一、前言
M5Stack 的主控板產品線依據體積的大小主要可分為 CORE、STICK 與 ATOM 三個系列，每個系列都由適合應用的環境及場域。但除此之外 M5Stack 也有推出一些專用套件，今天來開箱的 M5Stack ATOM Socket Kit 就是以 ATOM 為主控板的智慧插座套件！
二、外觀與硬體規格
因為整體體積較大，外包裝使用紙盒做收納，這和 M5Stack 以往大都使用可重複使用的塑膠盒做包裝有所不同。從包裝正面可以看到以描邊的方式顯示套件的樣貌，並且以藍色邊條明顯告訴你搭配的 ATOM Lite 主控板也同時附在套件內。上方斗大文字顯示 ATOM Socket，可程式化的無線交流插座！
側邊來看標示著內部使用 ESP32 核心，帶有 Wi-Fi 與藍牙連線能力，並且有開關可以承載最高 220 伏特 10 安培的負載。另一側則是以功能做顯示，可以遠端進行控制，並帶有電能量測功能，可以使用 M5Stack 的 UI Flow 與 Arduino IDE 進行開發。背面處也繪製了套件的底部外觀，標示了兩個十字固定孔，以及上方一個 Hook Up 掛勾。
打開後內部就是單一個完整的套件，大面積橘色的塑膠外殼並且有一個兩孔與一個三孔的插座各一，另一側則是 ATOM Lite 的控制器。中間有個突起的黑色像是拉桿的東西，這在官方的商品照為金屬銀色，也不是很確定這個東西的作用為何，不過這倒是無傷大雅。
把 ATOM Lite 先取下後，可以看到在智慧插座上方有凸出 9pin 的排針，剛好可以跟 ATOM Lite 底部的孔位做連接，並且在中間也有一個按鈕與LED，以及側邊部分也留有一個 4P Grove 連接器。估計今天若沒有要使用 ATOM Lite 做智慧插座的控制，也可以透過這些針腳連接到其他的控制器像是樹莓派或是 Pi Pico 等去做控制。後面我們可以再針對硬體去做細部探討。
底部的部分就如外包裝所示，兩個十字固定孔方便鎖附在牆上固定，會設計十字孔也是讓安裝者不管直的掛或是橫的掛接可以。在上方就是一個可以翻起的掛鉤，如果是暫時性的要吊掛在天花板或某處的話，這應該也蠻實用的。
三、上電測試
備妥電源線以及 Type C 傳輸線，再準備一個測試用的負載，分別連接到智慧插座模組跟電腦。接上電源後可以看到 ATOM Lite 上方 LED 亮起紅燈，此時裝置已有電但內部繼電器未導通，上方插座的負載並未供電。按一下 ATOM Lite 上方按鈕，會聽到內部繼電器做動的「嗒」一聲，同時 LED 轉變為綠色，此時插座便有電源供應。
打開 Arduino IDE 選擇對應的 port 號，開啟序列埠監控視窗 Serial Monitor，會看到不斷有資訊從序列埠印出，包含電壓、電流、功率等資訊，就是此時內部電量量測 IC 所感測到的負載電力參數。筆者實測當負載接上筆電的電源供應器，在 ATOM Socket Kit 上量測到 113.2 V 0.44 A 約 55 W，此時用真有效值(True RMS)的萬用電表的電壓檔進行量測，所量到電壓值為 113.9 V。比對之下兩者的差異約在 0.6%，算是在合理範圍內。
四、硬體線路分析
官方提供的線路圖分為兩個區塊，一個是電源量測 IC 類比端電路，另一個則是與微控制器周邊的數位端電路。先從數位端電路來看，和 ATOM Lite 主控板連接的 9p 排針除了電源以外，只用到一個繼電器控制以及和電量量測 IC HLW8032 連接的 UART RX 引腳。另外下方黑色 4P Grove 連接器(J3)則是控制繼電器以及一個 ATOM Socket 上的按鈕(S1)訊號，如果要接到其他控制器（如樹莓派、Arduino等）可以運用。 電源部分使用一個 AC 轉 DC 的電源轉換模組(PWR1)，和類比端連接則使用一個 4P 連接器(J1)。
類比端的線路圖主要圍繞在 HLW8032 這顆電量量測 IC，以及其類比前端電路（Analog Front End, AFE）。電流感測使用一顆 0.001歐姆的 Shunt 電阻(R1) 將電流訊號轉為電壓訊號再經過濾波接入 HLW8032。電壓感測則是用四顆 470K 歐姆電阻(R6~R9)對 1K 歐姆(R10) 進行分壓後再接入HLW8032 P4腳。由於 HLW8032 這顆晶片僅有 8 隻引腳接線相對容易，數位端僅提供 UART 固定以 4800 bps 吐出晶片內部暫存器資料，線路上也有使用光耦合 IC 隔離類比與數位端，再到 4P 連接器(J1)跟上方的數位端電路做連接。
整體而言 ATOM Socket Kit 內部線路雖然單純，但對安全性做到相對嚴謹的設計，將類比端與數位端電路做到全隔離，除了人員較不會感電外，也可以保護數位端的電子元件與設備。
五、窺探 HLW8032 電能量測 IC
在 ATOM Socket Kit 上使用的電能量測 IC 是中國大陸的合力為科技所生產的 HLW8032，作為一個低成本智慧插座的解決方案， 引腳數僅有 8 隻線路設計上相對容易，有 UART 與脈衝輸出。電壓電流的量測誤差僅有 0.5%，有效功率量測誤差更來到 0.2%，對於不須校正的量測晶片而言算是非常不錯！晶片內部硬體方塊圖也相對單純，電壓與電流的感測經由前端電路進到 HLW8032 的可程式功率放大器（Programmable Gain Amplifier, PGA ），再到 sigma-delta 的類比數位轉換器（Analog Digital Converter, ADC），最後進行運算從 UART 吐出。和 MCU 的通訊僅有鮑率固定為 4800 bps 的單向 UART 介面，優點是簡單易用，缺點則是速度慢、彈性小、沒有暫態資訊、沒有晶片設定可寫入等。不過若是用於消費級的智慧插座，也算是綽綽有餘了！
電壓的計算方式則是分別將兩個暫存器的數值讀出後，相除再乘上電壓係數。電壓係數的數值則取決於 AFE 分鴨的電阻值，ATOM Socket Kit 的分壓電阻與 HLW8032 參考設計相同，分壓比值為1880:1，因此電壓係數如下圖的計算為「1.88」。
電流的計算方式與電壓相仿，只是運算的暫存器不同，以及最後乘上的電流係數是經由 Shunt 電阻值運算出來。以 ATOM Socket Kit 的 Shunt 電阻 0.001 歐姆，計算出來的電流係數則是「1」。其餘有效功率與功率因數則可以參照手冊內容運算出來。然而即使不知道怎麼運算也不用擔心， M5Stack 的範例程式也已經有完整函式可以直接使用了！
六、小結－智慧插座專案首選
最後我們來總結一下，如果各位夥伴有在考慮找個可以自己寫韌體的智慧插座，筆者認為 M5Stack ATOM Socket Kit 絕對是首選！第一點套件出廠已經做好外殼了，不需要額外尋找外殼或是用很土炮的方式把微控制器塞到水電盒裡面，除了人容易觸電，電路板也沒辦法做好保護。第二點它內建整合了電源量測 IC 以及繼電器，智慧插座該有的功能也都一應俱全了！
最後他的使用方式也很傻瓜，使用者只要接上電源線，在把電器接上就能開始使用，真的是連我啊罵都會ლ(́◕◞౪◟◕‵ლ)，也不用擔心人員操作上有安全疑慮。後續要在接入智慧家庭專案像是 Home Assistant 還是其他環控系統都也相對容易，真心推薦給各位！
