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title: "ESP32-S3 Ethernet Relay Board — SignalK, MQTT & Victron Venus OS Integration"
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author: "SFH008"
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license: "MIT license (MIT)"
published: "2026-04-06"
language: "en"
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source: "WIZnet Makers (https://maker.wiznet.io/)"
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# ESP32-S3 Ethernet Relay Board — SignalK, MQTT & Victron Venus OS Integration

> Firmware for Waveshare ESP32-S3 8DI/8RO board with W5500 Ethernet. Integrates SignalK, MQTT, and Victron Venus OS for marine/industrial relay control.

Original author: SFH008 (source: https://github.com/SFH008/esp32-s3-eth-relay-board)

## Article

## Summary

ESP32-S3 기반 릴레이 제어 시스템에서 안정적인 유선 네트워크를 구현하기 위해 WIZnet W5500을 사용하는 프로젝트입니다. W5500은 하드웨어 TCP/IP 오프로딩을 통해 Wi-Fi 없이도 안정적인 MQTT, SignalK, Victron 통신을 가능하게 하며, 산업 및 해양 환경에서 신뢰성 있는 제어 시스템을 제공합니다.

AI(Claude)로 생성된 이미지

## What the Project Does

이 프로젝트는 Waveshare ESP32-S3-ETH-8DI-8RO 보드를 기반으로 한 산업용 I/O 제어 펌웨어입니다. 주요 기능은 다음과 같습니다:

- 8개의 릴레이 출력(ON/OFF)을 MQTT 또는 SignalK로 제어

- 8개의 디지털 입력 상태를 읽어 네트워크로 전송

- W5500 Ethernet을 통해 유선 네트워크 연결 (Wi-Fi 미사용)

- SignalK 서버와 WebSocket으로 통신 (해양 데이터 시스템)

- MQTT 브로커와 양방향 메시지 교환

- Victron Venus OS와 연동하여 에너지 시스템 데이터 통합

데이터 흐름은 다음과 같이 구성됩니다:

```plaintext
부팅 → DHCP IP 획득 → MQTT / SignalK / Victron 연결 → 입력 상태 읽기 → 릴레이 제어 → 상태 전송
```

AI(Claude)로 생성된 이미지

## Where WIZnet Fits

이 프로젝트에서 WIZnet W5500은 **네트워크 전송 계층**을 담당합니다.

- ESP32-S3와 SPI 기반으로 연결된 외부 Ethernet 컨트롤러

- TCP/IP 스택을 하드웨어에서 처리 (CPU 오프로드)

- 최대 8개의 소켓을 통해 MQTT, WebSocket, 내부 서비스 동시 처리

특히 이 구조는 다음과 같은 환경에서 유리합니다:

- 금속 구조물 내부 (선박, 산업 설비)에서 Wi-Fi 불안정

- 릴레이 제어와 같은 **지연 민감 작업**에서 안정성 요구

- ESP32가 네트워크 처리 대신 애플리케이션 로직에 집중 가능

결과적으로 W5500은 단순한 네트워크 인터페이스가 아니라, **안정적인 제어 시스템을 위한 필수 인프라 역할**을 수행합니다.

## Implementation Notes

이 프로젝트는 W5500을 ESP32 Arduino Core의 `ETH.h`를 통해 사용합니다.

### 네트워크 초기화 및 연결 흐름 (구조 기반 설명)

- 부팅 시 W5500이 DHCP로 IP 획득

- 이후 MQTT, SignalK(WebSocket), Victron에 동시 연결

- 루프에서 입력 상태를 읽고 메시지 발행

이 구조는 다음과 같은 이유로 중요합니다:

- W5500이 TCP/IP 처리를 담당 → ESP32의 FreeRTOS 작업 분리 용이

- 여러 네트워크 프로토콜을 동시에 유지하면서도 안정성 확보

- Wi-Fi 연결 상태에 영향을 받지 않는 결정론적 동작

※ 실제 코드는 Arduino ETH abstraction을 사용하므로 직접적인 W5500 레지스터 제어는 나타나지 않습니다.
(내부적으로 W5500 드라이버가 처리)

AI(Claude)로 생성된 이미지

## Practical Tips / Pitfalls

- SPI 배선 품질이 중요 (특히 SCK 신호 노이즈 주의)

- DHCP 실패 대비 정적 IP 설정 옵션 고려

- MQTT keepalive 설정을 짧게 유지하여 연결 상태 감지

- W5500 소켓 수(8개)를 초과하지 않도록 서비스 구성

- 릴레이 제어 시 watchdog 타이머 적용 권장

- 산업 환경에서는 Ethernet 케이블 차폐(STP) 사용 권장

## FAQ

**Q: 왜 W5500을 사용하나요?**
A: 하드웨어 TCP/IP 스택을 통해 ESP32의 CPU 부하를 줄이고, Wi-Fi 간섭 없이 안정적인 유선 통신을 제공합니다. 특히 릴레이 제어와 같은 실시간 작업에 적합합니다.

**Q: ESP32-S3에 어떻게 연결되나요?**
A: SPI 인터페이스로 연결되며, ESP32 Arduino Core의 `ETH.h` 라이브러리를 통해 초기화 및 제어됩니다.

**Q: 이 프로젝트에서 W5500은 어떤 역할을 하나요?**
A: MQTT, SignalK(WebSocket), Victron 통신을 동시에 처리하는 네트워크 전송 계층 역할을 수행합니다.

**Q: 초보자도 구현 가능한가요?**
A: ESP32 개발 경험과 기본적인 MQTT 개념이 있다면 구현 가능하지만, 산업용 네트워크 구성에 대한 이해가 있으면 더 안정적으로 적용할 수 있습니다.

**Q: Wi-Fi 대신 Ethernet을 사용하는 이유는?**
A: Wi-Fi는 간섭과 신호 감쇠로 인해 지연이 불안정하지만, Ethernet은 일정한 지연과 높은 신뢰성을 제공하여 산업 및 해양 환경에 적합합니다.

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## Overview

This project provides open-source firmware for the **Waveshare ESP32-S3-ETH-8DI-8RO** relay board — a compact industrial I/O module featuring an **ESP32-S3** microcontroller, **WIZnet W5500** Ethernet, 8 relay outputs and 8 digital inputs. The firmware integrates seamlessly with **SignalK**, **MQTT**, and **Victron Venus OS**, making it ideal for marine automation and industrial control systems.

## Hardware architecture

The board combines the powerful ESP32-S3 with a dedicated W5500 Ethernet controller and a TCA9554 I2C IO expander to manage 8 relay outputs and 8 digital inputs independently.

Image generated by AI(Cladue)

## What This Project Does

- Controls **8 relay outputs** (ON/OFF) via MQTT commands or SignalK actions

- Monitors **8 digital inputs** (DI) via TCA9554 I2C IO expander and publishes status

- Connects to local network via **WIZnet W5500 Ethernet** (no Wi-Fi dependency)

- Integrates with **SignalK** marine data server over WebSocket

- Publishes and subscribes to **MQTT broker** (PubSubClient, port 1883)

- Supports **Victron Venus OS** MQTT integration for energy system dashboards

- Uses **FastLED** for optional onboard status LED indication

- Stores settings persistently using ESP32 **Preferences** (NVS)

## Integration architecture

The firmware connects simultaneously to SignalK, MQTT, and Victron Venus OS over wired Ethernet, enabling reliable bidirectional control and monitoring.

Image generated by AI(Cladue)

## Hardware Used

- **Board:** Waveshare ESP32-S3-ETH-8DI-8RO

- **MCU:** ESP32-S3-WROOM-1U-N16R8 (16MB Flash, 8MB Octal PSRAM)

- **Ethernet:** WIZnet W5500 (built into board, via ETH.h)

- **IO Expander:** TCA9554 (I2C) — controls 8 relays + reads 8 DI

- **LED:** FastLED-compatible onboard indicator

## Software & Libraries

- **Platform:** pioarduino (Arduino core 3.x on PlatformIO)

- **ETH.h, WiFi.h, WebServer.h, Preferences.h** — bundled with Arduino core 3.x

- **fastled/FastLED** — status LED control

- **robtillaart/TCA9554** — I2C IO expander driver

- **knolleary/PubSubClient** — MQTT client

- **bblanchon/ArduinoJson ** — JSON parsing for SignalK/MQTT payloads

- **links2004/WebSockets** — WebSocket client for SignalK

- **Build flag:** -DWEBSOCKETS_NETWORK_TYPE=NETWORK_ESP32 (plain ws:// without SSL)

## Communication flow

After boot, the W5500 obtains an IP via DHCP, then the firmware simultaneously connects to all configured brokers and enters a continuous polling loop for relay control and DI monitoring.

Image generated by AI(Cladue)

## How to Build & Flash

1. Clone: `git clone https://github.com/SFH008/esp32-s3-eth-relay-board`

2. Open in PlatformIO (VS Code extension recommended)

3. Configure your broker IPs and credentials in the source

4. Connect the board via USB-C (USB CDC enabled)

5. Flash: `pio run --target upload` at 921600 baud

6. Open Serial Monitor at 115200 baud to watch DHCP, MQTT, and SignalK connection status

## FAQ

**Q1. Why use W5500 Ethernet instead of Wi-Fi for relay control?**
Relay boards in marine or industrial environments are often located in engine rooms or metal enclosures where Wi-Fi is unreliable. The **WIZnet W5500 hardware TCP/IP stack** provides a stable, interference-free wired connection — critical for safety-related relay switching.

**Q2. What is SignalK and why integrate it?**
SignalK is an open-source marine data standard that aggregates sensor data (GPS, engine, electrical) on a vessel. Integrating this relay board allows automation actions — e.g., turn on bilge pump relay when a water sensor triggers — directly from the SignalK ecosystem.

**Q3. How does Victron Venus OS integration work?**
Victron Venus OS exposes an MQTT broker on the local network. This firmware subscribes to `com.victronenergy.relay` topics and can mirror Victron relay states, or publish DI readings back into the Victron dashboard as auxiliary inputs.

**Q4. Can I use only MQTT without SignalK or Victron?**
Yes. The three integrations are independent. You can enable just MQTT and send commands from Home Assistant, Node-RED, or any MQTT client using the `relay/cmd` topic pattern.

**Q5. What is the TCA9554 and why is it needed?**
The TCA9554 is an I2C IO expander that adds 8 additional GPIO pins to the ESP32-S3. On this board it controls the 8 relay coils and reads the 8 digital input states, freeing up the ESP32's native GPIOs for Ethernet and communication tasks.

**Q6. What MQTT topics are used for relay control?**
Relay commands are received on `relay/cmd` (JSON payload: relay index + state), and current relay/DI status is published to `relay/status`. The topic structure is configurable in the source code.

## Key Takeaway

This project bridges the gap between industrial I/O hardware and modern marine/IoT protocols. By combining **WIZnet W5500 wired Ethernet**, SignalK, MQTT, and Victron Venus OS integration on a single ESP32-S3 board, it enables reliable remote relay control and monitoring in environments where Wi-Fi is not an option.

**Source Code:** <https://github.com/SFH008/esp32-s3-eth-relay-board>

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Source: https://maker.wiznet.io/irina/projects/esp32-s3-ethernet-relay-board--signalk-mqtt-victron-venus-os-integration/