в ее свойствах указываем параметры брокера. Добавляем нужные ноды и нажимаем Развернуть. Если ноды mqtt настроены правильно, то под ними появится надпись connected или подключен.

Теперь если сменить положение ползунка в приложении на нужное количество минут, насос будет включатся на заданное время и останавливаться на 4 минуты. Этого времени достаточно чтобы вода набралась и можно было включать снова. На самом деле эта функция реле очень облегчила жизнь. И не думаю что готовые решения могли бы предоставить мне такие возможности по такому же бюждету.

В следующих постах расскажу как делал отключение насоса по поплавкам в баках, получал события от камер и планах на будущее.

Эти реле привязываются через приложение к облачному серверу и позволяют управлять через телефон включением и отключением нагрузки. Так же можно создавать сценарии на включение/отключение по времени. Я отложил их в дальний ящик и благополучно про них забыл, пока не наткнулся на просторах интернета на прошивки Tasmota для таких реле. Вкратце расскажу о начинке:
Наряду с известными всем микроконтроллерами Arduino есть такие контроллеры как ESP8266, ESP32 и им подобные.

Они недорогие, производительные и их легко купить. К ним можно подключать кнопки, датчики, реле и прочее. И эти же контроллеры устанавливают во многие умные устройства, включая реле которые я купил. Это я понял вскрыв корпус реле и осмотрев плату.

Теперь о программной части: на данные контроллеры устанавливаются разные прошивки. Можно установить microPython, можно программировать на них с помощью среды разработки для Arduino. А можно устанавливать готовые прошивки, которые сильно упрощают работу с устройством. В эти прошивки уже встроен Web интерфейс, работа с беспроводными сетями и многое другое. Одна из них это Tasmota и есть несколько довольно простых способов прошить ее на ESP. Готовые модули ESP уже имеют разъем MicroUSB, для голых плат придется приобрести программатор.

С готовыми устройствами типа реле чуть сложнее. Придется вскрывать устройство и искать контакты для подключения программатора, но для многих устройств уже уже инструкции в интернете с распиновкой и подсказками.

Следующие фото взял из интернета, но у меня было точно так же.

Так выглядит внутрянка реле:

Синяя перпендикулярная плата как раз та, на которой ESP8266.

Это она же с обратной стороны:

В правой нижней части видно контакты нашей целевой платы

К этим контактам нужно подпаять провода, которые в последствии подключатся в программатор

Питание 220В на плату подавать не нужно. Контроллер возьмет питание от программатора. Только будьте внимательны, сам контроллер ESP питается от 3,3В. А на программаторе может быть выход только 5В. Тогда нужно будет обеспечить 3,3В от другого источника. Подробно здесь этот вопрос описывать не буду.

После смены прошивки и подключения к Wi-Fi прошивальщик сам отправит нас по нужному ip-адресу и мы окажемся на главной странице нашего устройства

Таким образом мы ушли от облачных серверов, что с одной стороны не дает нам быстро и легко управлять устройством отовсюду где есть интернет. С другой стороны теперь наше устройство никуда не завязано и мы можем делать с ним все что захотим.

Управлять включением/отключением реле из WEB интерфейса и в домашней сети мы теперь можем. Передо мной встали несколько вопросов:

1. Как заставить устройства общаться между собой.

2. Управление устройством через приложение, получать от него обратную связь.

3. Сделать автоматизацию, управление по сценариям и событиям в целом.

4. Удаленное управление из интернета.

Побродив по интернету понял что нужно идти в сторону протокола MQTT. Это протокол передачи данных между устройствами с помощью коротких сообщений.

Если коротко, то каждое устройство может рассылать и получать определенные топики вида
/статус/устройство/№реле "состояние" или команда/устройство/№реле "действие".
Для того чтобы устройства могли общаться между собой им нужен сервер. Слать сообщения напрямую они не могут. Применимо к MQTT сервер называется Брокер

Но брокер сам по себе не управляет устройствами, а лишь является связующим звеном, хранит и передает сообщения. На что поставить брокер? Так как для него не требуется больших вычислительных способностей я решил установить его прямо на роутер. Так как роутер всегда включен и к нему же подключаются беспроводные устройства. Если есть какое-то устройство которое будет работать 24/7 и управлять умным домом, можно воспользоваться им.

У меня уже имелся простенький роутер с 4G модемом. ZBT1626

Прочитав инструкцию на 4pda установил на нее кастомную прошивку OpenWRT. И затем установил на него брокер Mosquitto. В настройках Tasmota вводим ip-адрес mqtt брокера и теперь наши устройства могут общаться меджу собой. В следующих постах расскажу подробнее о настройке MQTT, из чего делал сервер умного дома и какие устройства уже есть в работе