Делаем вентилятор умным или как улучшить микроклимат в ванной комнате с помощью домашней автоматизации

Привет!

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:

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 добавить его 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).