Привет, Хабр!
Наверное многие из вас понимают, что одним из ключевых моментов при эксплуатации ванной комнаты является поддержание оптимального микроклимата, поскольку избыточная влажность создает идеальную среду для развития плесени и грибка на любых пористых поверхностях, будь-то штукатурка или межшовное пространство кафеля. Для нормализации уровня влажности, в первую очередь необходимо обеспечить нормальную вентиляцию, как правило, данная задача решается установкой вытяжного вентилятора. Вместе с тем, для обеспечения эффективности, немаловажно автоматизировать процесс работы вытяжной вентиляции. В данной статье я хочу поделиться своим опытом реализации «домашней» автоматизации для решения этого вопроса. Впереди DIY и много картинок, присоединяйтесь!
❯ Подопытный
В качестве подопытного был выбран вентилятор AURAMAX OPTIMA 5 от компании ERA Group.
Технические характеристики данного вентилятора:
| Цвет: | Белый | Производительность: | 183 m3/h |
| Класс защиты: | IP24 | Уровень шума: | 36 dB(A) |
| Высота: | 175 мм | Потребляемая мощность: | 14 Вт |
| Ширина: | 175 мм | Напряжение: | 220 В |
| Общая глубина: | 84 мм | Размещение: | Настенное |
| Диаметр установочный: | 125 мм | Рабочий механизм: | Осевой |
| Диаметр внешний: | 125 мм | Принцип вентиляции: | Вытяжной |
Ниже на изображении показан внешний вид вентилятора:
Как можно видеть, корпус вентилятора имеет место с прорезями на лицевой стороне, которое идеально подходит для установки датчика температуры и влажности. Однако внутреннее пространство достаточно ограничено для размещения управляющей электроники, что нужно будет учесть при проектировании принципиальной схемы и печатных плат. Ну и в лучших традициях DIY — разработку управляющей электроники мы будем делать самостоятельно.
❯ Разработка электроники
Ядром нашей системы управления будет ESP8266 — бюджетный микроконтроллер от компании Espressif Systems с интерфейсом Wi-Fi, который позволяет выполнить интеграцию в системы умного дома или обеспечить автономное функционирование. И так как мы ограничены в пространстве для размещения электроники внутри корпуса вентилятора, то я решил применить в качестве источника питания бестрансформаторное решение на базе высоковольтного импульсного стабилизатора напряжения LNK306GN, а для коммутации силовой цепи вентилятора будем использовать симистор. Ниже представлена принципиальная схема нашей системы управления.
В данной схеме в качестве датчика температуры и влажности используется DHT22, а для звукового оповещения о включении или выключении вентилятора используется пьезоэлектрический бузер со встроенным генератором. Также на схеме вы можете заметить Zero Cross датчик, который реализован на оптроне U2. Данный датчик предполагалось использовать в реализации системы импульсно-фазового управления для регулировки скорости вращения вентилятора, но как показала практика, ESP8266 не «вывез» «хотелок» разработчика. Данную систему целесообразнее реализовывать на отдельном маломощном микроконтроллере типа Attiny 2313 и тому подобное. В настоящее время данный датчик задействован в функции аппаратного прерывания для включения/выключения вентилятора в момент перехода через нуль.
Если интересно, то вот осциллограмма работы zero cross датчика
Осциллограмма работы zero cross датчика
Как я писал ранее, источник питания реализован на ШИМ контроллере LNK306GN, где выходное напряжение в 3.3 В задается обратной связью, которая формируется с помощью резисторов R1 и R5. Увеличиваем номинал R5, соответственно, увеличивается выходное напряжение источника питания. Для силового управления вентилятором используется «классическая» схема на базе оптрона с симисторным выходом (U3) и силового симистора (Q1). Ниже представлены скриншоты разводки и рендера печатных плат.
Разводка:
Рендер 3D модели:
❯ Изготовление печатных плат
Настало время изготовления печатных плат. Прототипы, как правило, я изготавливаю в «домашних» условиях с помощью моего компактного лазерного станка, методом, о котором я писал ранее.
Ниже на фото показан процесс активации фоторезиста с помощью 445нм лазера:
После засветки фоторезиста, необходимо выполнить проявку в растворе гидроксида натрия (10%) или карбоната натрия, кому как нравится.
Платы после процесса проявки:
Далее, после травления плат, выполняем монтаж радиокомпонентов в соответствии с принципиальной схемой и после этого производим тестовое включение и отладку. Для улучшения диэлектрических характеристик модуля питания, так как плата работает с высоким напряжением и во избежании пробоя, была нанесена паяльная маска. Чтобы предотвратить преждевременную аннигиляцию платы источника питания, рекомендую выполнять тесты с последовательно подключенной нагрузкой (в моём случае это лампа накаливания 60 Вт) в цепь питания 220 В. Также не стоит пренебрегать элементарными правилами электробезопасности при выполнении данных работ, так как модуль питания не имеет гальванической развязки с сетью.
❯ Установка печатных плат в корпус вентилятора
После выполнения всех тестов, производим монтаж печатных плат нашей системы управления в корпус вентилятора, не забыв разместить датчик над специальными прорезями. Ниже показан вариант размещения
Размещение печатных плат на корпусе вентилятора:
❯ Прошивка и интерфейс
Устройство работает на базе моей прошивки, которую уже можно назвать стандартом для моих умных устройств. Разработка велась в среде Arduino IDE. Исходный код прошивки будет доступен в конце статьи.
Конфигурация устройства классическая — через web интерфейс. При первоначальном подключении, устройство создает точку доступа CYBEREX-SmartFAN с беспарольным доступом. После подключения к точке доступа, у пользователя автоматически откроется страница авторизации, где необходимо будет ввести пароль по умолчанию "admin". После входа необходимо выполнить все необходимые настройки устройства. Интерфейс простой и интуитивно понятный. Ниже представлены скриншоты интерфейса.
Страница входа и основная:
Страницы конфигурации передачи данных и автоматического режима:
Конфигурация Wi-Fi подключения:
Как я писал ранее, устройство может работать как в составе системы «Умный дом», так и в автономном режиме. Для интеграции в системы умного дома используется протокол MQTT, где обмен данными выполняется в формате JSON. Ниже представлен пример вывода (топик «ваше имя корня»/jsondata):
{
"c": "Off",
"temp": "29.00",
"hum": "49.70",
"a": "1",
"h_on": "65.00",
"h_off": "52.00",
"fan_level": "0.00"
}Для управления вентилятором используется топик «ваше имя корня»/control, где переданное значение:
0 - включает или отключает вентилятор в зависимости от текущего состояния;
возвращаемый статус: On или Off
1 - включает автоматический режим работы;
2 - выключает автоматический режим работы;
возвращаемый статус: 0 или 1
Ниже показан пример «карточки объектов» данного вентилятора в системе умного дома Home Assistant:
График относительной влажности в ванной комнате:
Хочется добавить, что в данном устройстве реализован механизм MQTT Auto Discovery, позволяющий в автоматическом режиме добавлять датчики и переключатели в Home Assistant. Ниже представлен пример кода карточки объектов, позволяющий реализовать отображение датчиков и элементов управления на панели Home Assistant:
type: entities
entities:
- entity: switch.f_onoff
name: Управление вентилятором
- entity: sensor.smart_fan_temp
name: Температура
- entity: sensor.smart_fan_hum
name: Влажность
- entity: switch.smart_fan_auto_switch
name: Автоматический режим
- entity: sensor.smart_fan_hum_on
name: Порог включения
- entity: sensor.smart_fan_hum_off
name: Порог выключения
title: Вентилятор в ванной❯ Итоги & Выводы
Давайте подведем итоги. Как можно видеть, мы реализовали очень полезную и необходимую систему, которая позволяет с минимальным бюджетом автоматизировать вытяжные вентиляторы для достижения качественных показателей микроклимата в ванной комнате. Как я уже говорил ранее, данная система может работать как автономно, так и в составе умного дома, что позволяет упростить процесс автоматизации без применения IoT инфраструктуры. И если сравнивать финансовые затраты на реализацию моего DIY проекта, описанного в данной статье, с готовыми решениями, например с обычным вентилятором со встроенным датчиком влажности, то DIY явно побеждает не только с финансовой точки зрения, но и по функциональности. Ниже приведены примерные затраты на реализацию данного решения:
- Микроконтроллер ESP8266 — 1 шт: 94 руб или $ 1,07
- Контроллер питания LNK306GN-TL — 1 шт: 95 руб или $ 1,09
- Датчик температуры и влажности DHT22(AM2320) — 1 шт: 98 руб или $ 1,12
- Оптрон с симисторным выходом MOC3052 — 1 шт: 141 руб или $ 1,61
- Силовой симистор BT136-600(TO-252) — 1 шт: 9 руб или $ 0,10
- Вентилятор AURAMAX OPTIMA 5 — 1 шт: 890 руб или $ 10,17
- Другие компоненты и материалы: ~ 200 руб или $ 2,29
- ИТОГО : ~ 1327 руб или $ 15,17
Если сравнивать с готовым решением, то цена на обычный вентилятор с автоматическим управлением от встроенного датчика, где нет и намека на интеграцию с системами умного дома, начинается от 2939 руб или $ 33,59. Вывод об экономической эффективности нашего DIY проекта напрашивается сам собой.
Если Вам понравилась статья, поддержите её стрелочкой вверх. А если есть что добавить, то добро пожаловать в комментарии. Всем творчества, добра и спасибо за внимание.
Ссылки к статье:
- Лазерный DIY или как с помощью дешевого гравера делать качественные платы;
- GitHub проекта;
- Проект печатных плат (KiCAD);
- Исходный код микро ПО (Прошивка).
