کنتور برق هوشمند اینترنت اشیا با ESP32 و LoRa

این پروژه از دو واحد مبتنی بر ESP32 تشکیل شده؛ یه فرستنده که روی کنتور نصب می‌شه و یه گیرنده که کار مانیتورینگ رو انجام می‌ده. فرستنده با کمک ماژول PZEM004T پارامترهای برق رو اندازه می‌گیره و از طریق LoRa به‌صورت بی‌سیم می‌فرسته. گیرنده هم این داده‌ها رو دریافت می‌کنه، به‌صورت محلی نمایش می‌ده و روی یه داشبورد وب برای مانیتورینگ و کنترل منتشرش می‌کنه.

قبل از شروع سیم‌کشی، بذار روند کار رو باهم مرور کنیم. این سیستم دو بخش اصلی داره:

1. واحد فرستنده (کنتور):
2. داده‌های برق رو با ماژول PZEM004T می‌خونه
3. این داده‌ها رو روی صفحه TFT نمایش می‌ده
4. داده‌ها رو با LoRa به‌صورت بی‌سیم ارسال می‌کنه
5. واحد گیرنده (مانیتورینگ):
6. سیگنال LoRa رو دریافت می‌کنه
7. وضعیت اتصال رو روی صفحه OLED نشون می‌ده
8. یه داشبورد وب میزبانی می‌کنه تا از موبایل یا لپ‌تاپت داده‌ها رو ببینی

روند حرکت داده به این شکله: سنسور PZEM اطلاعات رو می‌خونه، فرستنده ESP32 اون رو دریافت می‌کنه، از طریق رادیو LoRa منتقل می‌شه، گیرنده ESP32 دریافتش می‌کنه و در نهایت روی داشبورد وب نمایش داده می‌شه.

بریم سراغ ساخت واحدی که انرژی رو اندازه می‌گیره. باید ESP32 رو به سنسور، ماژول LoRa و صفحه‌نمایش وصل کنیم.

🔹 اتصالات PZEM004T به ESP32

پین TX ماژول PZEM به GPIO16 وصل می‌شه و پین RX اون به GPIO17. این ماژول ولتاژ، جریان، توان، فرکانس و میزان مصرف انرژی رو اندازه می‌گیره.

🔹 اتصالات ماژول LoRa

پین NSS به GPIO15، پین RST به GPIO14، پین DIO0 به GPIO26، پین MOSI به GPIO23، پین MISO به GPIO19 و پین SCK به GPIO18 وصل می‌شن. این پین‌ها برای ارتباط SPI استفاده می‌شن.

🔹 اتصالات نمایشگر TFT از نوع ST7735

پین CS به GPIO5، پین DC به GPIO21 و پین RST به GPIO22 وصل می‌شن. این صفحه مقادیر لحظه‌ای و وضعیت سیستم رو نشون می‌ده.

🔹 کلید فشاری و رله

کلید فشاری به GPIO4 وصل می‌شه (برای جابه‌جایی صفحه و ریست) و رله به GPIO2 (برای کنترل بار).

Note: Connect all GND pins together and all 5V/3.3V pins according to module requirements.

حالا بریم سراغ ساخت واحدی که داده‌ها رو دریافت می‌کنه و وب‌سایت رو نشون می‌ده. سیم‌کشی رو دقیق و طبق پیکربندی پین‌های استفاده‌شده تو کد انجام بده.

🔹 اتصالات ماژول LoRa (ESP32 گیرنده)

پین NSS به GPIO15، پین RST به GPIO14، پین DIO0 به GPIO13، پین MOSI به GPIO10، پین MISO به GPIO11 و پین SCK به GPIO12 وصل می‌شن. این پین‌ها ارتباط SPI رو برای دریافت داده LoRa مدیریت می‌کنن.

🔹 اتصالات نمایشگر OLED از نوع SSD1306

پین SDA به GPIO17 و پین SCL به GPIO18 وصل می‌شن. صفحه OLED وضعیت سیستم مثل آدرس آی‌پی، قدرت سیگنال و وضعیت اتصال رو نشون می‌ده.

🔹 نکات تغذیه برق

مطمئن شو که هر دو برد ESP32 و ماژول LoRa یه زمین مشترک دارن و از یه منبع 5 ولت پایدار استفاده می‌کنی. هرگز تو حین سیم‌کشی مدار رو روشن نکن.

با استفاده از نقشه سیم‌کشی، فرستنده و گیرنده رو مونتاژ کن؛ هر ماژول رو قدم‌به‌قدم وصل کن و قبل از مونتاژ نهایی، هرکدوم رو جداگانه تست کن.

تو هر دو واحد، ESP32 به‌عنوان کنترلر اصلی برای حس‌کردن، ارتباط و کنترل عمل می‌کنه. ماژول PZEM004T ولتاژ، جریان، توان و انرژی رو اندازه می‌گیره و ماژول‌های LoRa هم انتقال داده رو در فاصله زیاد انجام می‌دن.

فرستنده مقادیر لحظه‌ای رو روی صفحه TFT نشون می‌ده و گیرنده هم وضعیت (آی‌پی و قدرت سیگنال) رو روی OLED نمایش می‌ده و داشبورد وب رو برای مانیتورینگ و کنترل رله میزبانی می‌کنه.

+6

همه ماژول‌ها رو با دقت و یکی‌یکی روی برد سوراخ‌دار لحیم کن. کار قدم‌به‌قدم از اشتباه جلوگیری می‌کنه و عیب‌یابی رو هم راحت‌تر می‌کنه. اول سراغ قطعات کوچیک‌تر و کم‌ارتفاع‌تر برو، مثل:

1. پین‌هدرهای اتصال PZEM
2. کلید فشاری
3. کانکتورها یا پین‌هدرهای کوچیک

بعد پین‌هدرهای ESP32 و قطعات جانبی رو لحیم کن. در ادامه اتصالات ماژول LoRa رو هم دقیقا طبق نقشه سیم‌کشی لحیم کن. مطمئن شو که:

1. همه پین‌ها قبل از لحیم‌کاری درست تراز شدن
2. ماژول‌ها کاملا صاف روی برد نشستن
3. هیچ پینی به‌اشتباه به هم اتصال کوتاه نشده

تراز نبودن پین‌ها ممکنه به قطعات آسیب بزنه یا از کار افتادن سیستم رو باعث بشه. برای تست پیوستگی، بعد از لحیم‌کاری هر بخش، اتصالات رو با مولتی‌متر روی حالت تست پیوستگی چک کن. مراحل کار اینه:

1. یه سیم پروب رو روی پین قطعه بذار
2. سیم پروب دیگه رو روی نقطه اتصال متناظرش بذار

اگه صدای بیپ شنیدی یا مقاومت نزدیک صفر دیدی، یعنی اتصال درسته. این مرحله کمکت می‌کنه قبل از روشن کردن مدار، لحیم‌های شل، مسیرهای قطع‌شده یا اتصال کوتاه‌های احتمالی رو پیدا کنی.

لازم نیست حتما یه برنامه‌نویس حرفه‌ای باشی، ولی فهمیدن این‌که کد چیکار می‌کنه به عیب‌یابی خیلی کمک می‌کنه. کد به چند بخش منطقی تقسیم شده؛ بخش اول اتصال به وای‌فای و همگام‌سازی زمانه.

برد ESP32 سعی می‌کنه به وای‌فای وصل بشه تا زمان دقیق رو از یه سرور NTP بگیره. این کار مطمئن می‌کنه که قبوض برق تو زمان درستی ثبت می‌شن. اگه اتصال وای‌فای برقرار نشه، کنتور همچنان کار می‌کنه ولی زمانش همگام‌سازی نمی‌شه.

بخش خواندن سنسور:

کد به‌طور مداوم از PZEM004T مقادیر ولتاژ، جریان، توان و فرکانس رو می‌خونه و یه فیلتر نویز هم داره تا نوسانات ناگهانی و غیرواقعی رو نادیده بگیره. بخش پیگیری مصرف انرژی:

این بخش محاسبه می‌کنه چقدر انرژی امروز، این ماه و در کل تا حالا مصرف کردی. این داده‌ها داخل حافظه ESP32 ذخیره می‌شن تا با قطع برق از بین نرن. بخش نمایش اطلاعات:

1. صفحه 1: ولتاژ و جریان لحظه‌ای رو نشون می‌ده
2. صفحه 2: مجموع مصرف و زمان رو نشون می‌ده
3. کلید فشاری: فشار کوتاه صفحه رو عوض می‌کنه و فشار طولانی مصرف رو ریست می‌کنه

بخش ارسال داده با LoRa:

1. هر چند ثانیه، همه این داده‌ها رو داخل یه پیام بسته‌بندی می‌کنه و به‌صورت بی‌سیم برای گیرنده می‌فرسته
2. فایل کد پروژه رو دانلود کن
3. فایل ino رو تو Arduino IDE باز کن
4. برد رو به کامپیوتر وصل کن
5. کتابخانه موردنیاز رو نصب کن
6. پورت COM درست رو انتخاب کن
7. روی Upload بزن

کد گیرنده مثل "مغز" کل سیستم مانیتورینگه.

1. بخش LoRa:
2. به‌طور مداوم منتظر بسته‌های ارسالی از فرستنده می‌مونه و قبل از استفاده، اعتبار داده رو بررسی می‌کنه (که خراب نشده باشه)
3. صفحه وضعیت OLED:
4. آدرس آی‌پی (برای این‌که بدونی تو مرورگر کجا باید بری)، قدرت سیگنال (RSSI) و وضعیت اتصال رو نشون می‌ده
5. داشبورد وب:
6. برد ESP32 نقش یه وب‌سرور رو بازی می‌کنه؛ می‌تونی وارد بشی و این موارد رو ببینی:
7. مقادیر لحظه‌ای: ولتاژ و توان فعلی
8. تاریخچه: نمودارهای مصرف روزانه و ماهانه
9. صورت‌حساب: محاسبه هزینه بر اساس میزان مصرف کیلووات‌ساعت
10. کنترل: یه دکمه برای روشن و خاموش کردن رله از راه دور
11. کنترل رله از راه دور:
12. وقتی روی دکمه خاموش کردن تو وب‌سایت کلیک می‌کنی، گیرنده یه دستور از طریق LoRa برای فرستنده می‌فرسته تا رله رو سوییچ کنه

برای آپلود کد روی ESP32، باید نرم‌افزار Arduino IDE رو همراه با پشتیبانی برد ESP32 و کتابخانه‌های موردنیاز نصب کنی.

🔹 نصب پشتیبانی برد ESP32

1. برد ESP32 رو با کابل USB به کامپیوتر وصل کن
2. Device Manager رو باز کن و مطمئن شو به شکل CP210x USB to UART نمایش داده می‌شه

حالا پشتیبانی ESP32 رو نصب کن: از مسیر File بعد Preferences برو، تو قسمت Additional Boards Manager URLs آدرس بردمنیجر ESP32 رو اضافه کن. بعد از مسیر Tools، Board و Boards Manager برو، عبارت ESP32 by Espressif Systems رو جستجو و نصب کن. بعد از نصب، از مسیر Tools و Board برد ESP32 Dev Module رو انتخاب کن.

🔹 نصب کتابخانه‌های موردنیاز

قبل از آپلود کد، این کتابخانه‌ها رو نصب کن: LoRa، Adafruit GFX، Adafruit SSD1306، Adafruit ST7735 و PZEM004Tv30. برای نصب از مسیر Tools و Manage Libraries استفاده کن.

🔹 آپلود و تست

کد فرستنده یا گیرنده رو باز کن، برد و پورت COM درست رو انتخاب کن و روی Upload بزن. بعد از آپلود، صفحه TFT فرستنده باید مقادیر رو نشون بده و صفحه OLED گیرنده هم آدرس آی‌پی رو نمایش بده. مرورگر رو باز کن، آی‌پی رو وارد کن و داشبورد و کنترل رله رو تست کن.

+7

محفظه رو پرینت کن و هر دو واحد فرستنده و گیرنده رو داخلش مونتاژ کن. این کار باعث می‌شه سیستم جمع‌وجورتر، ایمن‌تر و حرفه‌ای‌تر بشه.

🔹 قدم اول — پرینت محفظه

1. فایل STL محفظه که ضمیمه این مرحله‌ست رو دانلود کن
2. نرم‌افزار برش خودت (مثل Cura یا PrusaSlicer) رو باز کن
3. فایل STL رو وارد کن و پروفایل پرینترت رو انتخاب کن

تنظیمات پیشنهادی: متریال PLA، ارتفاع لایه 0.2 میلی‌متر، درصد پرشدگی بین 20 تا 40 درصد و بدون نیاز به ساپورت.

1. فایل رو برش بزن و خروجی بگیر
2. پرینت رو شروع کن و صبر کن تا تموم بشه

این محفظه بریدگی‌هایی برای نمایشگر، آنتن و عبور کابل داره که تو تصاویر می‌تونی ببینی.

🔹 قدم دوم — نصب آنتن

1. کانکتور آنتن SMA رو داخل سوراخ کناری محفظه جا بزن
2. با مهره محکمش کن
3. آنتن رو از بیرون به کانکتور وصل کن

این کار عملکرد پایدار سیگنال LoRa رو تضمین می‌کنه.

🔹 قدم سوم — جاسازی بردهای مدار

واحد فرستنده

1. برد سوراخ‌دار رو با دقت داخل محفظه جا بده
2. صفحه TFT رو با دهانه جلویی هم‌تراز کن
3. مطمئن شو رله و ماژول PZEM بدون فشار سرجاشون نشستن (برای این کار از چسب دوطرفه استفاده کن)

برد رو با چسب حرارتی (پیشنهادی) یا چسب دوطرفه (برای چیدمان موقت) محکم کن.

واحد گیرنده

1. برد سوراخ‌دار گیرنده رو داخل محفظه جا بده
2. صفحه OLED رو با دهانه محفظه درست تراز کن
3. سیم آنتن رو مرتب داخل جعبه هدایت کن

قدم چهارم مدیریت کابل‌هاست؛ سیم‌ها رو مرتب بچین تا فشار روی نقطه‌ای وارد نشه، سیم‌کشی برق شهر رو از سیم‌های سیگنال جدا نگه‌دار و مطمئن شو هیچ سیمی به لبه‌های تیز برخورد نمی‌کنه. قدم آخر هم بررسی نهاییه؛ قبل از بستن محفظه، هم‌تراز بودن نمایشگرها، اتصال آنتن و نبودن سیم شل رو چک کن.

من در این محفظه رو طراحی نکردم چون هنوز تو مسیر یادگیری پرینت سه‌بعدی هستم. تو می‌تونی در محفظه رو مطابق چیدمان خودت طراحی یا سفارشی‌سازی کنی.

+1

حالا وقتشه کل سیستم رو تست کنیم تا از پایداری ارتباط، دقت مقادیر و عملکرد درست داشبورد مطمئن بشیم. تست رو مرحله‌به‌مرحله انجام بده تا هر بخش رو جداگانه بررسی کنی.

قدم اول — تست روشن شدن اولیه

هر دو واحد فرستنده و گیرنده رو روشن کن و بررسی کن که صفحه TFT فرستنده روشن بشه و مقادیر رو نشون بده، صفحه OLED گیرنده هم آدرس آی‌پی وای‌فای رو نمایش بده و هیچ‌کدوم داغ نشن یا رفتار غیرعادی نداشته باشن. اگه همه‌چیز پایدار بود، به مرحله بعد برو.

🔹 قدم دوم — تست ارتباط LoRa

اول هر دو واحد رو نزدیک هم قرار بده. بررسی کن که گیرنده شروع به نمایش داده لحظه‌ای بکنه و مقدار RSSI روی OLED دیده بشه. هرچی مقدار RSSI به صفر نزدیک‌تر باشه (مثلا 50-)، سیگنال قوی‌تر از یه مقدار مثل 100- است.

🔹 قدم سوم — تست داشبورد

1. موبایل یا لپ‌تاپت رو به همون شبکه وای‌فای وصل کن
2. مرورگر رو باز کن و آدرس آی‌پی گیرنده رو وارد کن

بررسی کن که مقادیر لحظه‌ای به‌درستی و روان به‌روزرسانی بشن، نمودارها درست بارگذاری بشن و روشن و خاموش کردن رله فوری کار کنه.

+7

تو این مرحله هر دو رابط مدیر و کاربر داشبورد کنتور برق رو تست می‌کنیم. این کار مانیتورینگ لحظه‌ای، محاسبه صورت‌حساب، کنترل رله و پایداری کلی سیستم رو تأیید می‌کنه. برای تست ورود، مرورگر رو باز کن و آدرس آی‌پی نمایش‌داده‌شده روی OLED رو وارد کن.

اطلاعات ورود پیش‌فرض برای حساب مدیر و حساب کاربر عادی از قبل تو سیستم تعریف شده و بعد از ورود، داشبورد بسته به نقش هرکدوم به‌صورت خودکار بارگذاری می‌شه.

داشبورد مدیر امکانات کامل مانیتورینگ و کنترل سیستم رو در اختیارت می‌ذاره؛ تعداد کل دستگاه‌های متصل، میزان مصرف و صورت‌حساب ماهانه، وضعیت اتصال دستگاه‌ها و نمودار مصرف ماهانه رو نشون می‌ده و همه این‌ها بدون نیاز به رفرش صفحه به‌روزرسانی می‌شن.

🔹 مانیتورینگ جزئیات هر دستگاه

صفحه جزئیات هر دستگاه رو باز کن تا مقادیر لحظه‌ای رو بررسی کنی. باید ببینی که ولتاژ به‌طور مداوم به‌روز می‌شه، جریان با تغییر بار عوض می‌شه، توان و فرکانس پایدار می‌مونن و مقادیر مصرف درست محاسبه می‌شن. این نشون‌دهنده دقت خوانش PZEM و پایداری انتقال LoRa است.

🔹 تست کنترل رله

قابلیت سوییچ از راه دور رو امتحان کن؛ روی دکمه قطع یا وصل برق کلیک کن و ببین رله فوری واکنش نشون می‌ده و بار به‌درستی روشن و خاموش می‌شه. این کار ارتباط دوطرفه LoRa رو تأیید می‌کنه.

🔹 تنظیم صورت‌حساب و قیمت هر واحد

قابلیت‌های صورت‌حساب رو هم تست کن؛ قیمت هر واحد رو تغییر بده، تنظیمات رو ذخیره کن و ببین صورت‌حساب ماهانه به‌صورت خودکار به‌روزرسانی می‌شه.

🔹 تست داشبورد کاربر عادی

داشبورد کاربر عادی امکانات ساده‌تری برای مانیتورینگ داره؛ ولتاژ، جریان و توان لحظه‌ای، مصرف ماهانه، وضعیت صورت‌حساب و نمودار روند هفتگی رو نشون می‌ده، ولی کاربر عادی امکان کنترل رله یا تغییر تنظیمات رو نداره.

🔹 بررسی صفحه تنظیمات

وضعیت سیستم رو هم چک کن؛ شناسه دستگاه، نسخه فریمور، آدرس آی‌پی، مقدار RSSI و وضعیت اتصال لحظه‌ای همه باید درست نمایش داده بشن.

+4

حالا سیستم آماده تست در شرایط واقعیه. من تو چیدمان خودم از یه ماژول Hi-Link مدل HLK-PM01 برای تبدیل برق شهر به 5 ولت استفاده کردم، برای همین نیازی به آداپتور خارجی نداشتم. برق شهر اول به این ماژول وصل شد که به‌صورت ایمن اون رو به 5 ولت تنظیم‌شده تبدیل کرد و فرستنده رو تغذیه کرد.

بعد از اون، خط برق شهر دقیقا طبق نقشه سیم‌کشی به ماژول PZEM004T وصل شد. سیم فاز از ترمینال‌های ورودی و خروجی PZEM عبور کرد و سیم نول هم مستقیم به بار وصل شد.

به محض روشن شدن، صفحه TFT بلافاصله مقادیر لحظه‌ای رو نمایش داد و OLED گیرنده هم آدرس آی‌پی و وضعیت اتصال رو نشون داد. باز کردن داشبورد وب هم تأیید کرد که مقادیر ولتاژ، جریان و توان به‌طور روان و لحظه‌ای به‌روزرسانی می‌شن.

برای تست، از یه لامپ ال‌ای‌دی ده‌واتی به‌عنوان بار استفاده کردم و سیستم رو بیشتر تو طول یه شب راه‌اندازی کردم. چون بار کوچیک بود و مدت کوتاهی استفاده شد، مقادیر مصرف انرژی نمایش‌داده‌شده تو داشبورد پایینه؛ ولی هدف این تست، بررسی پایداری، ارتباط و دقت سیستم بود، نه اندازه‌گیری بلندمدت.

تو طول تست، فرستنده ولتاژ، جریان، توان و فرکانس رو به‌درستی اندازه گرفت. گیرنده هم همه مقادیر رو دقیق و با به‌روزرسانی روان نمایش داد. حتی با بار کوچیک، مقادیر همچنان پایدار و سازگار موندن.

در مجموع، سیستم عملکرد خوبی داشت و نتایج دقیقی برای شرایط تست ارائه داد. اگرچه تو این تست فقط از یه لامپ ده‌واتی استفاده شد، ولی این چیدمان کاملا توانایی مدیریت بارهای بزرگ‌تر و مانیتورینگ بلندمدت در کاربردهای واقعی رو داره.

این آموزش از آیسی‌مدار کل روند ساخت این پروژه رو، از نمونه اولیه روی بردبورد تا نسخه نهایی و دائمی روی برد سوراخ‌دار، به‌طور کامل پوشش داد. امیدواریم این پروژه رو خودت هم بسازی و اگه سوالی داشتی، تو بخش نظرات باهامون در میون بذاری.