تایمر هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا و مخصوص خانه هوشمند بسازید

تجهیزات خانه هوشمند چیزی نیست که حتما نیاز به هزینه زیاد داشته باشد. شما به راحتی می‌توانید بسیاری از این تجهیزات را خودتان بسازید و تجهیزات مختلف خانه را به اینترنت وصل کنید. هوشمند شدن بسیاری از این تجهیزات نیاز به تایمر دارد و معمولا برای هر دستگاه از یک تایمر جداگانه استفاده می‌شود. در این ساختنی به شما یاد می‌دهیم چطور همه دستگاه‌های خانگی متصل به اینترنت را به یک تایمر هوشمند وصل کنید. به این ترتیب قطعی برق تاثیری روی کارکرد دستگاه‌ها نخواهد داشت و سیستم خانه شما هوشمندتر خواهد شد.

برای ساخت تایمر هوشمند از برد ESP8266-01 استفاده می‌کنیم. برای طراحی تایمر هوشمند از اینترنت اشیا کمک می‌گیریم. این تایمر مستقل می‌تواند:

• زمان فعلی را با استفاده از اینترنت تنظیم می‌کند.
• بدون نیاز به کاربر و کاملا هوشمند عمل می‌کند.
• خروجی On/Off را براساس زمان‌های تنظیم شده فعال می‌کند.
• از طریق شبکه اینترنت (اتوماسیون خانگی) برنامه‌ریزی و کنترل می‌شود.

گام اول: طراحی ESP8266-01

طراحی تایمر هوشمند براساس ماژول وای فای ESP8266-01 است. این ماژول چهار پین I/O دارد:

• GPIO0
• GPIO2
• TX
• RX

از حالت منطقی پین‌های I/O برای تشخیص اینکه ماژول ESP8266-01 در کدام حالت بوت آپ می‌شود، استفاده می‌کنیم. ابتدا باید مشخص کنید کدام پین‌های I/O برای راه‌اندازی رله خروجی استفاده بشوند.

برای تغذیه نرمال، پین‌های GPIO0¬و GPIO2 باید روی حالت HIGH تنظیم بشوند. بنابراین نمی‌توانیم از این دو پین به عنوان خروجی دیجیتال استفاده کنیم.

پین Tx به عنوان خروجی تغذیه تنظیم می‌شود و خروجی روی high تنظیم می‌شود. علاوه بر این پین Tx در حین تغذیه کمی داده سریال هم منتقل می‌کند. بنابراین از این پین هم نمی‎توان به عنوان خروجی استفاده کرد.

فقط پین Rx باقی می‌ماند که به عنوان ورودی در تغذیه تنظیم شده و ضرورتا نباید در حین تغذیه روی high تنظیم بشود. پس بهترین انتخاب برای پین خروجی همین پین است.

بوت آپ

برای اینکه مطمئن شوید ESP8266-01 در حالت بوت آپ درست قرار دارد باید پین‌های زیر را با استفاده از مقاومت‌های ۱۰K در حالت high قرار بدهید:

• GPIO0
• GPIO2
• RST
• CH_PD

به این ترتیب مطمئن می‌شوید یونیت هربار به درستی بوت آپ خواهد شد.

رله خروجی

همانطور که گفتیم پین RX تنها پین مناسب برای خروجی است. بنابراین از آن برای راه‌اندازی رله خروجی از طریق ترانزیستور NPN استفاده خواهیم کرد. دیود flywheel استاندارد، ترانزیستور و مقاومت‌های پایه هم به آن اضافه می‌شوند.

دکمه MODE/SET

دکمه به پین GPIO2 وصل می‌شود و با رها کردن دکمه یک مقاومت ۱۰K پین GPIO2 را در حالت high قرار می‌دهد. وقتی دکمه فشرده بشود هم پین GPIO2 در حالت ۰V قرار می‌گیرد. از این دکمه برای دو کارکرد زیر استفاده می‌شود:

• تنظیمات اولیه برای اتصال یونیت به شبکه وای فای
• کنترل دستی خروجی در حین کار تایمر هوشمند

LED نشانگر

LED به پین GPIO0 وصل می‌شود و موارد زیر را نشان می‌دهد:

• وقتی تایمر روشن می‌شود، سریع چشمک می‌زند تا تنظیم وای فای را نشان بدهد.
• وقتی ساعت تایمر هنوز تنظیم نشده، آرام چشمک می‌زند.
• وضعیت On/Off رله خروجی را نشان می‌دهد.

گام دوم: منبع تغذیه

تایمر هوشمند در سطوح ولتاژ مختلف استفاده می‌شود و بنابراین برای منبع تغذیه دو انتخاب داریم:

منبع تغذیه ۱۲-۲۴V DC

مبدل DC-DC برای تغذیه سطوح ولتاژ تا ۲۸V DC مناسب است. خروجی مبدل قابل تنظیم است و روی ۵V تنظیم می‌شود. البته اینکار باید قبل از اتصال ماژول ESP8266 انجام بشود. یک دیود هم اضافه می‌شود تا از ماژول در برابر قطبیت معکوس محافظت کند.

منبع تغذیه ۲۲۰V DC

در این انتخاب بهترین گزینه یک منبع تغذیه سوئیچینگ ۲۲۰V/5V است.

صرف نظر از ولتاژ ورودی، تایمر هوشمند به دو منبع تغذیه نیاز دارد:

ریل ۵V

در هر دو انتخاب، خروجی ۵V DC از منبع تغذیه سوئیچینگ دریافت می‌شود نه رگولاتور خطی. به این ترتیب حداقل گرمای ممکن در منبع تغذیه تولید می‌شود. از این خروجی ۵V برای راه‌اندازی رله خروجی استفاده می‌شود.

ریل ۳٫۳V

خروجی ۳٫۳V برای ماژول ESP8266-01 است و از یک رگولاتور ASM1117 گرفته می‌شود. رگولاتور ASM1117 3.3 یک رگولاتور خطی است و می‌تواند تا جریان ۵۰۰mA مدیریت کند. مقدار گرمای تولید شده هم به ولتاژ ورودی رگولاتور بستگی دارد. برای کاهش گرما باید ASM1117 را از ریل ۵V تغذیه کنید.

فیلترینگ نویز

برای کاهش پرش ولتاژ ماژول ESP8266-01 به ریل ۳٫۳V یک خازن ۱۰۰ – ۱۰۰۰uf وصل کنید. هر دو ریل ۳٫۳V و ۵V با خازن ۰٫۱uf در برابر تداخل فرکانس بالا محافظت می‌شوند.

گام سوم: برد مدار چاپی را مونتاژ کنید

برای طراحی برد مدار چاپی از نرم‌افزار Eagle استفاده کردیم. برد تایمر هوشمند یک برد یک طرفه است که به راحتی می‌توانید آن را با روش انتقال تونر در خانه بسازید.

فایل طراحی PCB را از لینک زیر دانلود کنید (رمز فایل saakhtani.ir است) و آن را به روش دلخواه‌تان بسازید. سپس برد مدار چاپی را طبق مراحل زیر مونتاژ کنید:

1. رگولاتور ASM1117 و سه خازن ۰٫۱uf را به طرف قلع‌دار برد لحیم کنید.
2. یک جامپر تکی به طرف قطعات برد اضافه کنید.
3. دیودها و مقاومت‌ها را روی برد لحیم کنید.
4. هدرهای ماژول ESP8266-01 را اضافه کنید.
5. پین‌ هدرهای LED و دکمه را اضافه کنید.
6. ترمینال‌های پیچی را اضافه کنید.
7. به کمک پین هدرها، مبدل DC/DC را به برد وصل کنید.
8. رله را سر جایش لحیم کنید.
9. با لحیم کردن تراتزیستور و خازن ۱۰۰uf برد را کامل کنید.

بعد از اینکه همه قطعات را لحیم کردید، همه اتصالات را چک کنید و مطمئن شوید هیچ اتصال کوتاهی وجود نداشته باشد. برای اینکه مطمئن شوید برد مدار چاپی می‌تواند روی نقاط تماس خروجی جریان‌های بالا را تحمل کند، مقدار زیادی لحیم به مسیرهای بین نقاط تماس رله و ترمینال‌های پیچی بزنید.

گام چهارم: برد مدار چاپی را تست کنید

قبل از اینکه منبع تغذیه را وصل کنید، ماژول ESP8266-01 را از یونیت جدا کنید. اینکار از گرم شدن بیش از حد رگولاتور ASM1117 جلوگیری می‌کند.

بعد از مونتاژ تایمر هوشمند دیگر امکان تست زیادی وجود ندارد. مهمترین چیز این است که از سطح ولتاژ مناسب مطمئن شوید.

1. ولتاز ۱۲ – ۲۴V DC را به یونیت وصل کنید.
2. ولتاژ خروجی مبدل DC/DC را اندازه بگیرید.
3. خروجی مبدل را بین ۵٫۰V تا ۵٫۵V تنظیم کنید.
4. حالا منبع تغذیه ۳٫۳V را اندازه بگیرید.
5. اگر هر دو منبع تغذیه درست بودند، می‌توانید جریان را از یونیت جدا کنید.
6. حالا می‌توانید ماژول ESP8266-01 را به هدرها وصل کنید.

بعد از اینکه تایمر هوشمند را تست کردید و مطمئن شدید درست کار می‌کند، از لاک شفاف برای پوشاندن طرف لحیمی برد استفاده کنید. اینکار از اکسیداسیون مسیرها جلوگیری می‌کند و عایق بیشتری بین نقاط تماس رله و سایز اجزای مدار ایجاد می‎کند.

گام پنجم: بدنه تایمر هوشمند

بدنه تایمر یک جعبه پروژه ساده است که همه اجزا و سیم‌ها در آن جا می‌شوند. برای اینکه ساخت تایمر ساده‌تر بشود LED و دکمه MODE/SETUP را به یک کابل وصل کنید. به این ترتیب نصب ‌LED و دکمه روی بدنه ساده‌تر خواهد شد. این کابل به هدرهای روی برد مدار چاپی وصل می‌شود.

گام ششم: ماژول ESP8266-01 را برنامه‌ریزی کنید

برای برنامه‌ریزی ESP8266-01، ابتدا باید نرم‌افزار Arduino IDE را تنظیم کنید. برای توضیحات بیشتر هم آموزش راه‌اندازی ESP8266 را بخوانید. برای آپلود کدها می‌توانید از برد آردوینو Uno یا برد پروگرامر استفاده کنید.

حالا کتابخانه‌ها و کدهای تایمر هوشمند را از لینک زیر دانلود کنید و ماژول را با آنها برنامه‌ریزی کنید. آموزش نصب کتابخانه‌های آردوینو را هم اینجا بخوانید.

گام هفتم: تنظیمات اولیه

وقتی برای اولین بار از تایمر هوشمند استفاده می‌کنید، باید آن را به شبکه وای فای وصل کنید. برای اینکار از کتابخانه WiFiManager استفاده می‌کنیم و بنابراین نیازی به وارد کردن SSID یا پسورد در کدها نخواهید داشت.

برای وصل کردن تایمر هوشمند به وای فای به ترتیب زیر عمل کنید:

1. یونیت را روشن کنید.
2. LED شروع به چشمک زدن سریع می‌کند.
3. دکمه MODE/SETUP را فشار بدهید و وقتی LED خاموش شد، دکمه را خاموش کنید.
4. چند ثانیه صبر کنید و اتصالات وای فای گوشی هوشمندتان را باز کنید.
5. یک وای فای جدید با نام IoT Timer ظاهر شده است.
6. این اکسس پوینت را انتخاب کرده و لاگین کنید (پسورد نمی‌خواهد). صبر کنید تا دستگاه به شبکه IoT Timer وصل بشود.
7. مرورگر وب را باز کنید و آدرس آی‌پی ۱۹۲٫۱۶۸٫۴٫۱ را وارد کنید.
8. در صفحه باز شده گزینه Configure WiFi را انتخاب کنید.
9. یک لیست از شبکه‌های وای فای در دسترس نمایش داده خواهد شد.
10. شبکه خودتان را انتخاب کنید و پسورد را وارد کنید.
11. حالا آدرس IP که می‌خواهید برای اتصال به تایمر هوشمند استفاده کنید را وارد کنید.
12. آدرس ‌آی‌پی Gateway پیش فرض را وارد کنید.
13. وقتی تمام تنظیمات انجام شدند، دکمه Save را بزنید.
14. یک پنجره جدید باز می‌شود و ذخیره شدن اطلاعات لاگین جدید را تایید می‎کند.
15. حالا می‌توانید مرورگر را ببندید.

بعد از ذخیره تنظیمات بالا، شبکه IoT Timer بسته می‌شود و یونیت به شبکه وای فای خانگی وصل خواهد شد.

1. گوشی هوشمند را به همان شبکه وای فای که تایمر هوشمند به آن وصل شده، وصل کنید.
2. مرورگر را باز کنید و آدرس IP تایمر هوشمند را وارد کنید.
3. حالا صفحه پیکربندی تایمر هوشمند باز می‌شود.

حالا می‌توانید تایمر خانه هوشمند را برای استفاده کنار سایز تجهیزات تنظیم کنید.

گام هشتم: تایمر هوشمند را تنظیم کنید

صفحه وب پیکربندی تایمر خانه هوشمند از پنج بخش زیر تشکیل می‌شود.

وضعیت

این بخش نام دستگاه، زمان فعلی و وضعیت خروجی تایمر را نشان می‌دهد. علاوه بر این حالت کارکرد تایمر هم اینجا تنظیم می‌شود. تایمر سه حالت دارد:

• خودکار: خروجی با برنامه‌های مختلف تایمر کنترل بشود.
• روشن: خروجی همواره روشن است و تا زمان تغییر حالت، روشن می‌ماند.
• خاموش: خروجی همواره خاموش است و تا زمان تغییر حالت، خاموش می‌ماند.

برنامه‎ها

این بخش حاوی زمان‌های روشن و خاموش تایمر است. در مجموع هفت برنامه برای تایمر هوشمند طراحی شده که هر کدام به صورت جداگانه تنظیم می‌شوند. دقت کنید قبل از اینکه برنامه بعدی را تغییر بدهید، باید با زدن دکمه SAVE تغییرات برنامه جاری را ذخیره کنید.

عملکرد دکمه

دکمه MODE/SETUP برای کنترل خروجی رله در حالت نرمال استفاده می‌شود. در این بخش می‌توانید انتخاب کنید هر دکمه چه عملکردی داشته باشد. برای ذخیره تنظیمات جدید باید باکس Update Button Function را فعال کنید.

پیکربندی

اینجا می‌توانید نام تایمر هوشمند را تغییر بدهید تا تشخیص آن بین تایمرهای دیگر ساده‎تر بشود. زمان یونیت از اینترنت و با کمک سرور زمان NTP گرفته می‌شود و برای نمایش زمان درست باید محدوده زمانی را روی منطقه خودتان تنظیم کنید. اگر می‌خواهید از سرور زمانی دیگری استفاده کنید هم کافی است آدرس IP آن را در قسمت مربوطه وارد کنید. برای ذخیره تغییرات هم باید باکس Update Configuration را فعال کنید.

تنظیم زمان

گاهی اوقات سرور زمانی NTP به هر درخواست زمان واکنش نشان نمی‌دهد. در این صورت می‌تواند زمان و تاریخ را به صورت دستی وارد کنید. برای ذخیره زمان وارد شده هم باید باکس Update Time را فعال کنید.

همگام‌سازی زمان

آخرین بخش صفحه هم ساعت و تاریخ آخرین همگام‌سازی با سرور زمانی NTP را نشان می‌دهد.

تایمر هوشمند آماده است

حالا می‌توانید تجهیزات خانه هوشمند را از طریق این تایمر هوشمند یکپارچه کنید و آنها را به یک سیستم اینترنت اشیای پیوسته تبدیل کنید. پیشنهادهایتان برای بهبود کارایی تایمر خانه هوشمند را با کاربران ساختنی به اشتراک بگذارید.

منبع