이런저런 짝퉁 IoT(ESP12 IoT 전등 스위치 제작, 멀쩡한 선풍기 IoT 선풍기로 만들기)를 만들고 보니, 얘는 여기서 제어하고 쟤는 저기서 제어하는게 맘에 들지 않았다. 이사도 온 김에 다 새로 만들기로 했다. 이전 버전을 만든 지도 3년이 지났으니, 뭔가 개선할 수 있을 것 같았다. 한 화면에서 개조한 것들을 전부 제어할 수 있도록 Google Home 같은 걸 만들어 보기로 했다. 그냥 구글 홈을 사면 되잖아?
문제 1
위 ESP12 IoT 전등 스위치의 최대 단점은, 별도의 전원 공급이 필요하다는 거다. 가정용 AC 전원은 활선(Line)과 중성선(Neutral)으로 구성되어 있다. 요즘 아파트들은 스마트홈을 구축한다고 스위치박스에 중성선도 들어가는 것 같지만, 대부분 아파트의 스위치박스에는 활선과, 부하(전등 등)에 연결된 로드선(Load)만 들어 있다. 중성선은 전등의 로드선 반대편 단자에 전기공사되어 벽이나 천장 속에 들어 있다.
스위치를 켜면 활선 - 스위치 - 로드선 - 전등 - 중성선 순으로 연결되어 전등이 전원을 공급받는다. 여기서 스위치의 양쪽에는 활선과 로드선만 있기 때문에, 이걸 가지고 상시 전원을 만들어낼 수는 없다.. 라고 생각했는데, 방법이 있기는 한 것 같다. 근데 저런 회로까지 만들 자신은 없었다.
문제 2
스위치박스에 중성선이 없다면 있는 곳으로 찾아가면 된다. 부하인 전등은 스위치를 켜면 양 전선이 활선과 중성선이 되어 전원을 공급받는다. 여기에 제어 모듈을 붙여 놓고 스위치는 항상 켜 두면 된다. 다만 이러면 또 문제가 생긴다. 제어 모듈이 천장의 전등에 붙어 있어서, 수동 조작이 불가능하다.
제어를 하겠다고 릴레이를 기존 스위치와 병렬로 붙여 놓으면 위와 같은 회로가 된다. 스위치나 릴레이 중 하나만 켜져 있어도 무조건 닫힌 회로가 되어 반대편에서 아무리 조작을 해도 작동하지 않는다. 전등 제어는 무조건 제어 모듈에 맡기고, 수동 조작 스위치도 제어 모듈이 인식하게 만들어야 한다. ESP12 IoT 전등 스위치 제작 처럼 터치 스위치를 붙이거나, 기존 스위치를 연결해도 된다. 그래서 제어 모듈을 천장에 붙이면 또 수동 스위치 배선이 어려워진다.
할머니집에나 있던 줄스위치를 쓰는게 아니고서야...
해결책
문제가 있다면 과연 그 문제가 해결해야 하는 문제인지 곰곰히 생각해 보자. 수동 조작 스위치가 없다면 제어 모듈을 통해서 핸드폰으로만 불을 껐다 켤 수 있다. 내가 핸드폰이 없는데 방 불을 켜야 할 상황이 있을까? 핸드폰이 없더라도 컴퓨터는 거의 항상 켜져 있어 컴퓨터로도 제어할 수 있으니 가벼운 마음으로 수동 스위치는 해결을 포기하고 천장의 전등에 제어 모듈을 붙이기로 했다. 이 시스템을 만들어 사용한지 2주 정도 지났지만 아직 불편한 적은 없었다.
하드웨어
제어에는 ESP-12F 모듈을 사용한다. ESP계열 MCU들은 1달러밖에 안 하는 가격에 알리에서 살 수 있는데다 아두이노로도 프로그래밍할 수 있다. 다만 핀 피치가 2mm로 아두이노의 2.54mm와 달라 기존의 점퍼 케이블 등을 사용하기 어렵다. 그리고 로직 레벨이 3.3V라서 전원 공급용으로 쓸 핸드폰 충전기의 5V를 그대로 사용할 수 없다는 단점이 있다. 이런 단점은 사진의 하얀색 어댑터 보드로 해결할 수 있다.
어댑터 보드 뒷면에 3.3V 레귤레이터를 붙이고 앞면의 0Ω 저항인 R2를 제거하면 아래 사진처럼 5V를 주어도 ESP의 파워라인에는 3.3V가 들어간다. 다만 레귤레이터 사이즈는 AMS1117-3.3V이 딱 맞는 SOT-223 규격의 크기인데 AMS1117-3.3V은 단자 배열이 안 맞아 사용할 수가 없다. 배열은 662K와 딱 맞는데 이 친구는 SOT-23 규격이라 눈꼽만 하다. 무슨 레귤레이터를 쓰라고 PCB를 만들어 놓은 건지 모르겠다. 662k는 너무 작아 납땜하기 힘들어서 AMS1117을 어거지로 저렇게 괴상하게 배선했다.
제어할 릴레이는 흔한 5V 릴레이인데 ESP-12F의 로직 레벨은 3.3V라 신호 라인에 HIGH를 주었을 때 동작할 지 장담할 수 없다. 릴레이의 SIG 핀과 5V 핀은 충전기의 +라인과 바로 연결하여 항상 켜진 상태로 둔다. 우리는 NPN 트랜지스터를 이용해서 ESP의 GPIO 핀으로 릴레이의 GND와 충전기의 -라인을 뗐다 붙였다 할 예정이다.
나름 열심히 그렸는데..
제어 모듈인 CONTROLLER는 CHARGER라고 적힌 5V 휴대폰 충전기 회로로부터 전원을 공급받는다. ESP는 3.3V 레귤레이터를 거쳐 전원을 공급받고, 릴레이 또한 5V핀과 S핀은 모두 충전기의 +선에 연결되어 -선만 GND에 연결되면 바로 켜지면서 릴레이 스위치를 닫는다. 트랜지스터의 베이스는 GPIO핀과 연결되어 HIGH 신호를 받으면 이미터와 컬렉터 사이를 연결하는 스위치가 된다. 이미터는 충전기 -선에 연결하고 컬렉터는 릴레이의 GND에 연결하여 신호를 받으면 릴레이를 켜도록 한다. S1은 벽에 붙어있는 스위치로, 항상 켜 두어야 제어 모듈이 전원을 공급받을 수 있다.
다 만들면 이렇게 된다. ESP는 GPIO0이 LOW인 상태로 전원을 켜야 프로그램을 업로드할 수 있다. GND와 GPIO0을 연결하는 택트 스위치를 하나 붙여 편하게 업로드할 수 있도록 했다. 프로그램을 업로드하고 전등에 달아 준다. 전기공사 할 때 차단기는 반드시 내려야 하는데.. 어차피 벽 스위치가 꺼져 있어 전기 통할 일이 없으니 그냥 작업했다. 목숨이 소중하다면 차단기 작동 테스트도 할 겸 내리고 작업하자. 프로그램은 Blynk를 이용한다면 ESP12 IoT 전등 스위치 제작의 코드를 이용하면 된다. GPIO 핀 번호만 바꿔도 작동한다. 나는 서버까지 직접 만들 예정이라 서버와 소켓 통신하는 코드를 작성해서 사용했다.
코드가 작동하는지 확실히 확인하지 않으면 이런 불상사가 일어날 수 있다.
소프트웨어
갈 길이 멀다. 이제 위에서 만든 모듈과 소켓 통신하는 서버도 만들어야 하고 REST API를 위해서 Express 서버도 작성해야 한다. 앱은 만들 줄 몰라서 웹 어플리케이션으로 만들어야 하니 웹 프론트엔드도 해야 한다. Blynk 서비스를 이용하면 하나도 안 해도 된다. 그냥 회원가입하고 프로젝트 만들어서 설정 몇 개 하면 끝난다. 예전엔 Blynk 유료 버전 같은 거 누가 돈내고 쓰나 했는데 직접 만들어보니 알겠다. 그냥 돈 내는게 편하고 빠르다. 그래도 내 스타일대로 만들기로 했으니 눈물을 머금고 코딩을 한다. 돈 낼 거였으면 IoT 스위치도 사서 썼겠지. 다 만드는데 한 20시간 걸렸나…?
만든 웹 인터페이스는 IoT Control Hub에서, 서버와 프론트엔드 코드 전체는 Github 프로젝트에서 확인할 수 있다.
언제 무슨 바람이 불어 또 다른 걸 IoT로 개조하겠다고 할 지 모르니 device.js에서 확장성을 고려하여 각 장비를 Class로 구현했다. 방금 만든 전등 스위치는 신호를 받아서 껐다켰다만 해주면 되니 PassiveSwitch라고 이름을 지었다. 버튼이 방 전등 하나만 있으면 좀 썰렁해서 데스크탑 컴퓨터를 원격으로 켤 수 있게 WOL 스위치도 구현했다. 얘는 현재 상태를 알 필요도 없이 신호를 받으면 버튼을 딸깍 누르기만 하면 되니 PassiveTactSwitch라고 이름지었다.
작동 테스트
전부 다 만드는데 작업 시간으로만 꼬박 하루정도 걸렸다. 방 불 켜는데 5초, 컴퓨터 켜는 데 5초가 걸린다고 치고 하루에 불 네 번, 컴퓨터 두 번 켠다고 하면 매일 30초 정도 된다. 매일 30초의 시간을 편하게 살기 위해 24시간을 투자했으니 본전을 뽑으려면 24 × 3600 ÷ 30 = 2880일 정도 사용해야 한다. 약 7.9년이다. 그냥 구글 홈 사서 쓰는 것도 나쁘지 않을 것 같다.