Centrale Domotique Haute Intégration

Introduction : Répondre aux Défis de la Domotique Moderne

La domotique moderne nécessite une solution complète capable de surveiller et contrôler de multiples aspects d'une installation électrique : mesure de consommation multi-circuits, commande d'équipements, acquisition de données capteurs, et intégration fluide avec les systèmes de gestion domotique.

L'objectif : concevoir une centrale domotique modulaire tout-en-un, l’assemblage du PCB permet de centraliser :

• La mesure électrique haute précision de 6 circuits indépendants,

• Le contrôle de 10 relais,

• La gestion de multiples capteurs et entrées/sorties, tout en offrant une connectivité Wi-Fi et une compatibilité totale avec Home Assistant via ESPHome.

Vue d'ensemble de la centrale DomoEco V2.2 :

Haut gauche, entrée secteur, filtre EMI, transformateur mesure tension et module alimentation 12V.

Bas gauche, vue sur les circuits de comptage avec les Atmel M90E32.

Haut droite, relais de sortie avec leur bornier débrochable et circuit de commande.

Bas droite les entrées, avec optocoupleur, LED de statut et borniers respectifs.Enfin le module ESP32-Wroom-32

Architecture Électronique

Microcontrôleur et Capteurs

Le cœur du système repose sur un ESP32-WROOM32D (4Mo Flash, 240MHz dual-core, WiFi/Bluetooth) qui pilote :

• 2× Atmel M90E32AS : circuits de mesure électrique haute précision 2×3 canaux (Classe 0.2)

• PCF8575 : extension I2C 16 bits pour 6 entrées digitales optocouplées

• 10× Relais 5A : sorties tout-ou-rien (TOR) pour commande d'équipements

• 4× Entrées analogiques 0-50V : mesures de tension haute précision

• 6× Détecteurs de tension AC/DC 5-50V : surveillance présence secteur

• Capteur de température intégré : surveillance d'ambiance

• Buzzer RTTTL : notifications sonores programmables

Module de Mesure Électrique Haute Précision

Le module de mesure électrique constitue le cœur technologique de la centrale ECO-DOMO-22. Basé sur deux circuits intégrés Atmel M90E32AS, il offre des performances exceptionnelles pour la surveillance énergétique :

• Mesure simultanée de 2×3 circuits monophasés indépendants

• Précision Classe 0.2 pour l'énergie active (avec capteurs appropriés)

• Mesure de courant jusqu'à 100A par canal via transformateurs à tore ouvrant

• Calculs avancés : puissance active, réactive, apparente, facteur de puissance (cos φ), fréquence

• Détection d'harmoniques jusqu'au 39ème ordre

• Échantillonnage haute fréquence (8kHz) pour analyse de qualité réseau

• Mesure THD (Total Harmonic Distortion) et détection de surtensions

• Comptabilisation d'énergie consommée/produite (kWh) avec gestion bidirectionnelle

• Isolation galvanique complète pour sécurité maximale

• Calibration numérique pour précision optimale

• Communication SPI haute vitesse avec l'ESP32

Cette configuration est idéale pour les installations avec panneaux photovoltaïques, permettant de visualiser simultanément les flux de production et de consommation dans Home Assistant avec une précision professionnelle.

Schéma détaillé

Filtre secteur et alimentations 12V et 3V3

• Filtre EMI avec condensateur et inductance en mode commun (L_MC).

• Détection de tension.

• Alimentation 12V / 5W via un module compact HLK.

• Alimentation 3V3 via Buck XL1509.

Vue sur le filtre secteur en premier plan inductance en mode commun, et bornier d’alimentation.

En bleu, varistance 275V et les capacités de filtrage HF de type X2 en jaune.

On distingue le porte-fusible avec sa protection PVC en arrière-plan.

Cœur du montage, ESP32 WROOM-32

• Module ESP32 avec antenne Wifi intégré, alimentation 3V3 avec 2 condensateurs de découplage.

• 2 bus SPI, un par M90E32AS.

• 1 bus I2C (SCL/SDA).

• 1 sortie UART (RX1 et TX1).

• P06…P14, entrées GPIO pour détecteurs de tension.

• Une sortie pour RTTTL.

• Une broche pour DS18B20.

Plan serré de l’assemblage de PCB avec le support du module ESP32-WROOM-32.

Le module comporte l’ESP32 en lui-même avec son antenne Wifi intégré (platine soudée) mais aussi la prise USB-C,

le convertisseur USB-TTL (CH340C), LDO 5V-3V3 et les boutons Reset et Boot pour un prix très modique.

Centrale d’énergie

• Capteur de tension avec transformateur d’isolation 12V (1VA) charge résistive et diviseur de tension.

• Capteurs de courants (ici 2 voies) avec prise jack, charge des transformateurs de courant (résistances équilibrages 2x2,4Ω) et filtrage RC.

ATM90E32AS cœur de mesures électriques

• 3 entrées intensités, 3 entrées tensions (tension unique pour mesures monophasées).

• Découplage des alimentations ; digitale et analogique, (100nF).

• Séparation des masses ; digitale et analogique, (liaison en 1 point).

• Découplage de la tension de référence (Vréf).

• LED pour la visualisation des impulsions de comptage.

• Bus SPI (limité) à 1MHz pour transfert de données.

Vue sur les 2 Atmel M90E32AS. On distingue les condensateurs de découplage,

les LED indicatrices de consommations et le quartz de 16.384MHz.

Attention, le tarif de ce composant et très variable,

prendre un composant original récent si vous voulez agir les tables des registres!

Entrées/Sorties TOR

Cœur du montage PCF8575 extendeur E/S sur I2C

• Alimentation 3V3 avec découplage 100nF circuit de reset automatique RC.

• Bus I2C et adressage sur 3 bits (A0...A2).

• P00 à P05 configurées en entrées, liaison par optocoupleur.

• Alimentation de la boucle de détection en 12V / 1mA pour limiter les chutes de tension.

• P06 à P17 configurées en sortie, buffer 74HC04 afin d’augmenter le courant pour attaquer les transistors des ULN2003A.

• Commande des relais via les ULN2003A.

Au centre, le PCF8575 qui gère des E/S depuis le bus I2C, au-devant,

on devienne les optocoupleur EL817 en arrière-plan le couple ULN2003A (à droite)

et le buffer 74HC04. On peut admirer, sur le côté gauche du PCF,

la précision des gravures du PCB.

Détecteurs de tension

• Entrée en Ax-Bx sur pont redresseur.

• Limitation de courant par R, protection pour surtension via TVS bidirectionnelle et filtrage par C.

• Régulation en courant constant par couple de transistors Q dans circuit EL817 et LED.

• Sortie optocoupleur vers ESP via résistance de pull-up.

Vue sur les capacités de filtrages des détecteurs de tension, avec, à leur pied,

les transistors de sources de courant et les optocoupleurs de sortie.

En arrière-plan, les 6 connecteurs d’entrées.

Sur la gauche, l’alignement des relais de sortie et sur la droite,

les connecteurs d’entrées numériques et analogiques.

Entrées analogiques

• Diviseur de tension 1/1101 avec filtrage HF par C.

• Protection surtension par diodes Zener 3V3.

• Bus I2C et configuration adresse

• Découplage alimentation par 100nF.

• Configuration matérielle gain entrée.Précision du diviseur proche de ±0.1%.

Au centre, le convertisseur analogique numérique 4 canaux, ADS1115 avec ses diodes de protections.

Derrière, le Buzzer et de part et d’autre, les supports pour l’ESP32.

Auxiliaire DS18B20 et RTTTL

• Sonde de température Dallas One-Wire DS18B20 directement raccordée à l’ESP.

• Buzzer permettant la diffusion de sons au format RTTTL, base transistor raccordée à l’ESP.Voyant LED de présence tension 12V et 3V3.

Gestion de Puissance et Sécurité

Le système intègre une alimentation 230V AC (6VA) avec protection complète :

• Entrée secteur 230V, protection fusible 500mA et filtrage EMI.

• Régulation12V et 3V3 pour ESP32 et circuits logiques

• Isolation renforcée entre circuits 230V et basse tension, démarcation des zones très basses tensions avec la basse tension >50VAC ou 120VDC.

• Les lignes Basse tension sont protégées par le plan de terre.

• Protection contre surtensions et courts-circuits

• Transformateurs de courant 100A/50mA à tore ouvrant avec connexion jack standardisée.

• Pour faciliter la maintenance, malgré un surcout non négligeable, les borniers sont tous débrochables.

ATTENTION DANGER : Cette platine est alimentée en 230V. L'installation et la maintenance doivent être effectuées exclusivement par un personnel qualifié. Protection par disjoncteur différentiel 30mA OBLIGATOIRE.

Conception de PCB : Réalisation Professionnelle

Conception sous KiCad 8

Ce projet a nécessité la conception d'un PCB multicouche complexe (200×100mm) avec :

• Carte principale 4 couches intégrant alimentation 230V, ESP32, circuits de mesure M90E32AS

• Circuits haute tension (230V) isolés des circuits basse tension (3.3V/5V)

• Plan de terre autour des pistes véhiculant des tensions dangereuses.

• Pistes renforcées pour alimentations et commandes relais

• Plans de masse dédiés pour circuits analogiques et numériques

• Filtrage EMI soigné pour circuits de mesure haute précisionLayout optimisé pour minimiser les interférences sur signaux SPI et I2C

Travail de JLCPCB, en haut hachuré, plan de Terre, zone de la partie BT

avec piste de puissance pour les sorties relais, en bas, zone TBT

Pourquoi JLCPCB ?

Le choix de JLCPCB pour le prototypage et la fabrication de ce PCB multicouches s'est imposé pour plusieurs raisons techniques :

• PCB FR4 haute qualité : substrat époxy ignifugé parfait pour applications secteur 230V

• Gravure 4 couches : routage optimisé avec plans de masse internes pour minimiser interférences

• Cuivre 35µm (1oz) : épaisseur standard suffisante pour les courants rencontrés

• Finition HASL/ENIG : soudabilité excellente et protection longue durée

• Via métallisés 0.4mm : connexions inter-couches fiables pour continuité masse

• Sérigraphie précise : références composants lisibles, repérage connecteurs facilité

• Vernis épargne (solder Mask) : protection contre courts-circuits et oxydation

Défis de Gravure Relevés par JLCPCB

Pistes de puissance renforcées :

La carte intègre des sections transportant plusieurs ampères (contacts de puissance des relais). JLCPCB a parfaitement respecté les largeurs de pistes spécifiées sans aucun défaut de gravure.

Vue rapprochée des pistes de puissances des contacts des relais,

largeur de piste 2mm permettant un courant de 5A avec un ΔT :20°C, courant limite des relais.

Précision des pastilles CMS :

Le PCB intègre des composants aux formats variés : circuits QFN, SOT-23, composants 1206. La précision dimensionnelle des pastilles a permis un assemblage sans difficulté avec un taux de soudure à reflux de 100%.

Zoom sur l’empreinte du M90E32AS, boitier TQFP48, pas de 0,5mm,

autres composants en boitier 1206. Pistes fines 0,25mm et Vias 0,8-0,4mm.

Plans de masse continus :

Les deux plans de masse internes (couches 2 et 3) sont parfaitement continus, avec des Vias de liaisons bien réalisés. Cela garantit une référence stable pour les circuits de mesure analogique et réduit les émissions EMI.

Résultats de Fabrication

Après 2 révisions de PCB (prototypage itératif Domo-20 et 21), la qualité finale est irréprochable :

• Aucun court-circuit ou défaut de gravure détecté

• Tolérances dimensionnelles respectées (±0.1mm)

• Sérigraphie nette et lisible même sur zones denses

• Finition HASL uniforme, excellent mouillage à la soudure

• Plans de masse continus (vérifiés au testeur de continuité)

• Emballage soigné, livraison rapide (11 jours en moyenne France)

Détail sur le Pad du M90E32

Longueur :1475µm, largeur :300µm, rayon :75µm.

Épaisseur cuivre 1oz.

Intégration et Performances

La solution finale s'intègre dans un coffret pour installation sur rail DIN ou fixation murale. Configuration initiale via interface web intégrée (adresse IP, login, mot de passe), puis intégration automatique dans Home Assistant via découverte mDNS. Mises à jour Over-the-Air (OTA) via Wi-Fi pour évolutions logicielles.

Résultats d'exploitation :

• Fiabilité 24/7 : fonctionnement continu sans déconnexion depuis installation

• Précision des mesures électriques : ±1% (tension), ±2% (courant), ±2% (énergie active)

• Latence Wi-Fi : <50ms pour commandes et retours d'état

• Compatibilité Home Assistant : intégration native ESPHome, découverte automatique, entités créées instantanément

• Visualisation des flux énergétiques : graphiques en temps réel de consommation/production

• Alertes configurables : notifications sur dépassement seuils, perte d'alimentation, anomalies réseau

• Intégration écosystème étendu : compatible Domoticz, OpenHAB, Node-RED, Jeedom, MQTT

Applications et Cas d'Usage

La centrale ECO-DOMO-22 s'adapte à de nombreux scénarios domotiques :

• Monitoring énergétique complet : surveillance multi-circuits de consommation électrique (cuisine, chauffage, prises, éclairage, etc.)

• Installations photovoltaïques : suivi production/consommation en temps réel, optimisation autoconsommation

• Gestion de chauffage : pilotage intelligent convecteurs, pompes à chaleur, chaudières

• Automatisation d'éclairage : commande centralisée de l'éclairage avec scénarios horaires

• Surveillance technique : contrôle ventilations, pompes de circulation, équipements auxiliaires

• Sécurité : détection présence secteur, alarmes sur anomalies électriques, notifications instantanées

• Surveillances l’alimentation très basse tension ou batteries.

• Détection de disjonction via contacts auxiliaires.

• Possibilité de comptage, sur transistor à collecteur ouvert, eau, gaz, électricité.

• Détection ouverture sur contact sec…

Conclusion et Perspectives

Ce projet démontre qu'avec un PCB multicouche de qualité, un microcontrôleur ESP32 performant et des circuits de mesure professionnels (M90E32AS), il est possible de réaliser une centrale domotique complète offrant des capacités de monitoring et contrôle dignes des solutions industrielles, tout en restant accessible et intégrable dans l'écosystème open-source Home Assistant/ESPHome.

JLCPCB a joué un rôle crucial en fournissant des PCB de qualité professionnelle avec des capacités de routage 4 couches, une finition soignée et une fiabilité éprouvée. La possibilité de commander des petites séries (5 unités) à tarif raisonnable a permis des itérations rapides et un prototypage efficace.

À propos de l'auteur et d'Ecophot

Stéphane BLANPIED, fondateur d'Ecophot, est un ingénieur en électronique avec plus de 35 ans d'expérience dans la conception de solutions électroniques sur mesure. Spécialisé dans les domaines de l'électronique de puissance, des systèmes embarqués et de la domotique, il conçoit et fabrique des équipements professionnels adaptés aux besoins spécifiques de ses clients.

Ecophot propose des services de conception de PCB, de prototypage rapide, et de fabrication de petites à moyennes séries. L'entreprise accompagne ses clients depuis l'étude de faisabilité jusqu'à la livraison du produit final, en passant par la conception électronique, le choix des composants, la fabrication des cartes et l'intégration système.

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