광교아이파크::거실 조명 Apple 홈킷 연동 (2)

2. Design

미국 텍사스에 폭설이 와서 배송이 많이 지연될 것 같다는 연락을 받았다

마냥 기다리자니 뭔가 허전에서 회로 설계랑 PCB Artwork까지 미리 해두기로 결심

 

Bestin Wallpad 분해 후 동작 분석 결과, 거실 조명 제어를 위해 필요한 기능을 정리하면 다음과 같다

• Micro Controller Unit (2 Port 이상의 GPIO 필요) 

• 네트워크 연결 (best: 무선, WiFi)

• 월패드의 터치 패널도 기존과 동일하게 동작해야 함 (중요)

• 조명 상태 변경을 위한 Analog Voltage 출력

• 벽 내부에 장착될 수 있도록 PCB Dimension 최소화

• 비용 최소화

위 요구사항들을 토대로 필요한 IC들을 선정해봤다

IC	Description
ESP8266-12 (E or F)	over 12 GPIO, UART / I2C / SPI Communication WiFi Wireless Network Arduino IDE Compatible
AZ1117CH-3.3TRG1	3.3V Regulator (ESP Module Operating Voltage)
TMUX1237	2:1 (SPDT) General Purpose Switch
CP2102	USB-UART Converter (Firmware Upload, Serial Communication)
MCP4725	1Channel 12-bit DAC, I2C Communication

번거롭게 USB-UART 변환모듈을 위한 핀헤더를 배치하느니 그냥 컨버터 IC를 박아넣기로 했다

DC +5V는 월패드의 케이블에서부터 얻을 수 있을 것 같다 (전류는 충분하겠지...?)

 

ESP-12E/F는 펌웨어 업로드하고자 할 경우, 전원 인가 (혹은 Reset) 전에 다음과 같이 GPIO가 설정되어 있어야 한다

ESP-12E/F Firmware Upload GPIO Setting Guide, 출처: 데이터시트

데이터시트는 링크에서 확인 가능하다

펌웨어 업로드 시 매번 GPIO 하나하나 풀업 / 풀다운 저항을 설정하기는 번거로우니깐 SPDT 스위치 하나 달아서 필요할 때마다 모드를 스위치해주도록 한다 (테이블 보면 GPIO0만 바꿔주면 된다)

 

ESD 보호회로나 전력 안정화용 제너다이오드 등은 제외하도록 한다 (비용 최소화)

(정식으로 어디 판매할 제품도 아닌데 뭐 ㅎㅎ)

 

회로 설계 툴은 Altium Designer (Version 20.1.14)를 사용했다

Allegro OrCAD는 PCB Designer가 라이센스가 만료되는 바람에 더는 사용하지 못하고 있다

 

전체 회로 설계 Schematics는 다음과 같다

회로 설계 Schmatics

한페이지에 억지로 구겨넣다보니 가독성이 상당히 떨어진다

• 몰렉스 커넥터 두 개를 Mirror로 구성, 신호 bypass (터치패널 그대로 동작할 수 있도록)

• ESP-12E/F의 GPIO14번을 조명 1 상태 신호와 연결하고, GPIO12번을 조명 2 상태 신호와 연결

• ESP-12E/F의 I2C (GPIO4, 5)를 MCP4725 (DAC)의 I2C와 연결

• 몰렉스 커넥터의 조명 제어 신호 (아날로그)와 DAC의 출력을 2:1 MUX의 입력 신호로 구성

  MUX의 셀렉터 신호는 ESP-12E/F의 GPIO13 과 연결

• ESP-12E/F 펌웨어 다운로드 / 정상 동작 모드 변경을 위한 DPDT 스위치 구성

  펌웨어 다운로드 시 USB 전원을 전체 회로 동작 전원으로 선택

  일반 동작 시 몰렉스 커넥터로부터 인가된 +5V 전원을 전체 회로 동작 전원으로 선택

• 테스트를 위해 거의 모든 신호 라인들은 중간에 저항으로 분리

아트웍 결과물은 다음과 같다

PCB Artwork, 3D View, Top

PCB Artwork, 3D View, Bottom

PCB Artwork, 2D View, Top Layer Copper

PCB Artwork, 2D View, Bottom Layer Copper

비용 최소화를 위해 2층으로 구성

(한눈에 봐도 알겠지만, 그다지 정성을 들이고 싶지 않아서 라우팅을 정말 대충대충했다, 어떻게든 전기만 통하면 된다는 마인드로..)

PCB 크기는 가로 40mm, 세로 50mm로 나름 잘 구겨넣었다

 

Bottom 면에는 일부러 부품 실장을 한 개도 하지 않았다

3D 프린터로 케이스를 제작할까도 생각해봤는데, 어차피 벽 안에 집어넣을꺼라 밖에 보이지도 않는데 뭐하러 만들까싶어서 그냥 뒷면에 양면테이프 붙여서 안쪽에 고정할 생각이다

(Top면에만 실장하면 솔더링할때도 편하다..)

 

샘플 PCB 제작은 디바이스마트의 메이커서비스를 이용하기로 했다

(나름 가격이 합리적이라고 생각한다)

샘플 PCB 견적

회로 설계할 때 나름 심사숙고하긴 했는데, 한방에 동작하지 않을 가능성도 있으니 샘플 PCB 4장에 4만원정도면 나쁘지 않아보인다

 

주문까지 완료했으니 이제 PCB랑 부품 도착을 기다리면 된다

(해외배송은 주문했다는 사실을 까먹을때쯤 되면 도착하는 묘미가 있다)

 

[시리즈 링크]

광교아이파크::거실 조명 Apple 홈킷 연동 (1)

광교아이파크::거실 조명 Apple 홈킷 연동 (2)

광교아이파크::거실 조명 Apple 홈킷 연동 (3)

광교아이파크::거실 조명 Apple 홈킷 연동 (4)