MQTT และการตั้งค่าสถานะกล่องจดหมายที่ขับเคลื่อนด้วย Wifi: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

หมายเหตุ: อัปเดตด้วยเฟิร์มแวร์ใหม่ แผนผัง และคำแนะนำสำหรับโปรแกรมเมอร์

สองสามปีฉันเริ่มโครงการบ้านอัตโนมัติของตัวเอง เริ่มต้นด้วยการสร้างเซิร์ฟเวอร์ที่ควบคุมเครื่องส่ง 433 MHz ด้วย Arduino เพื่อสลับสวิตช์ระยะไกลที่ใช้ PT2262 ราคาถูกจำนวนมาก ต่อมาฉันได้เพิ่มเครื่องรับที่ใช้ Arduino สำหรับสถานีตรวจอากาศของฉัน เชื่อมต่อหน้าสัมผัสควบคุมของที่ชาร์จ EV และอื่นๆ สิ่งต่าง ๆ เพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ (และซับซ้อน!) ดังนั้น เมื่อไม่กี่เดือนที่ผ่านมา ฉันจึงตัดสินใจสร้างมาตรฐานทุกอย่างตาม MQTT สำหรับการส่งข้อความ Node-RED สำหรับการทำงานอัตโนมัติ (ทั้งคู่ทำงานบน Raspberry Pi B+ เครื่องเดียว) และ MariaDb สำหรับการบันทึก (ทำงานบน Synology NAS ของฉัน) ต่อมาฉันย้ายโบรกเกอร์ MQTT (ยุง) และ Node-RED ไปยัง NAS ด้วย..

คำแนะนำนี้อธิบายโปรเจ็กต์สนุก ๆ ไร้สาระที่เชื่อมต่อกล่องจดหมายของฉันบนถนนในโครงสร้างพื้นฐานของบ้านนี้ แนวคิดก็คือถ้ามีคนเปิดตู้จดหมายที่ติดตั้งรั้วไว้ห่างจากประตูหน้าประมาณ 10 เมตร มันจะส่งสัญญาณบอกผมทางโทรศัพท์และอาจเป็นอุปกรณ์อื่นๆ

ขั้นตอนที่ 1: โครงร่าง ข้อกำหนดเบื้องต้น และส่วนประกอบ

เค้าร่าง

ในระดับสูง กล่องจดหมายควรเมื่อเปิดขึ้น ส่งข้อความ MQTT เฉพาะไปยังโบรกเกอร์ เพื่อให้สมาชิกในหัวข้อนั้นได้รับแจ้ง Node-RED สมัครเป็นสมาชิกและทำการทำงานอัตโนมัติบางอย่าง ในกรณีนี้คือการส่งอีเมลและ/หรือข้อความพุชไปยังโทรศัพท์ของฉัน

กล่องจดหมายควรทำงานโดยใช้แบตเตอรี่และทำงานเป็นเวลาอย่างน้อยหนึ่งปี และควรใช้เครือข่าย WiFi ของฉัน เนื่องจากการกระตุ้นไมโครคอนโทรลเลอร์และการเชื่อมต่อกับเครือข่าย WiFi อาจใช้เวลาหลายวินาที ฉันจึงไม่สามารถใช้สวิตช์เปิดใช้งานเพื่อตัดกระแสไฟได้ แต่ควรอนุญาตให้โปรเซสเซอร์ทำงานให้เสร็จหลังจากที่ปิดฝาเมลบ็อกซ์ไปแล้ว

ข้อกำหนดเบื้องต้น

ฉันถือว่าคุณมีทักษะในการบัดกรีพอประมาณ ทำงานร่วมกับ Arduino IDE ได้นิดหน่อย และติดตั้งบอร์ด ESP8266 โดยใช้ Boards Manager คุณต้องมีอะแดปเตอร์ USB Serial ขนาด 3.3 โวลต์เพื่อตั้งโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์

ฉันยังถือว่าคุณมีโบรกเกอร์ MQTT และเซิร์ฟเวอร์ Node-RED ที่ทำงานอยู่ ถ้าไม่มี มีคำแนะนำมากมายบนอินเทอร์เน็ต แต่ฉันขอแนะนำให้ใช้เส้นทางที่ขี้เกียจและใช้สคริปต์การติดตั้งที่ยอดเยี่ยมของ Peter Scargill หากคุณต้องการเรียกใช้สิ่งนี้บน Pi หรือ Ubuntu หรือใช้ภาพของ Andreas Spiess สำหรับ Pi Zero W (ลิงก์ในคำอธิบายของวิดีโอนั้น) ซึ่งจะช่วยให้คุณประหยัดเวลาในการดูสคริปต์การติดตั้งที่ทำงานอยู่สองสามชั่วโมง อีกวิธีหนึ่ง คุณสามารถทำให้เฟิร์มแวร์ส่งอีเมลออกไปได้โดยตรง แต่คุณจะสูญเสียความยืดหยุ่นในการทำเช่นนั้น

อะไหล่

• 1 ปิดกล่องแบตเตอรี่ AA 3 ก้อน
• แบตเตอรี่ AA 2 ก้อน
• 1 โมดูล ESP8266 สำหรับโครงการนี้ ฉันใช้ ESP-01
• ไมโครสวิตช์ 1 ตัว
• ตัวต้านทาน 1 47K
• ตัวต้านทาน 1 4M7
• 1 2.2uF ตัวเก็บประจุ
• 1 หลอดพลาสติกบาง ฉันใช้ปากกา
• ไม้ขีดยาวหรืออมยิ้มหนา 1 อัน ควรใส่และเคลื่อนย้ายได้ง่ายในท่อพลาสติก

ขั้นตอนที่ 2: ฮาร์ดแวร์: กล่อง สวิตช์ และการเดินสาย

ฉันเริ่มด้วยกล่องแบตเตอรี่เก่าจากของประดับตกแต่งคริสต์มาสที่หมดอายุ ออกแบบมาสำหรับแบตเตอรี่ขนาด AA สามก้อน เนื่องจาก ESP8266 ทำงานได้ดีเมื่อใช้ไฟ 3 โวลต์ ฉันจึงสามารถใช้แบตเตอรี่สองก้อนและใช้ตำแหน่งที่สามสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ สังเกตว่ากล่องมีช่องพิเศษขนาดเล็กที่ฉันสามารถใช้สำหรับสวิตช์เปิดใช้งานได้อย่างไร ฉันใช้สวิตช์ประเภททั่วไปที่แสดงในรูปภาพ แต่ถอดสปริงที่ล็อคในตำแหน่งเปิดหรือปิดออก ฉันบัดกรีลวดเส้นเล็กสองเส้นเข้ากับหน้าสัมผัส NC และติดมันในกล่องด้วยกาวซุปเปอร์หยดเล็กน้อย

ต่อไป ฉันเจาะรูที่ฝาด้านบนตรงกับหลอดพลาสติกที่ดึงมาจากปากกาลูกลื่น รูจะเรียงตรงกับสวิตช์และนำลูกสูบที่ทำจากไม้ขีดหนา

ในที่สุด ฉันก็บัดกรีสายไฟอีกสองเส้นไปที่หน้าสัมผัสของแบตเตอรี่และนำสายทั้งสี่ไปยังตำแหน่งของแบตเตอรี่ก้อนที่สาม ซึ่งจะมีไมโครคอนโทรลเลอร์อยู่

ขั้นตอนที่ 3: ฮาร์ดแวร์: ESP-01

เมื่อพิจารณาจากข้อกำหนด WiFi แล้ว ทั้งโปรเจ็กต์ก็ตะโกนว่า ESP8266 คอนโทรลเลอร์ WiFi ขนาดเล็กนี้ได้กลายเป็นเครื่องมือโปรดของชุมชนคนซ่อมเครื่อง โดยเป็นโมดูลที่ซื้อได้ในราคาต่ำกว่า 2.50 ยูโร และรวม WiFi เต็มรูปแบบและสแต็ก TCP/IP ไว้ด้วยกัน โดยมีความจุเหลือเฟือสำหรับการรันโปรแกรมของคุณเอง Arduino IDE (หรือ Atom ที่มีปลั๊กอิน PlatformIO) รองรับ ESP8266 อย่างสมบูรณ์

ฉันมักจะใช้ ESP-12F แต่ฉันมีบอร์ด ESP-01 เล็กๆ วางอยู่รอบๆ ซึ่งเหมาะสำหรับงานนี้และพอดีกับกล่องแบตเตอรี่ ปัญหาเดียวคือค่อนข้างซับซ้อนในการแฟลชเฟิร์มแวร์ใน ESP-01 เพิ่มเติมในขั้นตอนต่อไป มีการดัดแปลงหนึ่งรายการ: คุณต้องถอด LED แสดงการทำงานสีแดงออกจากบอร์ด เนื่องจากจะดึง 3mA อย่างต่อเนื่อง เมื่อนำ LED ออก โมดูลจะใช้ uA เพียงไม่กี่สิบตัวในโหมดดีลีปสลีป ซึ่งจะทำให้มีอายุการใช้งานนานกว่าหนึ่งปีสำหรับแบตเตอรี่ AA คุณภาพดี 2 ก้อน

ปรากฎว่าฉันสามารถใช้ส่วนหัวของตัวเมีย 4 พินสองแถบและประสานกับส่วนประกอบพิเศษสองสามชิ้นในรูปแบบอิสระ เพื่อที่ฉันจะได้ลบ ESP-01 เพื่ออัปเดตเฟิร์มแวร์ ในขณะที่มันยังคงพอดีกับช่องใส่แบตเตอรี่ที่สาม

การต่อสาย ESP อย่างถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญมาก ใช้สูตรโกงด้านบน วางสายตามนี้

1. แบตเตอรี่บวกกับ Vcc (D2), CH_PD (B2), RXD (D1), GPIO0 (C1), GPIO2 (B1) และตัวต้านทาน 47K
2. แบตเตอรี่ลบ GND (A1) และสายไฟหนึ่งเส้นของสวิตช์
3. อีกสายของสวิตช์เป็นตัวเก็บประจุ 100nF และตัวต้านทาน 4M7
4. ปลายเปิดของตัวต้านทานทั้งสองตัวและตัวเก็บประจุเป็น RST (C2)
5. TXD (A2) ไม่สามารถเชื่อมต่อได้

แก้ไข: ฉันต้องเปลี่ยน ESP-01 เพราะฉันทำผิดพลาดอย่างไร้สาระและทำลายมัน กลับกลายเป็นว่าทำให้ฉันประหลาดใจที่ ESP-01 ใหม่ไม่ได้รีเซ็ตด้วยตัวเก็บประจุ 100nF ดั้งเดิม มันอาจมีการออกแบบที่แตกต่างกันเล็กน้อย ฉันแทนที่ด้วย 2.2 uF และตอนนี้ก็ใช้งานได้อีกครั้ง

เมื่อเสร็จแล้ว ทุกอย่างสามารถติดตั้งในกล่องได้ แต่เดี๋ยวก่อน เราต้องตั้งโปรแกรมโมดูลก่อน

ขั้นตอนที่ 4: การเขียนโปรแกรม ESP-01

หากต้องการแฟลชเฟิร์มแวร์บน ESP-01 ของคุณ คุณสามารถสร้างอุปกรณ์ขนาดเล็กหรือซื้อโปรแกรมเมอร์ (เกือบ) ที่สมบูรณ์ได้ในราคาประมาณ 1 ยูโร

อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์การเขียนโปรแกรม

สร้างแท่นขุดเจาะขนาดเล็กที่มีส่วนหัวของตัวเมียอีกสองตัวสำหรับ ESP-01 นอกจากนี้ คุณต้องมีโมดูล USB Serial ที่สามารถจ่ายไฟได้ 3.3 โวลต์ โปรดทราบว่าชิป ESP8266 ไม่ได้ชุบแข็ง 5 โวลต์ ดังนั้นข้อผิดพลาดที่นี่อาจทำให้โมดูลของคุณเสียหายได้ อย่างไรก็ตาม ใช้แผ่นโกงอีกครั้ง วางสายอุปกรณ์ของคุณดังนี้:

1. 3.3V จากโมดูล USBSerial เป็น Vcc, CH_PD, RST และ GPIO2
2. GND ของโมดูล USBSerial ถึง GND และ GPIO0
3. TXD ของโมดูล USBSerial ไปยัง RXD
4. RDX ของโมดูล USBSerial ไปยัง TXD

โปรแกรมเมอร์ก่อนสร้าง

สนุกเหมือนสร้างสิ่งของของคุณเอง วิธีขี้เกียจคือการรับอินเทอร์เฟซ ESP-01-to-serial จากเว็บไซต์ประมูลที่คุณชื่นชอบ ดูภาพด้านบน วิธีนี้ง่ายกว่า กะทัดรัดกว่า และเชื่อถือได้มากกว่าอุปกรณ์พกพามาก อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้บางส่วนไม่ใช่โปรแกรมเมอร์ เป็นเพียงอินเทอร์เฟซแบบอนุกรม คุณต้องบัดกรีสะพานลวดระหว่าง GND (พิน A1) และ GPIO0 (พิน C1) ที่ด้านหลังของอินเทอร์เฟซ ดูภาพที่สอง โปรดทราบว่าควรเสียบปลั๊ก ESP-01 โดยให้เสาอากาศหันไปทางปลั๊ก USB ไม่ใช่ในทางกลับกัน!

หมายเหตุ: มีสวิตช์ด้วย ดูรูปที่สาม สวยมาก

โหลดเฟิร์มแวร์

สมมติว่า Arduino IDE 1.8.3 หรือใหม่กว่า ให้เลือก Tools > Board และเลือกบอร์ดที่คุณมี สำหรับ ESP-01 อย่างที่ฉันใช้ ให้เลือก "โมดูล ESP8266 ทั่วไป" และตั้งค่าตัวเลือกต่อไปนี้ (ควรเป็นค่าเริ่มต้นทั้งหมด):

1. โหมดแฟลช: DIO
2. ความถี่แฟลช: 40MHz
3. ความถี่ซีพียู: 80MHz
4. ขนาดแฟลช: 512KB (64KB SPIFFS) หมายเหตุ: หากคุณใช้บอร์ด ESP-01 สีดำ ให้เลือก 1MB (64KB SPIFFS)
5. พอร์ตดีบัก: ปิดการใช้งาน
6. ระดับการดีบัก: ไม่มี
7. วิธีการรีเซ็ต: ck
8. ความเร็วในการอัพโหลด115200
9. พอร์ต: เลือกพอร์ตที่เชื่อมต่อกับอินเทอร์เฟซ USB Serial ของคุณ สำหรับพีซี Ubuntu ของฉันที่เป็น /dev/ttyUSB0

ต่ออุปกรณ์ / โปรแกรมเมอร์ โหลด Sketch ที่คุณสามารถหาได้ที่นี่ https://gitlab.com/jeroenmeijer/Mailbox.git ระบุข้อมูลรับรองนายหน้า WiFi และ MQTT และการกำหนดค่า IP ของคุณใน config.h แล้วเลือกอัปโหลด

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบมันทั้งหมด

ฉันเจาะรูสำหรับท่อพลาสติกที่ฝาด้านในของกล่องจดหมายของฉัน ให้ใกล้กับบานพับมากที่สุด จากนั้นติดกาวกล่องแบตเตอรี่ไว้ที่ด้านล่างของฝานั้นด้วยความร้อน ต่อไปฉันใช้ไม้ขีดหนาเป็นลูกสูบ ฉันใช้สนิปตัดไม้ขีดให้ยาวเพื่อให้สวิตช์เปิดถ้าปิดฝาด้านนอก ฉันตรวจสอบการเชื่อมต่อโดยเปิดฝาขณะเรียกใช้ mosquitto_sub เพื่อตรวจสอบข้อความ MQTT (แทนที่ mqttbroker ผู้ใช้และรหัสผ่านด้วยการกำหนดค่า MQTT ของคุณ):

$ mosquitto_sub -h mqttbroker -v -t "stat/#" -u ผู้ใช้ -P รหัสผ่าน

ประมาณหกวินาทีหลังจากเปิดฝาด้านนอก ข้อความ MQTT ต่อไปนี้จะถูกเผยแพร่ เวลาที่ใช้ในการปลุกไมโครคอนโทรลเลอร์และสร้างการเชื่อมต่อ WiFi และนายหน้า

stat/mailbox/trigger {"vcc":3050, "flap":true, "prev":0, "RSSI":29, "version": "005"}

ในช่วงเวลานี้ ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้ประมาณ 70mA เมื่อเสร็จแล้วจะเข้าสู่โหมดสลีปและในกรณีของฉันมันใช้น้อยกว่า 20uA "flap" เป็นจริงเสมอ "vcc" ระบุแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เป็น mV และ "prev" ควรเป็น 0 หากเป็น 1 หรือ 2 แสดงว่ากล่องจดหมายไม่สามารถส่งข้อความก่อนหน้านี้ได้ เนื่องจากไม่สามารถเชื่อมต่อได้ WiFi หรือเพราะไม่สามารถเชื่อมต่อกับโบรกเกอร์ MQTT "RSSI" คือความแรงของสัญญาณ WiFi ทั้งสองมีประโยชน์มากในการวินิจฉัยปัญหา

เป็นความคิดที่ดีที่จะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เป็นเวลาสองสามวันเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ทำงานได้ตามที่ตั้งใจไว้และไม่ทำให้แบตเตอรี่หมดด้วยเหตุผลบางประการ

เฟิร์มแวร์ยังสามารถอัปเดตตัวเองผ่านทางอากาศ (OTA) ได้ แต่นั่นก็เกินขอบเขตของคำแนะนำนี้เล็กน้อย สำหรับผู้ที่สนใจ การกำหนดค่า OTA ยังอยู่ใน config.h

ขั้นตอนที่ 6: การใช้ Node-RED เพื่อดำเนินการกับข้อความ MQTT

สุดท้าย ฉันได้สร้างโฟลว์อย่างง่ายใน Node-RED โหนดแรกสมัครรับข้อมูลหัวข้อของกล่องจดหมาย (stat/postbox/trigger) เมื่อได้รับข้อความ โหนดที่สองจะจัดรูปแบบอีเมล *) โหนดสุดท้ายส่งไปยังที่อยู่ gmail ของฉัน โดยใช้ gmail เป็นเซิร์ฟเวอร์ SMTP โทรศัพท์ของฉันจะแจ้งเตือนฉันเมื่อมีจดหมายใหม่

ฉันได้เพิ่มโฟลว์ Node-RED ไปยังข้อมูลโค้ด gitlab เพื่อให้คุณสามารถนำเข้าโฟลว์ Node-RED ของคุณได้

แน่นอน คุณสามารถเพิ่มโหนดได้ เช่น เพื่อบันทึกเหตุการณ์ของกล่องจดหมายไปยัง MariaDb หรือ SqlLite หรือสร้างการเตือนเพิ่มเติมเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่ำกว่า 2.7 โวลต์

ขอให้มีความสุขกับการล่าจดหมาย!

*) ดูหน้าถัดไป ตอนนี้ฉันใช้ PushBullet แทนอีเมล

ขั้นตอนที่ 7: ความคิดภายหลัง

มีความรู้สึกนี้อยู่เสมอว่าสิ่งต่างๆ สามารถทำได้ดีกว่านี้

สวิตช์

ฉันอยากจะใช้แม่เหล็ก (ซุปเปอร์) และหน้าสัมผัสกกแทนการใช้ลูกสูบที่ค่อนข้างงุ่มง่าม มีเหตุผลสองประการ หนึ่งคือ ไม่มีทางที่ฉันจะทำงานนี้ได้ด้วยการปิดหน้าสัมผัสเมื่อเปิดกล่อง และการปิดไว้เสมอหมายความว่ากระแสไฟขนาดเล็กจะไหลตลอดเวลา ในการหวนกลับน้อยกว่า 1uA ที่ไหลผ่านตัวต้านทาน 4M7 จะไม่เป็นเรื่องใหญ่ในแง่ของอายุการใช้งานแบตเตอรี่ อีกอันเป็นแบบที่ใช้งานได้จริงมากกว่า ฉันทำโปรเจ็กต์นี้ในวันเสาร์และเขียนซอฟต์แวร์ สร้างมันทั้งหมดในวันอาทิตย์จากสิ่งที่อยู่รอบๆ ฉันแค่ไม่มีที่ติดต่อกกในกล่องขยะ

หมายเหตุ: ตามที่ diy_bloke แสดงความคิดเห็น คอนแทคเลนส์กกมีแนวโน้มที่จะเหนียวเมื่อถูกแม่เหล็กเป็นเวลานาน ดังนั้นบางทีลูกสูบก็ไม่ใช่ความคิดที่ไม่ดีเลย เราจะเห็น *)

ข้อความเมื่อว่างเปล่า

กล่องจดหมายจะส่งข้อความเมื่อล้างข้อมูลด้วย ไม่ใช่เรื่องใหญ่ แต่เมื่อมีผู้คนจำนวนมากขึ้นในบ้านได้รับคำเตือน อาจมีคนคอยตรวจสอบกล่องจดหมายที่ขัดต่อจุดประสงค์ทั้งหมด มีสองสามวิธีในการแก้ปัญหานี้ เช่น ตรวจสอบว่าฝาด้านในถูกยกขึ้นหรือไม่ และหากเป็นเช่นนั้น อย่าส่งข้อความ หรือแทนที่จะใช้สวิตช์ฝา ให้ติดตั้งตัวตรวจจับที่ด้านล่างของกล่องจดหมาย หรือปุ่มรีเซ็ตเล็กๆ ให้กดตอนล้าง อย่างไรก็ตาม ทุกอย่างจะซับซ้อนและอาจทำให้ความน่าเชื่อถือแย่ลง

ข้อความ

การส่งอีเมลเป็นวิธีที่ค่อนข้างมีประสิทธิภาพแต่ค่อนข้างหยาบในการส่งคำเตือน วิธีที่สง่างามกว่าคือแอปโทรศัพท์ แต่ฉันไม่พบแอปแดชบอร์ด Android MQTT ที่สามารถกำหนดค่าให้ทริกเกอร์การแจ้งเตือนระบบปฏิบัติการเมื่อได้รับข้อความบางอย่าง หากมีหนึ่งรอบโปรดเพิ่มความคิดเห็น **)

*) หลังจากใช้งานมานานกว่าหนึ่งปี ปรากฏว่าแท่งอมยิ้มที่ฉันใช้ ซึ่งโดยทั่วไปเป็นกระดาษรีดแข็ง มีแนวโน้มที่จะสั้นลงภายใต้แรงดันคงที่ของสปริงสวิตช์ หลังจากแก้ไขปัญหาบางอย่างฉันก็แทนที่ด้วยแท่งไม้

**) ตอนนี้ฉันกำลังใช้ PushBullet สำหรับข้อความพุช แยกจากแดชบอร์ด MQTT สามารถพบอินเทอร์เฟซ Node-RED ขนาดเล็กไปยัง API ได้ที่นี่ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณได้ระบุโทเค็นการเข้าถึงในโหนด "Prepare for pushbullet" และที่อยู่อีเมลของคุณสำหรับวัตถุประสงค์สำรองในโหนด "Retry"