ESP32 Ethernet LAN8720 DS18B20 OneWire Dallas HTML Webserver WebSocket

---

Kompatibilný hardvér pre Ethernet termostat:

---

---

Izbový termostat - ESP32 + LAN8720

---

Mikrokontróler ESP32 je prepojený s PHY Ethernet modulom LAN8720 cez rozhranie RMII (Reduced Media Independent Interface). ESP32 cez WiFi kontróler zabezpečuje MAC vrstvu pre PHY Ethernet. Webserver implementovaný v Arduino Core a umožňuje riadiť termostat cez prehliadač v LAN sieti, kde je ESP32 dostupné na pridelenej IPv4 adrese z DHCP servera v LAN sieti. Logika termostatu sa vykonáva nezávisle na otvorenej webaplikácii termostatu. Zmena logiky, prahových teplôt sa vykonáva prostredníctom HTTP požiadaviek od klientov v sieti cez HTML formulár, prípadne je možné požiadavku zaslať aj priamo prostredníctvom HTTP POST požiadavky s predvolenými argumentami fname a fname2. Na základe požiadavky na konkrétnu podstránku je možné ovládať výstup, napríklad manuálne / automaticky, alebo je možné argumentom nastaveným na určitú hodnotu prepísať riadiace dáta (cieľová teplota, hysteréza - dátový typ float). Riadiace dáta sú uložené v emulovanej EEPROM pamäti na ofsete flash pamäte, pričom je životnosť tohto sektora na úrovni 10-tisíc prepisov. Webserver beží na štandardnom HTTP porte - 80.

Termostat dokáže automatizovane prostredníctvom GPIO výstupu (invertovaná logika) ovládať signalizačné relé pre zapnutie / vypnutie kotla. Dokáže tak nahradiť existujúci izbový termostat a sprístupniť ho v sieti všetkým klientom. Termostat dokáže obsluhovať akékoľvek zariadenie s prehliadačom - počítač / smartfón / tablet / Smart TV a podobne. Ako rozhodovací algoritmus sa využíva cieľová teplota s hysterézou, ktorá sa porovnáva s nameranou teplotou z digitálneho senzora teploty Dallas DS18B20. Cieľová teplota a hysteréza je načítaná z EEPROM pamäte, kde je uchovaná aj v prípade výpadku napájania permanentne a pri zápise nových dát sa prepíše. Rozlíšenie senzora DS18B20 pri meraní je 12-bitov, čomu rozpovedá rozlíšenie na teploty 0.0625 °C, čo je minimálny rozlišovací krok medzi rozlišnými meraniami. Dáta po OneWire zbernici môžu prísť do mikrokontroléru po vyžiadaní za 500 až 1000 ms v závislosti od počtu senzorov na OneWire zbernici, dĺžke zbernice a podobne... Rozhodovacia logika termostatu sa vykonáva každých 10 sekúnd nezávisle na webaplikácii, nevyžaduje sa keep-alive spojenie pre vykonanie logiky, systém tak funguje autonómne a nevyžaduje pozornosť používateľa.

Po hardvérovej stránke projekt využíva:

ESP32

Ethernet modul LAN8720

Teplotný senzor DS18B20 na OneWire zbernici v puzdre TO-92, alebo vo vodotesnom vyhotovení v hliníkovej rúrke

Elektromagnetické relé SRD-5VDC-SL-C / SSR relé OMRON G3MB-202P slúžiace na spínanie kotla (Active-LOW signál)

---

Zapojenie hardvérových komponentov pre PHY Ethernet termostat s ESP32:

ESP32	Dallas DS18B20
3V3	Vcc
GND	GND
D5	DATA

ESP32	Relé (OMRON G3MB-202P / SRD-05VDC-SL-C)
5V	Vcc
GND	GND
D4	IN

ESP32	PHY Ethernet LAN8720
3V3	Vcc
GND	GND / RBIAS
D18	MDIO
D19	TXD0
D21	TXEN
D22	TXD1
D23	MDC
D25	RXD0
D26	RXD1
D27	CRS_DV

---

HTML stránky bežiace na ESP32:

/ - root stránka obsahujúca formulár, aktuálny výpis logického výstupu pre relé, aktuálnu a cieľovú teplotu teplotu, hysterézu

/action.html - spracúvava hodnoty z formulára, zapisuje ich do emulovanej EEPROM pamäte, presmeruje používateľa späť na root stránku

/get_data.json - distribuuje dáta o aktuálnej teplote, referenčnej teplote a hysteréza tretej strane (počítač, mikrokontróler, iný klient...) v JSON formáte - možno využiť s príkladom JSON klient, ktorý dáta vie odoslať na MQTT Broker, napríklad do domácej automatizácie

/zap.html - permanentné zapnutie výstupu v manuálnom režime

/vyp.html - permanentné vypnutie výstupu v manuálnom režime

/automat.html - zmena režimu na automatický (používa hysterézu a cieľovú teplotu)

/manual.html - zmena režimu na manuálny (permanentné ovládanie výstupu ZAP / VYP natvrdo)

---

Elektromagnetické relé SRD-5VDC-SL-C, ktoré je v projekte použité umožňuje spínať až 10A pri 230V - maximálny výkon 2300W. V prípade spínania jednosmerného obvodu (záťaže) je možné spínať 300W (10A pri 30V DC max). Pre schému zapojenia je plne kompatibilné aj SSR relé OMRON G3MB-202P, ktoré je vhodné iba pre neindukčnú záťaž a výhradne pre záťaž so striedavým napätím (DC obvod nedokáže po zopnutí rozopnúť). Maximálny spínaný výkon 460W (230V, 2A). Termostat je možné používať celoročne. V prípade nepotrebného riadenia je možné výstup fyzicky odpojiť a termostat využívať ako Ethernet teplomer pre zisk dát z miestnosti, kde sa nachádza.

Webové rozhranie pre Ethernet termostat umožňuje:

Prehliadať v reálnom čase teplotu zo senzora DS18B20 na OneWire zbernici, uptime zariadenia, stav výstupu s dynamickou zmenou, aktuálne nastavené konfiguračné údaje pre termostat t.j. cieľovú teplotu a hysterézu z EEPROM

Modifikovať cieľovú (referenčnú) teplotu v rozsahu 5 až 50 °C s 0,25 °C krokom

Modifikovať hysterézu v rozsahu 0 až 10 °C s 0,25 °C krokom

Voliť prevádzkový režim termostatu - automatický / manuálny režim

V manuálnom režime prepínať výstup na neurčitú dobu

ZAP/VYP regulácia kotla:

Príklad ZAP/VYP regulácie vykurovania - VIZUALIZÁCIA NIE JE SÚČASŤOU PROJEKTU

Kotol je aktívny po dobu dostiahnutia cieľovej teploty + hysterézy

Na vizualizácii teplôt vody je patrný tzv. dobeh vykurovania a následné chladnutie vody až do opätovnej aktivity vykurovania, kedy je nameraná teplota pod nastavenú cieľovú teplotu - hystérzu

Webové rozhranie je navrhnuté pre prispôsobenie sa väčším i menším obrazovkám. Je reponzívne, podporuje širokouhlé obrazovky s vysokým rozlíšením, ale aj mobilné zariadenia. Rozhranie využíva importované CSS štýly Bootstrap frameworku z externého CDN servera, ktorý načíta client-side zariadenie pri otvorení stránky bežiacej na ESP32. Aby ostali nastavené hodnoty termostatu zachované aj po výpadku napájania, sú uložené do EEPROM pamäte ESP, ktorá je emulovaná vo flash pamäti, nakoľko platforma nemá fyzicky EEPROM čip (pamäť). Referenčná teplota na offset 10, hysteréza na offset 100. Každá z hodnôt zaberá maximálne 5B v EEPROM pamäti + ukončovací znak. Dáta sa prepisujú iba pri odoslaní HTML formulára, prevádzka termostatu je tak maximálne šetrná k EEPROM pamäti pre jej maximálnu trvácnosť. Stav výstupu existuje iba v RAM pamäti, kde sa pri zmene prepisuje. Hodnota sa neukladá do emulovanej EEPROM pamäte vo flash pamäti.

---

Prostredníctvom meta tagu Refresh vykonáva webserver obnovu celej stránky každých 30 sekúnd a prostredníctvom Javascriptu sa vypisuje do HTML stránky aj orientačný čas do refreshu. Do tohto času je potrebné stihnúť zapísať zmenu pre termostat, inak sa input okná pre číselné vstupy do formulára resetujú pri obnovení stránky. Na základe spätnej väzby od používateľov Android zariadení bol čas pre Refresh predĺžený z 10 na 30 sekúnd. Dynamický údaj, ktorý sa predovšetkým mení je aktuálna hodnota výstupu - Zapnutý / Vypnutý, ktorý informuje prevádzkovateľa o skutočnom stave výstupu spoločne aj s farebným označením. Nakoľko sa logika systému vykonáva nezávisle na webserveri, do refreshu môže už byť výstup v inom stave, ako aktuálne vypísanom vo webaplikácii. Zmena výstupu je ihneď vypísaná napríklad na UART monitor (115200 baud/s). Na webovej stránke termostatu nájde používateľ aj informácie o uptime zariadenia (ako dlho beží), t.j. čas v dňoch, hodinách, minútach a sekundách.

Hlavná stránka pre modifikáciu cieľovej teploty a hysterézy - ukážka zapnutého:

---

Plnefunkčný Ethernet termostat s možnosťou nastavenia riadiach dát:

---

Hlavná stránka pre modifikáciu cieľovej teploty a hysterézy / navolenie manuálneho režimu s možnosťou ovládania ZAP/VYP: Priebeh spracovania zadaných údajov (presmerovanie používateľa): JSON výstup webservera v prehliadači / klientovi cez websocket: Výstup do UART monitoru - logika systému + nastavená IP adresa:

---

Implementácia obsahuje program pre dynamickú IPv4 adresu priradenú k Ethernet PHY termostatu z DHCP servera v sieti. Termostat je určený iba pre interiérové teploty! (nad 0°C), čomu je prispôsobená aj logika systému! Termostatom je možné nahradiť už existujúci izbový termostat, možno dočasne nahradiť ohrievač v akváriu / teráriu pre udržiavanie stálej teploty.

---