Умный USB-коммутатор с Alexa: голосовое управление питанием USB-устройств

Компоненты и материалы

Компонент	Количество	Примечание
Arduino MKR1000	1	Основной микроконтроллер с Wi-Fi
Конденсатор 0.1 мкФ 0805	8	Фильтрация питания
Светодиод (любой)	4	Индикация состояния портов
Тактильная кнопка (длинная)	4	Локальное управление портами
INA219 (SOIC-8)	1	Мониторинг тока и напряжения
LM3526M	2	Ключи высокого стороны с защитой
USB-разъем вертикальный	4	Выходные порты
Резистор 1 кОм 0805	4	Ограничение тока светодиодов
Шунтирующий резистор 0.1 Ом	1	Измерение тока для INA219
Конденсатор 1 мкФ 0805	1	Стабилизация питания

Необходимые инструменты

• 3D-принтер (для корпуса)
• Паяльная станция

Программное обеспечение и сервисы

• Amazon Alexa Skills Kit — для голосового управления
• Tinamous — MQTT-брокер и платформа IoT
• AWS Lambda — хостинг навыка Alexa

О проекте

Всё больше устройств питание от USB: ленты, лампы, стики для стриминга, увлажнители. Большинство из них — «глупые», без возможности удалённого управления. Этот проект решает проблему: 4 независимых USB-порта с индивидуальным управлением питанием через интернет и голосовые команды Alexa.

Зачем это нужно

• Управление USB-светом и декором
• Выключение Fire TV / Chromecast в детской по расписанию
• Перезагрузка зависших плат разработки (ESP, Raspberry Pi Pico и т.д.)
• Удалённый ребут датчиков в недоступных местах (чердак, подвал)
• Мониторинг потребления тока разрабатываемых устройств
• Обнаружение пропадания питания (с уведомлением на телефон)

Режимы работы

• Простое включение/выключение — через Alexa или приложение Tinamous.
• Умное выключение — для ламп с сенсорным управлением: кратковременное отключение питания выключает лампу, но восстанавливает её, чтобы следующий раз она включилась прикосновением.
• Таймер — автоматическое отключение по расписанию (например, в 20:00).
• Мониторинг питания — INA219 измеряет ток (до 1 кГц семплирования), напряжение и мощность на каждом порту.
• Детекция сбоев питания — при работе от батареи MKR1000 сообщает о пропадании внешнего питания.

Аппаратная часть

Основа — Arduino MKR1000. Два LM3526M обеспечивают высокостороннее коммутирование с защитой от перегрузки и короткого замыкания. INA219 мониторит суммарный ток и напряжение. Добавлены светодиоды и кнопки для локального управления (опционально).

Печатная плата заказана на DirtyPCBs (доступна также на OSHPark). В репозитории GitHub есть варианты на 2 и 4 порта. Внимание: в 2-портной версии USB-разъемы перепутаны (неверная полярность) — их можно установить на обратной стороне платы, что даже удобнее. 4-портная версия исправляет это и добавляет два порта.

Питание контроллера

Три варианта (перемычка JP6):

1. Внутреннее — от 5V пина Arduino (только малые нагрузки).
2. Внешнее через USB Micro (J2) — 5В от блока питания.
3. Внешнее через клеммник (JP8) — для толстых проводов и больших токов.

Внешнее питание также запитывает Arduino через пин VIN. При установке 0R резисторов на R10, R11 и разъеме J2 получается USB-пропуск (USB passthrough) — удобно для перезагрузки отлаживаемых устройств без износа портов ПК.

Корпус

Модель для 3D-печати включена в проект. Используются вставки M3 под нагрев. Крышка имеет варианты: с/без отсека для батареи, с/без ножек для крепления. Основание настраивается под выбранный вариант питания (OpenSCAD).

Подключение к Tinamous

Используем MQTT через TLS (порт 8883). Tinamous — приватная платформа IoT (можно использовать свой MQTT-брокер).

Шаг 1: Обновление прошивки WiFi101

1. Загрузите скетч FirmwareUpdater (Примеры → WiFi101).
2. Инструменты → WiFi101 Firmware Updater.
3. Обновите прошивку, затем добавьте домен tinamous.com для загрузки SSL-сертификатов.

Шаг 2: Настройка secrets.h

#define SECRET_SSID "Ваш_SSID"
#define SECRET_PASS "Пароль_WiFi"
#define MQTT_SERVER "ВашАккаунт.tinamous.com"
#define MQTT_SERVERPORT 8883
#define MQTT_USERNAME "UsbSwitch.ВашАккаунт"
#define MQTT_PASSWORD "Пароль_устройства"
#define MQTT_CLIENT_ID "UsbSwitch"
#define DEVICE_USERNAME "UsbSwitch"

Шаг 3: Регистрация устройства в Tinamous

Devices → Add Device. Укажите имя UsbSwitch. Теги для Alexa: Alexa.SmartDevice, MultiPort, Alexa.PowerController, SmartPlug.

Шаг 4: State Variables для портов

В настройках устройства добавьте поля:

• PortCount = 4
• Port-1 .. Port-4 — имена портов для Alexa
• Поля powerState-port-1 .. powerState-port-4 (тег Alexa.PowerController)

Шаг 5: Загрузка прошивки

Загрузите скетчи из репозитория (файлы: AlexaUsbSwitcher.ino, TinamousMQTTClient.ino, UsbControl.ino, WiFiClient.ino, Secrets.h).

Навык Alexa (Tinamous SmartHome Skill)

Навык универсален: он создаёт устройства в Alexa на основе тегов в Tinamous. Код на C# (.NET Core), деплой через AWS Lambda.

Создание Lambda-функции

• Регион: eu-west-1 (Ирландия) для английского (UK).
• Роль: Simple Microservices (добавьте права на CloudWatch Logs).
• Публикация из Visual Studio (AWS Toolkit).
• Опубликуйте версию (Actions → Publish new version).
• Добавьте триггер Alexa Smart Home с Skill ID.

Создание навыка в Alexa Console

• Тип: Smart Home Skill API, версия payload v3.
• Lambda ARN (версия с суффиксом :1, :2...).
• Account Linking: OAuth-приложение создаётся через Alexa Bot в Tinamous (или используйте опубликованный навык).
• Включите тестирование: «Show this skill in the Alexa App» = Yes.

Отладка навыка

• Избегайте спецсимволов в endpointId (звездочка ломает, решётка — ок).
• Логируйте всё. Нет логов → проблема с авторизацией или триггером.
• AWS и Alexa — одни аккаунты.
• Lambda и Skill в одном регионе.
• Неправильный формат ответа → устройства не появляются.
• Для разработки используйте Amazon Household (второй взрослый аккаунт).

Результат

После обнаружения устройств: "Алекса, включи USB-порт 1", "Алекса, выключи USB-свет". Работает!

Код прошивки (основные файлы)

• AlexaUsbSwitcher.ino — главная логика, автоматика, INA219, MQTT-паблиш
• TinamousMQTTClient.ino — MQTT/SSL, обработка команд "@UsbSwitch Turn On Port-1"
• UsbControl.ino — управление LM3526M, индикация, защита
• WiFiClient.ino — подключение к Wi-Fi, пинг, переподключение
• Secrets.h — ваши настройки (не коммитить в git!)

Ресурсы

• GitHub: ThingySticks/USBPowerSwitcher (папка Arduino/StandAlone/, 4-портная версия)
• Файлы печатной платы: .brd и .sch для OSHPark / DirtyPCBs
• Модели корпуса для 3D-печати (OpenSCAD/STL)