ESP-01S繼電器模組－最便宜的智慧開關？！

對，它很便宜，百元有找，目前我還沒有看到比它更低價的智慧開關，不過說到底，它只是個模組，所以需要具備一些基礎知識，才有辦法讓它發揮效用。

本文將分享如何透過ESP-01S繼電器模組搭配Tasmota韌體並以MQTT協定串連至Home Assistant (HA)。文中亦會提及ESP-01S使用上的問題，以及解決方法。

動機

事情是這樣的： 家裡廁所的電燈開關是跟抽風機並聯的，所以電燈跟抽風機是同時開關的。這是一個常見的設計，但是滿不理想的，因為：

  1. 洗完早廁所濕度飆高，離開廁所必須要把燈開著抽風機才會保持運作，但是會忘記關啊！
  2. 有時候濕氣很重想把抽風機打開，但是燈也得跟著打開，挺浪費電的，而且，還是會忘記關啊！

我曾經想過要把抽風機的線單獨拉出來給並它一個獨立開關，但是：

  1. 拉線很煩，人生好難
  2. 我可能會忘記開，開了也不知道要開多久，重點是：我還是會忘記關啊！

解決方法： 一切就交給廁所的濕度去決定抽風機開關就好了啊！

材料

  • 濕度計
  • ESP-01S
  • ESP-01S繼電器模組
  • 470μF電容
  • 110V轉5V降壓模組

以下是關於材料的詳細說明：

電源

ESP-01S繼電器模組的工作電壓是5V，但ESP-01S的工作電壓是3.3V，不過不用擔心，模組本身有AMS1117去做降壓的動作，所以請放心以5V供電即可。我的話是直接拿5V USB變壓器做供電來源，如果你身邊有手機充電器，多半也都是可以用的，建議輸出電流至少要1A以上。

ESP-01S繼電器模組

網路上有兩種版本：

  1. ESP-01S Relay v1.0
  2. ESP-01S Relay v4.0

兩者長得差不多，但v4.0多了一個PC817光耦元件去做隔離市電與控制電路（當然還有其他部分的提升，就不在此贅述），所以買得時候注意一下，因為賣家不一定會標示清楚，請務必注意！

esp_relay_v1_vs_v4

濕度計

只要能夠接入HA的濕度計都好。我自己是用小米藍芽溫濕度計2。

mi_th

接線

此圖僅供參考，接線時請以背板的標示為主。

esp_wiring

等等，好像有bug？

在通電的那瞬間，繼電器會發出「啪啪」兩聲，那是繼電器快速開關的聲音。請看以下影片：

雖說繼電器模組會保持通電狀態，所以也只會發生在第一次接上去的時候，不過如果遇到停電復電的狀況，那就不有趣了，而且這件事情對電器本身傷害也是挺大的。

該如何解決呢？

TL;DR

拿一個470μF電容與PC817並聯即可。
電容正極焊接至PC817的Pin1（左上角)
電容負極焊接至PC817的Pin2（左下角)

請務必不要接反！

以下是我焊完的樣子，不過被ESP-01S擋住了，所以請參考別人的完工圖。

cover_photo

原理

此模組是用GPIO0透過PC817去控制繼電器，而GPIO0在通電瞬間會被上拉，隨即降至0V，所以會有「瞬間開關」的狀況。並聯電容的目的就是不要在通電瞬間讓電流經過PC817的Pin1與Pin2，而是優先走向阻抗較低的電容。根據這篇文章的實驗，這個「瞬間」大概是0.1秒，所以我們只要讓電容充電時間大於0.1秒即可，而根據RC時間常數公式，我們可以計算出：

τ = R x C = 470Ω x 470 μF ≈ 0.2 sec

而0.2秒> 0.1秒，所以解決了「瞬間開關」的問題（參考：Github）。

其他解法

以下兩種是其他網友分享的經驗，也可以試試看。

  1. 改用GPIO3(RX)控制繼電器
    我覺得其實這個方法是最好的，因為GPIO3在通電時就會保持0V，是個穩定可用的Pin。 有人是在pin那邊動手腳，有人則是直接改PCB的電路。

  2. 在VCC加上一個10KΩ的電阻，然後在GPIO0到GND之間也加一個10KΩ的電阻 網友Arismane在Github上面提到此做法，接線圖可以參考這裡。

所以，到底發生什麼事情了？

此模組是用GPIO0來控制繼電器，而萬惡的起源就是這個GPIO0。上面提到，在ESP8266通電的時候，約莫有0.1秒的時間GPIO的電壓不會是0V。這是bug嗎？並不是，ESP8266設計上就是這樣。GPIO0如果在啟動階段被下拉了，那就是準備進入燒錄模式，所以GPIO0其實不算是一個「可以放心使用的Pin」。

網路上的討論

上網研究了一下，發現這個問題已經被討論到爛掉了，以下是我整理出來的連結：

  1. How to prevent flickering relay upon waking from deep sleep using ESP01 board? (StackExchange)
  2. Relays triggers on boot of ESP-01 (Arduino Forum)
  3. ESP8266 RELAY MODULE (Arduino Forum)
  4. ESP-01/01S RELAY V4.0 FLICKER ON STARTUP (ESP8266 Forum)
  5. LED FLICKER DURING ESP-01 STARTUP (GPIO0 / GPIO2 USAGE) (ESP8266 Forum)
  6. Relay flickers on boot #1 (Github)
  7. GPIO Pins goes “HIGH” a short pulse on boot #421 (Github)

看完這麼多，你是不是覺得…我幹嘛不要用這個模組就好了…

Tasmota

我是用Tasmotizer燒錄，韌體請至官網下載。 成功連到Tasmota管理頁面後，請依照下列做設定。

Configure Module

請至 Configuration > Configur Module頁面做設定。 因為此模組為低電平觸發，所以這裡將GPIO0設定為Relay_i (i 就是 inverse 的意思)，後面數字是什麼無所謂，預設為1。

tasmota_configure_module

Configure MQTT

在 Configuration > Configure MQTT下，填入MQTT broker的資訊及密碼。其他像是Client、Topic或是Full Topic，如果你不清楚這些代表的意義，用預設值即可。

tasmota_configure_mqtt

Configure Other

記得要去這邊Configuration > Configure Other 這邊把 MQTT enable 打勾。

tasmota_configure_other

Console

請至 Console頁面下，輸入SetOption19 1後，按下Enter即可。這個動作是向HA發送有關這個繼電器模組的設定，HA收到這則訊息則會將此裝置註冊完畢（前提是HA的MQTT Auto Discovery是開啟的，預設是開啟的）。

tasmota_console

Home Assistant

接下來，在HA裡面的裝置就可以看到以下畫面：

ha_device

Automation

這邊分享如何完成讓濕度控制抽風機開關的yaml檔案，不過建議是用HA提供的編輯器直接編輯會比較方便啦。

設定 濕度超過75%即開啟抽風機

alias: Turn On Exhaust Fan
description: 'Turn on exhaust fan while humidity is higher than 75%'
trigger:
  - platform: numeric_state
    entity_id: sensor.humidity  # 請填入濕度計的entity_id
    above: '75'
condition: []
action:
  - type: turn_on
    device_id: 80049305cc3488cf17c135a21694fb92
    entity_id: switch.exhaust_fan
    domain: switch
mode: single

設定 濕度低於75%即關閉抽風機

alias: Turn Off Exhaust Fan
description: 'Turn off exhaust fan while humidity is lower than 70%'
trigger:
  - platform: numeric_state
    entity_id: sensor.humidity
    below: '70'
condition:
  - condition: device
    type: is_on
    device_id: 80049305cc3488cf17c135a21694fb92
    entity_id: switch.exhaust_fan
    domain: switch
action:
  - type: turn_off
    device_id: 80049305cc3488cf17c135a21694fb92
    entity_id: switch.exhaust_fan
    domain: switch
mode: single

結語

使用安全上請注意不要超過繼電器上標示的最大電流，接線時也請務必斷電，以免造成危險。這麼便宜好用的東西，不用嗎？我覺得很可以！ （好啦，其實時間才是最貴的部分…）