Elektronische apparaten werken op elektriciteit. Zelfs wanneer ze zijn uitgeschakeld, stroomt er energie door de kabels en uit het elektriciteitsnet. Een normaal werkstation kan bijvoorbeeld tot 100 watt stroom verbruiken zonder dat een apparaat daadwerkelijk draait. Gangbare 433MHz afstandsschakelsystemen boeken slechts beperkt succes. Dit project laat zien hoe u elektriciteit kunt besparen op uw elektrische werkplek met uw eigen op ARDUINO gebaseerde vierkanaals remote schakelsysteem.
Inspanning
Geschikt voor: Gevorderden met programmeerervaring met HTML en Arduino
Kost: ongeveer 50,- €
Tijdsbesteding:
- Benodigde tijd voor PCB assemblage 1 uur
- Benodigde tijd voor bordproductie 1 uur
- Software installatie ¼ uur
- Bouw van de behuizing (afhankelijk van de inbouwsituatie) 4 uur
Wat er nodig is:
- Onderdelenlijst (zonder mechanische onderdelen zoals schroeven) uit de reichelt winkelwagen
- Project dossiers:
- Gereedschap:
- Soldeerbout
- Software gereedschap:
- Arduino DIE 1.8.19
- SprintLayout Viewer 6.0 (Freeware)
Veiligheidsaanwijzing
In principe vereist alleen de inbedrijfstelling kennis in de omgang met gevaarlijke spanningen. De printplaat zelf kan met twee verschillende voedingen worden gebruikt: met de gebruikelijke netspanning van 230V of met een USB-lader van 5V. Om veiligheidsredenen raden wij aan de USB-voeding te gebruiken. Deze is galvanisch gescheiden van het lichtnet en kortsluitvast. Voor de aansluiting op het elektriciteitsnet moet in elk geval een elektricien worden geraadpleegd, tenzij u zelf over de nodige kwalificaties beschikt.
De lay-out van de printplaat maakt een directe netvoeding met 230V mogelijk: de afstanden tussen de geleiders zijn ontworpen volgens de voorschriften voor elektronische apparaten van beschermingsklasse 1 met randaarde. Dit betekent ook dat alle metalen delen van de behuizing met deze beschermende aarde moeten worden verbonden.
Specificaties voor hardware en software
Hardware
Zoals de naam al zegt, moet uw schakelsysteem op afstand vier kanalen bieden die afzonderlijk van elkaar kunnen worden geschakeld. Elk kanaal heeft een uitgang van 3A/230V AC en moet, overeenkomstig de richtlijn inzake ecologisch ontwerp, het stand-by-verbruik en de schakeltoestanden van de apparaten bij 1W aangeven met een LED-display. Het vierkanaals schakelsysteem op afstand is ontworpen om te worden gemonteerd in een desktop- of DIN-railbehuizing – zelfs in een metalen behuizing of metalen kasten met een 2,4GHz-antenneverlenging. De schakelcontacten worden via schroefklemmen op het systeem aangesloten.
Software
Om de drempels voor het gebruik van het vierkanaals remote schakelsysteem zo laag mogelijk te houden, is de software zo ontworpen dat deze aan verschillende eisen voldoet: zo heeft het systeem niet alleen een browser-onafhankelijke gebruikersinterface – het is ook ontworpen om onafhankelijk te zijn van het besturingssysteem en ondersteunt smartphones, tablets en pc’s. Om de overeenkomstige WLAN-parameters te kunnen instellen, wordt de software op een WiFi-ondersteunde manier geconfigureerd. Bovendien zorgt de op ESP8266 gebaseerde WEMOS D1 mini als CPU-module voor een cloud-vrije werking van uw schakelsysteem op afstand.
Structuur van de hardware
Uw vierkanaals remote schakelsysteem bestaat uit twee afzonderlijke printplaten: de display- en bedieningsprintplaat en de processor- en relaisprintplaat. Beide borden moeten met elkaar worden verbonden via zowel een zevenpolige als een driepolige kabel – hetzij rechtstreeks, hetzij via connectoren. De relais-schakelcontacten zijn verbonden met schroefklemmen.
Gedrukte schakeling assemblage
Aangezien de voedingssituatie van de afzonderlijke componenten tijdens de ontwikkeling van de schakeling voortdurend veranderde, moesten twee afzonderlijke PCB-lay-outs worden gemaakt. Dit betrof vooral de relais en spanningstransformatoren.
De twee printplaten “besturingslogica” en “bedieningspaneel” zijn gecombineerd in één layout en kunnen na het boren uit elkaar worden gesneden. De assemblage van de afgewerkte borden is eenvoudig, omdat er geen SMD-componenten worden gebruikt. Als u de schakeling op een breadboard wilt monteren, moet er ten minste 3 mm ruimte zijn tussen de sporen van de besturingslogica en de schakelcontacten. Alle koperen gedeelten daartussen moeten worden verwijderd.
De kaart kan worden geïnstalleerd in een normale desktop-behuizing met contactdozen of in een top-hat rail behuizing. Als u een top-hat railkast in een elektrisch verdeelbord installeert, dient u een gekwalificeerde elektricien te raadplegen.
Antenne uitbreiding met de WEMOS D1 Mini
Als u de WEMOS D1 mini in een metalen behuizing installeert, zoals een schakelkast of een desktop case, zal het radioverkeer effectief worden afgeschermd. Om deze afscherming te omzeilen, moet u een externe antenne aansluiten, maar een WEMOS D1 mini is hier niet voor ontworpen. In de volgende afbeeldingen wordt beschreven hoe u dit probleem op elegante wijze kunt oplossen.
Voor een goede ontvangst mag alleen het gestripte deel van de antenne zich buiten de metalen behuizing bevinden. Het afgeschermde deel kan zich ook in de behuizing bevinden en kan ook langer zijn dan op de foto’s te zien is.
Stroomvoorziening
De besturingseenheid kan op twee manieren worden gevoed: indien beschikbaar, met een AC/DC-omzetter op de printplaat of via de micro-USB-aansluiting van de WEMOS D1 mini. U kunt hiervoor een 5V USB lader gebruiken – of u kunt uw remote schakelsysteem voeden via de USB poort van uw PC. De tweede optie is echter alleen aan te bevelen als u toch al met de software bezig bent. Anders is de USB-lader de betere keuze. Het stroomverbruik is ongeveer 200mA. De exacte waarde hangt af van het feit of alle LED’s branden en welk relaistype u gebruikt.
Software beschrijving
Om ten volle gebruik te kunnen maken van de ESP8266 chipset van de WEMOS D1 mini, werd de software volledig ontwikkeld in de ARDUINO IDE 1.8.19 omgeving. Slechts twee bibliotheken zijn nodig: WiFiManager 2.09 en een ESP8266 WebServer hoger dan 2.0.
De duidelijk gestructureerde broncode bestaat voor 80 procent uit HTML-code. Als u aanpassingen wilt maken binnen de code, moet u HTM-kennis hebben. Om de code leesbaar te houden, werden geen subroutines gebruikt. Bovendien is Java om veiligheidsredenen niet gebruikt.
Inloggen op het lokale WiFi netwerk
Om uw vierkanaals remote schakelsysteem te kunnen gebruiken, moet u het eerst met het lokale WLAN verbinden. Na het inschakelen controleert het systeem zelfstandig of het een WLAN-verbinding tot stand kan brengen. Als dit niet werkt, wordt een toegangspunt (AP) gestart, dat u in staat stelt de vereiste inloggegevens in te voeren en permanent op te slaan. Zodra u het via de WLAN-configuratie hebt geregistreerd, is dit AP bereikbaar onder het IP-adres 192.168.4.1. De volgende gegevens zijn vereist voor de registratie:
- SSID AP: 4Kanalschalter
- Standardpasswort: 4Schalter
Na de configuratie verschijnt de nieuwe SSID in de WLAN-instellingen van uw eindapparaat, waarmee u zich normaal kunt aanmelden. Alle andere WLAN-verbindingen worden tijdens het configuratieproces gestopt en na afloop opnieuw gestart. Om veiligheidsredenen moet u het standaardwachtwoord individualiseren voordat u de software installeert.
Als de standaardbrowser niet automatisch start, kunt u het configuratieportaal zelfstandig starten onder het bovengenoemde IP-adres.
Zodra deze stappen zijn voltooid, meldt het systeem zich automatisch aan bij het lokale WLAN.
Functies
Na succesvolle aanmelding kunt u de gebruikersinterface oproepen via het door de router toegewezen IP-adres. Hoe u dit te weten komt, hangt af van uw router. Fritzboxen, bijvoorbeeld, kennen apparaatnamen toe met de combinatie “ESP-” aan het begin van de naam. Zodra u uw IP-adres hebt achterhaald, voert u het in de browser in en de gebruikersinterface zal na korte tijd verschijnen.
De basisinstelling van de afzonderlijke toetsen is zo gekozen dat zij ook via een aanraakscherm kunnen worden bediend. De laatste kolom toont de status van de respectieve uitgang.
De afzonderlijke functies hebben kleuren gekregen die duidelijk van elkaar kunnen worden onderscheiden:
- Geel: drukknopfunctie, uitgang wordt gedurende 500 ms actief
- Groen: Aan-schakelaar – de geselecteerde aansluiting is permanent ingeschakeld.
- Rood: Uit-schakelaar – de geselecteerde verbinding is permanent uitgeschakeld.
De laagste knopgroep schakelt alle uitgangen aan of uit. Aangezien de browser de werking van de knoppen niet kan registreren, moet u de gebruikersinterface handmatig bijwerken.
Compatibiliteitstest met de browser
De gebruikersinterface werd getest op vijf verschillende toestellen: Windows PC, Raspberry Pi, Apple iPad, Apple iPhone, Samsung smartphone. De zes populairste browsers werden gebruikt (Chrome, Firefox, Edge, Internet Explorer, Safari en Opera). De interface kon zonder problemen op alle systemen worden gebruikt. Alleen de responstijden liepen uiteen van 0,5s (Firefox) tot 6s (Chrome).
Software-aanpassingsopties
Wie graag programmeert, kan de interface aanpassen. De gedeeltelijk hardware-specifieke gebieden “Main setup” en “void setup” moeten echter onaangeroerd blijven, anders zouden er problemen met de elektronica kunnen ontstaan.
De gebruikersinterface wordt gemaakt in het “void loop” gebied. Daartoe worden na een systeemaanmelding alle toetsen opgevraagd en de bijbehorende schakelacties uitgevoerd. Daarna wordt de website gebouwd volgens de HTML-standaard. Hier worden vooral de kleuren van de statustoetsen gestuurd, afhankelijk van de schakeltoestanden. Dus met enige kennis van HTML kunt u hier kleuren, posities en achtergronden aanpassen.
Definitieve prestatiemeting
Een laatste prestatiemeting van het prototype toonde aan dat het vierkanaals schakelsysteem op afstand ongeveer 99,3 procent van het stand-by-vermogen bespaarde. Terwijl aan het begin van het project 100W werd gemeten op het werkstation, was dit met het remote schakelsysteem slechts 0,7W of een stroomverbruik van 3mA. Met het op ARDUINO gebaseerde vierkanaals remote schakelsysteem kunt ook u uw werkplek energie-efficiënter maken.
Foto’s: reichelt
