使用ESPHome、Home Assistant和DFRobot传感器构建有线自动化系统

在翻新我的工作室时，我决定为未来的自动化做好准备，而不是依赖Wi-Fi设备。每面墙上的开关和插座位置都额外增加了网线，为传感器、开关和控制器提供了可靠的通信通道。

这种方法在安装时需要付出更多努力，但带来了多项重要优势：通信稳定、不受Wi-Fi拥堵影响、支持与兼容设备的以太网供电(PoE)，以及分布式传感器功耗显著降低。

本项目的目标是自动化两项日常任务：

•当有人进入时自动开启车间灯光，房间空置15分钟后关闭所有灯光。

•根据人员占用情况和室内二氧化碳浓度控制通风系统，确保空气新鲜，避免不必要的风机运行。

为了实现这一点，我使用了两个最近发布的DFRobot传感器：

•C4002 毫米波人体存在传感器，用于可靠的人体存在检测。

•STCC4 二氧化碳传感器，用于监测空气质量并控制通风系统。

为什么选择有线连接而不是Wi-Fi?

无线智能家居设备安装简便，但随着系统规模扩大，也会带来一些明显限制。每台电池供电的传感器都需要定期维护，Wi-Fi网络会随着时间推移变得越来越拥挤，而系统的可靠性则取决于无线电信号覆盖范围。

由于装修期间我的工作室墙壁已经开放，添加以太网线的成本相比整个项目来说非常低。这一小决策使得我们能够构建出一个自动化系统，其行为更接近工业控制设备，而非典型的家用智能家居。

包括以下好处：

•可靠的有线通信

•无需依赖Wi-Fi覆盖

•远程设备功耗更低

•支持PoE(电源即以太网)，适用时

•轻松实现未来扩展，无需再次拆除墙体

当然，有一个明显的缺点——在完成房间之前，你必须先规划好布线。

系统概览

自动化系统由两个通过以太网连接的ESPHome设备组成。

第一台设备是DT-R008以太网继电器控制器，作为中央PLC，负责切换车间照明、读取墙壁开关、控制通风风扇，并通过以太网与Home Assistant通信。

第二个设备基于WT32-ETH01模块构建，作为环境监测节点。它从DFRobot传感器收集数据，并通过ESPHome将数据报告给Home Assistant。

这种分离使控制逻辑保持模块化。继电器控制器专注于切换负载，而传感器节点则负责环境测量和占用检测。由于两者通过以太网连接，系统完全独立于Wi-Fi。

当前的实现自动化了两项任务：

•照明 - C4002毫米波传感器可检测到人员在场并自动开启灯光。如果车间空置15分钟，灯光及其他选定设备将自动关闭。

•通风 - 每10分钟，Home Assistant会检查STCC4传感器报告的二氧化碳浓度。如果在车间有人时，空气质量下降至设定阈值以下，通风风扇将自动启动。

实际的自动化逻辑在 Home Assistant 中运行，而 ESPHome 设备均将传感器和输出暴露为标准实体。

硬件

该项目有意使用大多数现成的组件。除了定制的3D打印传感器外壳外，其他所有部件均可从常见的电子供应商处购买。

•DT-R008 以太网继电器控制器——主PLC，负责负载切换、输入读取以及与Home Assistant通信。

•WT32-ETH01 - 用于作为专用传感器节点的带以太网功能的ESP32模块。

•DFRobot C4002 - mmWave 人体感应器，用于人员占用检测。

•DFRobot STCC4 - 用于空气质量监测和通风控制的CO2传感器。

•MeanWell HDR-30-12 - 用于继电器控制器和继电器的12V DIN导轨电源。

•5V交流-直流电源 - 为WT32-ETH01传感器节点供电。

•DIN导轨继电器——控制车间照明，并提供状态反馈的手动 override 功能。

•以太网(UTP)布线 - 为所有ESPHome设备提供可靠的有线通信。

为什么选择PLC而不是独立的智能继电器?

该项目的目标之一是可靠性。

无需在每面墙开关后安装独立的Wi-Fi中继器，所有线路都集中于一个控制面板内。这种做法大大简化了维护工作，并可将整个电气系统集中管理于一处。

另一个重要优势是，即使 Home Assistant 或网络不可用，墙开关仍会继续运行。

继电器 #8 与手动墙开关连接，构成一个双向开关。该电路驱动一个独立的 DIN 导轨继电器，实际为照明电路供电。DIN 继电器上的额外辅助触点向 DT-R008 提供反馈，使 Home Assistant 能够了解灯光的真实状态，无论其是手动还是自动开关。

对于多档通风风扇，继电器1-3取代了原有的机械选择开关。它们串联连接，因此每次只能使一个风扇档位通电，从而防止因软件或配置错误导致的意外短路。

构建控制面板

为了容纳所有所需部件，我按所需尺寸裁剪了一个安装板，并安装了DIN导轨、线夹以及用于电缆管理的走线槽。

布线

实际的布线过程并不困难，而是重复性的。每根电线都需要测量、剪断、剥皮、穿过布线管道，并进行端接。

尽管耗时，但仔细规划线缆布线能大大方便日后故障排查。

完整的接线图已附在本项目中，因此我不会在此重复每一条连接。相反，我想解释一些使系统可靠的设计决策。

手动控制照明

我的一个要求是，即使 Home Assistant、ESPHome 或网络不可用，工作坊的灯光也必须继续工作。

为此，Relay 8 和墙开关被连接成一个双向开关。它们并不直接切换照明电路，而是控制一个独立的DIN导轨继电器，该继电器为灯具供电。

DIN继电器的辅助触点连接回DT-R008数字输入端，用于反馈照明电路的实际状态。

因此，无论灯光是手动还是自动开关，Home Assistant 都能始终知道它们是开启还是关闭。

安全风扇转速选择

车间通风风扇支持多种风速设置。

我并未用单个继电器替换原有的选择开关，而是专门将三个继电器用于风扇转速控制。

这些继电器串联连接，以模拟原始的旋转开关。这种接线方式可确保每次仅能激活一个速度，防止因软件错误或配置问题导致多个绕组意外启动。

这种硬件保护使系统比仅依赖软件逻辑要稳定得多。

为什么选择以太网?

许多DIY自动化项目完全依赖Wi-Fi，但我特意在核心基础设施上避免了它。

ESPHome设备仅通过以太网进行通信，提供：

•稳定通信，无信号中断

•确定性延迟，

•无需依赖Wi-Fi覆盖

•微控制器功耗更低，

•为未来支持PoE的设备预留空间。

由于在车间翻新期间已安装了以太网线，之后添加新设备只需连接到现有网络即可。

刷写 DT-R008

DT-R008 配备了出厂固件，已支持 MQTT 和 Home Assistant 集成。对许多用户而言，该固件已完全足够，无需任何修改。

不过，我想将继电器控制器集成到我现有的ESPHome生态系统中，因此决定更换出厂固件。

如果你打算这样做，请务必订购DT-R008的开发者版本。标准版本配备ESP32，可防止重刷，而开发者版本则允许上传自定义固件，无需硬件修改。

为了支持 ESPHome，我使用了 kecajtop 提供的优秀组件 dtr0xx_io，它可实现与继电器板的原生集成。

调试端口引脚布局：

1 - 地线

2 - IO3(U0RXD/RS485 接收)

3 - IO1(U0TXD/RS485_TX)

4 - NRST

5 - IO0(RMII_RST/PWR)

6 - 3.3V

7 - IO4(CAN_RX)

9 - IO5(CAN_TX)

传感器节点

该工作坊使用基于WT32-ETH01的专用以太网传感器节点。与将每个传感器直接连接到继电器控制器不同，这个独立节点负责处理所有环境监测，并通过ESPHome将测量数据发布给Home Assistant。

该节点结合了两个DFRobot传感器：

•C4002 毫米波人体感应器，用于人员占用检测。

•STCC4 二氧化碳传感器，用于室内空气质量监测。

两个传感器通过不同的接口进行通信。C4002 使用 UART，而 STCC4 通过 I²C 进行通信，因此它们与 WT32-ETH01 配合良好。

为了简化安装，我设计并3D打印了一个新的外壳，用于容纳传感器和WT32-ETH01模块。STL文件已随本项目附上。

STCC4 二氧化碳传感器

STCC4 是一种基于热导率测量的低功耗二氧化碳传感器。虽然它并非实验室级仪器，但其精度完全满足需求控制通风的要求。

该传感器可测量500 ppm至5000 ppm的二氧化碳浓度，典型精度为±100 ppm。在实际应用中，这一精度足以判断车间内是否需要换气。

另一个实用的功能是内置的温湿度传感器，用于内部补偿。如果需要更高的温度精度，也可以连接外部传感器。

测试过程中，CO2读数证明其稳定且响应足够，适合自动化使用。

ESPHome 支持

在构建此项目时，STCC4尚未包含在官方ESPHome版本中。

幸运的是，我找到了 will-tm 提交的一个开放的拉取请求，其中已经包含了该组件的可用实现。

我直接在我的项目中使用了该实现，而不是等待拉取请求被合并。

对应仓库已链接在本项目的致谢部分。

C4002 毫米波存在传感器

存在检测是整个自动化系统中最重要的部分之一。

C4002 的检测距离可达 11 米，并可为每个距离段分别设置灵敏度阈值。此外，它还配备环境光传感器，可根据需要实现基于光照的额外自动化功能。

遗憾的是，软件支持最初不如硬件那么完善。

改进 ESPHome 组件

DFRobot 社区为 C4002 提供了一个外部 ESPHome 组件。

虽然它暴露了传感器的基本功能，但无法提供许多用于正确调优所需的配置参数。

如果没有这些设置，我注意到有几个问题：

•测量的距离明显大于实际距离。

•读数在移动过程中波动显著，

•夜间发生了误报。

为了解决这些问题，我重写了ESPHome组件，并实现了传感器协议中暴露的缺失配置命令。

更新后的组件支持以下配置：

•灵敏度模式

•按区域检测阈值

•检测参数

•附加诊断实体

完整的源代码可在 GitHub 上获取，并在项目资源中提供链接。

传感器校准

启用自动校准后，我检查了传感器生成的阈值，并根据我的车间需求进行了微调。

我还将传感器切换到0.2米灵敏度模式，显著提高了距离估计的准确性。

差异立刻就显而易见了。

校准前，测量的距离与实际位置可能相差近一米，行走时还会出现较大的波动。

经过校准和适当的阈值调整后，读数变得更加稳定，并且与实际距离非常接近。

最重要的是，夜间偶尔出现的误检问题已完全消失。

关于毫米波传感器的说明

最初，我打算将C4002直接与另一个我已使用的毫米波传感器进行比较。

然而，测试发现了一个意外的问题。

当两个传感器同时工作且检测区域重叠时，它们会相互干扰。C4002持续报告存在状态，而第二个传感器的准确性明显下降。

尽管这种行为取决于传感器的安装位置和运行条件，但它提醒我们：在未进行周密规划的情况下，不应让多个毫米波传感器同时监控同一区域。

正确的放置与正确的配置同样重要。

Home Assistant 自动化

由于所有实体都在 Home Assistant 中可用，自动化逻辑变得简单明了。

我更倾向于将自动化功能留在 Home Assistant 中，而不是将复杂的逻辑嵌入微控制器。这样可以更方便地维护、调试和扩展功能，而无需重新刷写设备。

自动照明

照明自动化设计得十分简洁。

每当C4002检测到有人时，车间灯光就会自动开启。

如果15分钟内未检测到有人，Home Assistant 就会认为工作坊已被离开，并关闭灯光及其他非必要设备。

夜间，可配置的静默时段会禁用自动灯光开启功能，防止系统因意外检测而打开灯光。

这种组合在日常使用中已被证明可靠有效，同时对进入车间的任何人完全透明。

智能通风

通风控制结合了两个传感器的信息。

每十分钟，Home Assistant 会检查当前的二氧化碳浓度。

如果：

车间里有人在，

•二氧化碳浓度超过设定阈值，

•通风扇会自动开启。

空气质量改善或车间空置后，风扇将再次关闭。

这种方法在长时间工作期间可保持舒适的空气质量，同时避免不必要的风扇运行。

为什么选择 Home Assistant?

尽管ESPHome能够本地运行自动化，但Home Assistant为该项目提供了多项优势：

•自动化逻辑无需重新刷写设备即可修改。

•所有传感器和执行器均可通过一个界面访问。

•历史数据有助于调整阈值，

•仪表盘让监控变得简单，

•可随时添加额外的自动化功能。

将设备专注于硬件控制，同时让 Home Assistant 负责决策，从而实现了职责的清晰分离。

结果

这个系统已经在我的工作室运行了几周，有线方式的确如我所期望的那样。

每当我进入车间时，灯光就会自动开启，离开后自动关闭，完全无需再费心考虑。

通风系统可在长时间工作期间控制二氧化碳浓度，同时在车间无人时避免不必要的风机运行。

同样重要的是，手动墙开关仍可独立于Home Assistant运行，因此即使自动化系统暂时无法使用，车间依然可以完全正常运作。

使用以太网代替Wi-Fi也取得了成功。通信完全稳定，我不再需要担心无线信号覆盖或电池供电设备的问题了。

结论

搭建有线自动化系统比安装一组Wi-Fi智能设备需要更多的规划，但最终成果值得付出的努力。

ESPHome、Home Assistant、以太网以及DFRobot C4002和STCC4传感器的结合，为车间自动化提供了可靠且响应迅速的解决方案。更重要的是，模块化架构使得系统能够随着新需求的出现而轻松扩展。

如果您计划新建车间或翻新现有车间，我强烈建议从一开始就考虑有线基础设施。即使您不立即实现全部自动化，但在关键位置提供以太网连接，也能为未来的项目带来更大的灵活性。

本文编译自hackster.io