黃開龍 劉力銘 趙娟

摘? ?要：隨著人們生活水平越來越高，人們對(duì)于住房的要求不在局限于簡單生活，而是更傾向于有高層次、舒服的家居環(huán)境，因此這種需求直接促進(jìn)了智能家居地發(fā)展。本設(shè)計(jì)是基于 ESP32 設(shè)計(jì)出一套云智能家居系統(tǒng)。云智能家居系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為智能插座模塊、智能燈模塊、門窗檢測模塊和室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊。模塊之間采用 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)通過 MQTT 協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)連接，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和手機(jī)終端之間采用 HTTP 協(xié)議通信。WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和手機(jī)終端的相互協(xié)作，共同構(gòu)造出了云智能家居系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ESP32? WiFi Mesh? MQTT? HTTP? 云智能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，智能家居已經(jīng)逐漸從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到了人們的日常生活中。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了許許多多的智能家居產(chǎn)品。現(xiàn)今的智能家居產(chǎn)品都具有一個(gè)相同的特點(diǎn)：本地組網(wǎng)使用 Zigbee 技術(shù)。Zigbee 技術(shù)具有傳輸速率低和需要通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)的缺點(diǎn)，而新出現(xiàn)的 WiFi Mesh 組網(wǎng)技術(shù)正好解決了此問題。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為智能燈模塊、智能插座模塊、門窗檢測模塊和室內(nèi)環(huán)境檢測模塊。智能燈模塊的功能是負(fù)責(zé)開關(guān)家里的電燈;智能插座模塊的功能是定時(shí)開關(guān)插座;門窗檢測模塊當(dāng)檢測到門窗強(qiáng)制被打開時(shí)，觸發(fā)家里的報(bào)警系統(tǒng);室內(nèi)環(huán)境檢測主要負(fù)責(zé)采集室內(nèi)的溫度、濕度和空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)，然后智能提醒居住的用戶。云智能家居系統(tǒng)的所有模塊通過 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，任意兩個(gè)模塊之間都能相互通信。模塊將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后通過 MQTT 協(xié)議發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)后通過 HTTP協(xié)議推送到手機(jī)終端。用戶操作手機(jī)終端進(jìn)行模塊控制時(shí)，手機(jī)終端首先是通過 HTTP 協(xié)議的 POST 請(qǐng)求把數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)后通過 MQTT 協(xié)議發(fā)送到 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后解析出模塊的 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)地址，然后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到模塊去，模塊接收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

2? 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的電路總共分為ESP32 核心電路、繼電器電路、DHT11電路和磁控開關(guān)電路四部分。其中，智能燈模塊和智能插座模塊都由 ESP32 核心電路和繼電器電路組成;門窗檢測模塊由 ESP32 核心電路和磁控開關(guān)組成;室內(nèi)環(huán)境檢測模塊由 ESP32 核心電路和 DHT11 電路組成。系統(tǒng)的主要元器件包括 ESP32模組、AMS117-5V、AMS1117-3.3V、繼電器、光耦開關(guān)、DHT11 和磁控開關(guān)。輔組元器件包括電容、電阻、輕觸開關(guān)、排針、發(fā)光二級(jí)管和三極管等。電路的總體設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

3? 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括主程序、WiFi 初始化函數(shù)、WiFi Mesh 初始化函數(shù)、MQTT 初始化函數(shù)、根節(jié)點(diǎn)讀任務(wù)函數(shù)、根節(jié)點(diǎn)寫任務(wù)函數(shù)、子節(jié)點(diǎn)讀任務(wù)函數(shù)、子節(jié)點(diǎn)寫任務(wù)函數(shù)、傳感器初始化函數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)獲取函數(shù)、傳感器設(shè)置函數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)解析函數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)封裝函數(shù)。WiFi 初始化函數(shù)的功能是完成初始化 ESP32 WiFi;WiFi Mesh 初始化函數(shù)的功能是完成 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)的組建;MQTT 初始化函數(shù)的功能是初始化 MQTT 協(xié)議和連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái);根節(jié)點(diǎn)讀任務(wù)的功能是接收子節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并把 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)地址信息封裝進(jìn)數(shù)據(jù)，最后通過 MQTT 發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái);根節(jié)點(diǎn)寫任務(wù)的功能是接收物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)并解析出在 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)的地址，然后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的設(shè)備去;子節(jié)點(diǎn)寫任務(wù)函數(shù)的功能是接收根節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，解析出數(shù)據(jù)內(nèi)容后應(yīng)用到傳感器上;子節(jié)點(diǎn)讀任務(wù)函數(shù)的功能是采集傳感器的數(shù)據(jù)并分裝傳感器數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到根節(jié)點(diǎn)去;傳感器初始化函數(shù)的具體功能由不同模塊的用途決定，在智能燈模塊和智能插座模塊中，傳感器初始化函數(shù)用于初始化繼電器;在門窗檢測模塊中，傳感器初始化函數(shù)用于初始化磁控開關(guān);在室內(nèi)環(huán)境檢測模塊中，傳感器初始化函數(shù)用于初始化DHT11。傳感器數(shù)據(jù)獲取函數(shù)用于獲取傳感器檢測到的數(shù)據(jù);傳感器設(shè)置函數(shù)用于設(shè)置傳感器的狀態(tài)信息。傳感器數(shù)據(jù)封裝函數(shù)的功能是把讀取到的傳感器數(shù)據(jù)和傳感器信息封裝成 JSON 格式。傳感器數(shù)據(jù)解析函數(shù)的功能是解析 JSON 格式的字符串，獲取到需要的數(shù)據(jù)。

4? 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試總共分為兩個(gè)部分：一是硬件調(diào)試，二是軟件調(diào)試。硬件調(diào)試的過程是是往 ESP32 燒入測試代碼，觀察程序運(yùn)行的現(xiàn)象，找出現(xiàn)異常部分的電路并用電烙鐵修復(fù)電路，重復(fù)此步驟知道測試代碼正常運(yùn)行。軟件調(diào)試的過程是觀察各個(gè)模塊的運(yùn)行日志，找出異常部分，然后修改程序，重復(fù)此步驟，直到程序到達(dá)要求。

通過硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，云智能家居系統(tǒng)已經(jīng)能夠正常運(yùn)行了。在實(shí)際的測試過程中 WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低，傳感器采集的數(shù)據(jù)精度高。

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