24V 20채널 네트워크 액추에이터 컨트롤러 

이 프로젝트는 ESP32-S3를 메인 컨트롤러로 사용하고 W5500 유선 이더넷을 결합하여, 20개의 채널을 동시에 제어할 수 있는 산업용 사양의 액추에이터 스위칭 보드입니다.

1. 프로젝트 개요 및 포지셔닝

본 보드는 **“24V 입력 기반의 20채널 네트워크형 액추에이터(부하) ON/OFF 컨트롤러”**입니다. 단순한 프로토타입을 넘어 실제 현장 배선과 조립을 고려한 제조 데이터(BOM, Gerber, STEP 파일 등)가 포함된 완성도 높은 하드웨어 솔루션입니다.

주요 하드웨어 구조

전원부: 24V 입력을 Buck Converter(LMR51430)로 5V 변환 후, LDO(LD39200)를 통해 안정적인 3.3V를 공급합니다.

제어부: ESP32-S3 MCU를 중심으로 W5500 이더넷 모듈이 SPI로 연결되어 유선 네트워크를 제공합니다.

출력부: 20개의 MOSFET 기반 SSR(G3VM-61BR2) 채널을 갖추고 있으며, MCU 보호를 위해 버퍼/레벨 시프터(SN74LV4T125) 단을 거치도록 설계되었습니다.

2. 핵심 기술 포인트: W5500 이더넷

이 프로젝트에서 W5500은 단순한 통신 수단 이상의 의미를 가집니다.

하드웨어 TCP/IP 오프로딩: 이더넷 MAC+PHY를 내장하여 MCU의 네트워크 처리 부하를 줄여줍니다.

산업용 신뢰성: Wi-Fi가 불안정한 노이즈가 많은 공장이나 농장 환경에서 지연 없는 명령 전송과 안정적인 상태 보고를 보장합니다.

설계 디테일: RJ45 트랜스포머, Bob-Smith 터미네이션, 공통 모드 초크(Common-mode choke) 등 신호 무결성을 고려한 레이아웃이 반영되어 있습니다.

유연한 스택: ESP-IDF 환경에서 RAW MAC 모드로 동작하여 표준 네트워크 스택(HTTP, MQTT, TLS 등)을 그대로 활용할 수 있습니다.

3. 하드웨어 설계의 강점

회로도와 레이아웃에서 확인되는 본 보드의 차별점은 다음과 같습니다.

강력한 보호 회로: 입력단의 TVS 다이오드(SMBJ33A), USB 인터페이스 보호(USBLC6-2SC6), 각 채널별 ESD 보호 소자가 배치되어 외부 충격에 강합니다.

신호 안정성: MCU의 소스 전류 제한 및 노이즈 차단을 위해 모든 출력 채널에 버퍼(SN74LV4T125) 스테이지를 두어 안정성을 높였습니다.

제조 준비 완료: 단순 회로도 외에도 조립 도면, 상세 BOM, NC Drill 파일 등 즉시 생산 가능한 수준의 데이터를 제공합니다.

4. 주요 활용 분야 (Applications)

20개의 독립적인 출력과 신뢰성 있는 유선 네트워크는 다음과 같은 분야에 최적입니다.

스마트 관개 및 온실 관리: 24V 솔레노이드 밸브를 최대 20개 구역(Zone)까지 개별 제어.

빌딩 및 시설 자동화: 랙 장착형 DO(Digital Output) 모듈로서 조명, 사이렌, 잠금장치 등을 중앙 제어.

산업용 테스트 지그 (ATE): 검사 장비의 다양한 액추에이터와 램프를 PC 소프트웨어나 PLC에서 IP 기반으로 원격 구동.

홈 오토메이션: 배선 기반의 통합 릴레이 컨트롤러로 활용하여 Home Assistant 등과 연동.

5. 권장 소프트웨어 스택

하드웨어의 성능을 극대화하기 위해 다음과 같은 소프트웨어 구성을 권장합니다.

제어 프로토콜:

MQTT: Home Assistant나 IoT 게이트웨이 연동에 최적화. (https://github.com/espressif/esp-mqtt?utm_source=chatgpt.com)

REST API: 웹 대시보드나 PC 테스트 도구에서 직관적으로 제어. (https://github.com/eModbus/eModbus?utm_source=chatgpt.com)

Modbus/TCP: 기존 산업용 PLC 및 SCADA 시스템과의 통합. (https://github.com/hoeken/PsychicHttp?utm_source=chatgpt.com)

관리 기능: OTA 업데이트(원격 펌웨어 수정), Watchdog(시스템 복구), Fail-safe(통신 두절 시 출력 차단) 기능 포함 권장.

빠른 시작: 메이커의 경우 ESPHome을 사용하면 복잡한 코딩 없이 W5500 이더넷 설정과 20개 채널 매핑을 단시간에 완료할 수 있습니다.

6. 사용 및 배포 가이드

전원 공급: 부하 용량에 맞는 안정적인 24V DC 전원을 입력합니다.

부하 연결: LOAD1 ~ LOAD20 커넥터에 액추에이터를 연결합니다. (인덕티브 부하의 경우 별도의 플라이백 다이오드 보강 권장)

네트워크: RJ45 포트를 통해 유선 LAN에 연결합니다.

펌웨어 플래싱: 제공된 회로도의 GPIO 핀 맵에 맞춰 펌웨어를 작성하고 ESP32-S3에 업로드합니다.

Q1. ESP32-Actuator-Controller란 무엇인가요?

A: ESP32-Actuator-Controller(Project A20)는 ESP32-S3 MCU와 W5500 이더넷 컨트롤러를 결합한 고성능 네트워크 제어 보드입니다. 산업용 전압인 24V 환경에서 작동하며, 20개의 채널을 통해 솔레노이드 밸브, 릴레이, 모터 등 다양한 액추에이터를 유선 네트워크로 정밀하게 제어할 수 있도록 설계되었습니다.

Q2. 왜 Wi-Fi 대신 W5500 유선 이더넷을 사용하나요?

A: 공장, 온실, 빌딩 자동화 환경에서는 금속 구조물이나 전자기 노이즈로 인해 무선 신호가 불안정할 수 있습니다. W5500은 하드웨어 TCP/IP 스택을 내장하여 다음과 같은 이점을 제공합니다.

신뢰성: 외부 간섭 없는 안정적인 데이터 통신 보장.

낮은 지연 시간: 실시간 명령 실행 및 모니터링에 최적화.

리소스 최적화: MCU(ESP32-S3)의 네트워크 처리 부하를 대폭 감소.

Q3. 제어 가능한 채널 수와 부하 용량은 어떻게 되나요?

A: 본 컨트롤러는 총 20개의 독립적인 출력 채널을 제공합니다. 각 채널은 G3VM-61BR2 MOSFET SSR을 사용하여 무소음 및 고수명 스위칭이 가능합니다. 상세한 전류 용량은 설계된 PCB 동박 두께와 SSR 데이터시트를 참조해야 하며, 대전류 부하의 경우 보조 릴레이와 함께 사용하는 것을 권장합니다.

Q4. 산업용 환경을 위한 보호 설계가 되어 있나요?

A: 네, 프로젝트 A20은 현장의 가혹한 환경을 고려하여 다중 보호 설계를 적용했습니다.

전원 보호: SMBJ33A TVS 다이오드를 통한 서지 보호.

회로 분리: SN74LV4T125 버퍼를 사용하여 MCU와 출력 단을 전기적으로 보호.

통신 보호: USBLC6-2SC6 보호 소자 및 이더넷 트랜스포머 적용으로 정전기(ESD) 및 노이즈 차단.

Q5. 어떤 소프트웨어와 호환되나요?

A: ESP32-Actuator-Controller는 오픈 소스 생태계와 높은 호환성을 가집니다.

프레임워크: ESP-IDF, Arduino IDE 지원.

프로토콜: MQTT, HTTP(REST API), Modbus/TCP 등 산업 표준 프로토콜 구현 가능.

플랫폼: ESPHome을 통해 Home Assistant에 코드 한 줄 없이 통합하거나, Node-RED와 연동하여 커스텀 대시보드 구축이 가능합니다.

Q6. 이 프로젝트의 제조 데이터(BOM, Gerber)를 구할 수 있나요?

A: 네, 모든 설계 파일은 오픈 소스로 공개되어 있습니다. 공식 GitHub Repository에서 회로도(Schematic), 부품 리스트(BOM), PCB 제조를 위한 거버(Gerber) 파일 및 3D STEP 파일을 내려받을 수 있습니다.

1. Project Overview & Positioning

The A20 is a "24V-input, 20-channel networked actuator switching controller." It is designed as a professional-grade hardware solution, moving beyond simple breadboard prototypes by providing a full suite of manufacturing artifacts (BOM, Gerber, STEP files, and assembly drawings) ready for production.

Core Hardware Architecture

Power Stage: Features a robust 24V input regulated by a Buck Converter (LMR51430) to 5V, followed by a low-noise LDO (LD39200) for a stable 3.3V MCU supply.

Main MCU: An ESP32-S3 module provides dual-core performance and ample GPIOs to manage 20 channels.

Network: A W5500 SPI-Ethernet module ensures a hardwired LAN connection for high-reliability environments.

Output Stage: 20 MOSFET-based Solid State Relays (G3VM-61BR2) offer silent, high-cycle switching, driven through buffer/level-shifters (SN74LV4T125) to protect the MCU.

2. Technical Focus: Why the W5500?

In industrial and field deployments, the W5500 provides several critical advantages over standard Wi-Fi:

Hardwired TCP/IP Offloading: It handles the network stack (TCP/UDP/ICMP/etc.) in hardware, significantly reducing the overhead on the ESP32-S3.

Industrial-Grade Stability: Wired Ethernet is immune to the RF noise, interference, and signal shielding common in factories or greenhouses.

Signal Integrity: The board layout includes an RJ45 transformer, Bob-Smith termination, and a common-mode choke to ensure reliable high-speed SPI communication (up to 80MHz).

Standard Integration: In the ESP-IDF environment, the W5500 typically operates in "RAW MAC mode," allowing developers to use standard networking protocols like MQTT, HTTP, and TLS via the lwIP stack.

3. Hardware Design Highlights

The design prioritizes robustness and signal protection, which is evident in the schematic:

Interface Protection: Includes a USB interface protection device (USBLC6-2SC6) and TVS diodes (SMBJ33A) on the power rails to suppress transients and ESD.

Isolated Signal Flow: Dedicated buffer stages (SN74LV4T125) are used to drive the output control lines, preventing the MCU from sourcing excessive current and providing a layer of electrical isolation.

Production-Ready Files: The repository includes professional fabrication notes and Draftsman assembly drawings, making it easy to hand over to a PCB assembly (PCBA) house.

4. Key Fields of Application

With 20 discrete outputs and a reliable field bus (Ethernet), this board is a natural fit for:

Smart Irrigation & Greenhouses: Controlling up to 20 zones of 24V solenoid valves where Wi-Fi is unreliable.

Building Automation: Acting as a rack-mounted Digital Output (DO) module for lighting, sirens, dampers, and door locks.

Industrial Test Jigs (ATE): Allowing a PC or test server to trigger relays and actuators over LAN for automated product testing.

Home Automation: Serving as a centralized, wired relay hub for "Home Assistant" or "Node-RED" power-user setups.

5. Recommended Software Stack

To turn this hardware into a functional product, the following software approaches are recommended:

Control APIs:

MQTT: Best for IoT platforms and real-time status updates.

REST API: Ideal for direct control via web dashboards or simple PC tools.

Modbus/TCP: The standard choice for integration with PLCs and existing industrial SCADA systems.

Essential Features: Implement OTA (Over-the-Air) updates, a system watchdog for auto-recovery, and "Fail-safe" states (ensuring outputs turn OFF if the network is lost).

The "Fastest Path": For makers, ESPHome provides native support for W5500 Ethernet and allows for quick mapping of the 20 GPIOs without writing complex C++ code.

6. Quick Start & Deployment

Power: Connect a stable 24V DC supply sized for your total load.

Wiring: Attach your actuators to the LOAD1–LOAD20 terminals. Note: For inductive loads (solenoids), verify if additional flyback suppression is needed based on your specific SSR choice.

Network: Plug in an RJ45 cable to your LAN.

Flash: Program the ESP32-S3 using the GPIO pin mapping provided in the schematic (ensure SPI pins for W5500 are correctly assigned).

Q1. What is the ESP32-Actuator-Controller?

A: The ESP32-Actuator-Controller (Project A20) is a high-density, networked control board designed for industrial automation. It combines the ESP32-S3 microcontroller with the W5500 Ethernet controller to manage 20 independent 24V channels. It is specifically engineered to control actuators, solenoid valves, and relays over a reliable wired network.

Q2. Why does the controller use W5500 wired Ethernet instead of Wi-Fi?

A: In industrial, agricultural, or facility environments, Wi-Fi can be unreliable due to electromagnetic noise or metal shielding. The W5500 provides a hardwired TCP/IP stack that offers:

Superior Reliability: Zero interference from RF-heavy environments.

Low Latency: Faster and more predictable response times for critical switching.

MCU Efficiency: It offloads the network stack processing from the ESP32-S3, allowing more resources for application logic.

Q3. How many channels does it support, and what are the output specs?

A: This controller features 20 independent output channels. Each channel utilizes a G3VM-61BR2 MOSFET Solid State Relay (SSR). This ensures silent operation, high-speed switching, and a much longer lifespan compared to mechanical relays. It is designed for 24V systems commonly found in industrial PLC and irrigation setups.

Q4. What industrial protection features are included in the design?

A: The A20 project is built for harsh environments and includes multiple layers of protection:

Transient Suppression: SMBJ33A TVS diodes protect the 24V power rails from voltage spikes.

Logic Isolation: SN74LV4T125 buffers sit between the MCU and the outputs to prevent electrical feedback.

Interface Protection: The USB and Ethernet ports include ESD protection (USBLC6-2SC6) and transformer isolation to prevent damage from static or ground loops.

Q5. Which software platforms and protocols are compatible?

A: The ESP32-Actuator-Controller is highly flexible and supports standard IoT and industrial protocols:

Protocols: MQTT, REST/HTTP, and Modbus/TCP.

Frameworks: Native support for ESP-IDF, Arduino IDE, and MicroPython.

Integrations: Easily integrates with Home Assistant (via ESPHome or MQTT), Node-RED, and standard industrial SCADA systems.

Q6. Where can I find the manufacturing files (BOM, Gerbers)?

A: All design files are open-source. You can access the Bill of Materials (BOM), Gerber files for PCB fabrication, and 3D STEP files for enclosure design directly from the official GitHub Repository.