一、项目概述与硬件选型：ESP32芯片、传感器与执行器
大家好，欢迎来到这门课的第一讲。做智能家居能耗统计，说白了就是两件事：测准了，然后控住了。测不准，数据就是废的；控不住，方案就是摆设。今天咱们就从芯片选型开始，一步步把硬件底子搭起来。
1.1 ESP32芯片：为什么选它？
我个人习惯，做这类联网的嵌入式项目，首选就是ESP32。为什么？你想想看，它集成了Wi-Fi和蓝牙，双核处理器，主频能到240MHz，关键是——便宜。一块模组十几块钱，比单独买MCU加无线芯片划算多了。
我在项目中遇到过用STM32+ESP8266的方案，结果调试Wi-Fi驱动就花了两周。ESP32直接原生支持，省心不少。而且它的ADC有12位精度，采样家电的电流信号基本够用。
核心参数速览：
- 双核Xtensa LX6处理器，主频240MHz
- 520KB SRAM + 4MB Flash（常见配置）
- 2.4GHz Wi-Fi 802.11 b/g/n + 蓝牙4.2
- 12位ADC，最多18个通道
- 支持FreeRTOS，开发环境用Arduino IDE或ESP-IDF
嗯，这里要注意：ESP32的ADC线性度一般，尤其是靠近电源轨和地轨的时候。我建议只使用中间60%的量程，这样误差能控制在1%以内。
1.2 智能家居能耗场景分析
咱们先理清场景。家庭能耗大户无非这几类：
- 空调/暖气：功率大，启停频繁，峰值电流冲击明显
- 冰箱：间歇工作，压缩机启动瞬间电流可达额定值3-5倍
- 热水器/电饭煲：纯阻性负载，功率因数接近1，好测
- 电视/电脑：开关电源负载，谐波多，对采样精度要求高
说白了，不同负载的电流波形差异很大。纯阻性负载是正弦波，开关电源负载是尖峰脉冲。你用一个普通的电流互感器，采样率不够，测出来的数据可能差30%。
我的经验：对于空调这类大功率设备，建议单独用一路高精度计量芯片（比如HLW8032），不要和普通插座共用ADC通道。否则干扰会让你怀疑人生。
1.3 核心传感器选型：电流/电压模块
传感器选型是这章的重头戏。我踩过的坑不少，今天直接给你们避坑指南。
电流传感器
家用场景，主流方案有三种：
| 类型 | 典型型号 | 量程 | 精度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 电流互感器（CT） | SCT-013-030 | 0-30A | ±1% | 空调、总进线 |
| 霍尔效应传感器 | ACS712-20A | ±20A | ±1.5% | 普通插座、小家电 |
| 专用计量芯片 | HLW8032 | 取决于采样电阻 | ±0.5% | 高精度场景 |
我曾经用ACS712做冰箱监测，结果发现数据波动很大。后来查资料才知道，霍尔传感器对磁场敏感，冰箱压缩机启动时的磁场干扰会导致读数跳变。后来换成SCT-013加运放电路，问题就解决了。
警告：使用电流互感器时，二次侧绝对不允许开路！否则会产生高压，击穿设备甚至伤人。我习惯在输出端并联一个5.1V的齐纳二极管做保护。
电压传感器
电压测量相对简单。家用电压220V±10%，用电阻分压网络降到ADC可接受范围就行。我常用的方案：
- 两个100kΩ电阻串联分压，中间抽头接ADC
- 分压后电压约1.1V（220V峰值311V，分压比200:1）
- 加一个0.1μF电容滤波，消除高频噪声
// 电压采样代码示例（Arduino框架）
float readVoltage() {
int raw = analogRead(34); // ADC通道
float voltage = raw * (3.3 / 4095.0); // 转成电压值
voltage = voltage * 200.0; // 补偿分压比
return voltage * 1.414; // 有效值转峰值（实际需RMS算法）
}
嗯，这里要说明一下：上面代码只是示意。实际项目中要用均方根（RMS）算法，因为电网波形不是完美的正弦波。我一般采集128个点做一次RMS计算，效果不错。
1.4 继电器与执行器选择
控制端，继电器是主力。选型主要看三点：触点容量、线圈电压、响应速度。
继电器选型表
| 型号 | 触点容量 | 线圈电压 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| SRD-05VDC-SL-C | 10A 250VAC | 5V | 普通插座、灯光 |
| HF32F-005 | 16A 250VAC | 5V | 空调、热水器 |
| 固态继电器（SSR） | 25A 380VAC | 3-32VDC | 频繁开关、无触点 |
我个人习惯，大功率设备用HF32F，余量留足。小功率用SRD，便宜够用。固态继电器虽然贵，但无触点、无火花，适合频繁开关的场景，比如电暖器调温。
避坑指南：我曾经用5V继电器直接接ESP32的GPIO，结果驱动不了。因为ESP32的GPIO最大输出电流只有12mA，而5V继电器线圈需要约70mA。必须加三极管或光耦驱动。推荐用ULN2003达林顿管阵列，一个芯片能驱动7路继电器。
// 继电器驱动电路示意（伪代码）
// GPIO 26 -> 1kΩ电阻 -> 三极管基极
// 三极管集电极 -> 继电器线圈 -> 5V电源
// 继电器线圈并联1N4007续流二极管
void controlRelay(int pin, bool state) {
digitalWrite(pin, state ? HIGH : LOW);
// 注意：继电器吸合瞬间电流大，建议加100μF电解电容滤波
}
小结
这一章咱们把硬件底子搭好了。ESP32做主控，电流传感器用SCT-013或ACS712，电压用电阻分压，继电器按功率选型。下一章我会讲电路连接和PCB设计，到时候咱们把今天选的这些元件焊到一起。
记住一句话：硬件选型省下的时间，迟早要在调试里加倍还回来。别贪便宜，别图省事。好，今天就到这里。