李東明

（廣西科技職業(yè)學(xué)院，廣西 崇左 532200）

目前Python 編程語(yǔ)言是市場(chǎng)較受歡迎的編程語(yǔ)言之一，而MicroPython 是基于Python3 語(yǔ)法實(shí)現(xiàn)的一種可以在單片機(jī)上運(yùn)行的Python 語(yǔ)言分支[1]，它擁有獨(dú)立的解析器、類庫(kù)、編譯器等完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)底層的訪問(wèn)與操作，可以輕松實(shí)現(xiàn)I2C 讀取數(shù)據(jù)，ADC、DAC 的轉(zhuǎn)換，SD 卡的訪問(wèn)，對(duì)電機(jī)的控制等功能。MicroPython 支持的單片機(jī)類型有 STM32F4 系列、ESP32、W800、TI CC3200 等[2-3]，它的創(chuàng)始人是一位澳大利亞的程序員、物理學(xué)家Damien George。

眾多的通信協(xié)議和云計(jì)算數(shù)據(jù)的交換，在智能家居的開(kāi)發(fā)中給開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了更高的門檻和不便[4]，這些問(wèn)題運(yùn)用MicroPython 編寫系統(tǒng)可以得到很好地解決。MicroPython 對(duì)大部分的通信協(xié)議做了封裝且使其具有良好的二次開(kāi)發(fā)特性，還具有腳本語(yǔ)言易讀的性質(zhì)[5-9]。因此本設(shè)計(jì)采用ESP32 作為載體MicroPython 編寫邏輯與通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)一種家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示，通信Wi-Fi 模塊集成在ESP32 單片機(jī)模塊中，遠(yuǎn)程控制運(yùn)用手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)，ESP32 模塊通過(guò)傳感器獲取室內(nèi)的環(huán)境信息并通過(guò)Wi-Fi 上傳到網(wǎng)絡(luò)從而傳送到使用者的手機(jī)，使用者可以通過(guò)手機(jī)APP 查看家里的煤氣是否泄漏、環(huán)境質(zhì)量情況和溫濕度等情況，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的環(huán)境值自動(dòng)驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備工作，如有可燃?xì)怏w泄漏時(shí)會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)外接設(shè)備，使用者可以在手機(jī)APP控制繼電器外接設(shè)備?？稍贠LED 屏幕顯示可燃?xì)怏w與空氣質(zhì)量情況。

圖1 家庭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件選用及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的選用

2.1 ESP32 的選用

ESP32 采用兩個(gè)哈佛結(jié)構(gòu)Xtensa LX6 CPU 構(gòu)成雙核系統(tǒng)。它將天線開(kāi)關(guān)、RF balun、功率放大器、接收低噪聲放大器、濾波器、電源管理模塊等功能集于一體。ESP32 只需極少的外圍器件，即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的處理性能、可靠的安全性能和Wi-Fi 及藍(lán)牙功能，工作溫度范圍達(dá)到-40°C 到+125°C。集成的自校準(zhǔn)電路實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整，可以消除外部電路的缺陷并適應(yīng)外部條件的變化。獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用程序或主機(jī)MCU 的從設(shè)備，通過(guò)SPI/SDIO 或I2C/UART 接口提供Wi-Fi 和藍(lán)牙功能。如圖2 所示。此板供電為2.7-3.6V，12 個(gè)ADC，2 個(gè) DAC，2 個(gè) I2C。基本參數(shù)如表格 1 所示。

圖2 本設(shè)計(jì)使用的核心板正（左）反（右）圖

2.2 Blinker 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的選用

Blinker 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是由點(diǎn)燈科技（成都）有限責(zé)任公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)需求打造的輕量級(jí)平臺(tái)。適用多種現(xiàn)今市場(chǎng)上熱門智能硬件和多種開(kāi)發(fā)板的快速接入。

可以在 Windows、Linux、MacOS 系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)設(shè)備，使用云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)以及傳輸。手機(jī)端提供了Blinker APP，模塊化拼圖的形式對(duì)APP 應(yīng)用界面進(jìn)行編輯，此功能符合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)的特性也為開(kāi)發(fā)者提供了極大方便。提供了多種SDK 和開(kāi)發(fā)文檔，簡(jiǎn)潔明了的交互界面，升級(jí)更新方便等優(yōu)點(diǎn)[10]。

3 MicroPython 的移植

本設(shè)計(jì)使用的MicroPython 編程語(yǔ)言遵照MIT 許可，由MicroPython.org 組織編寫的支持ESP32 的MicroPython 固件為基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。ESP32 單片機(jī)與傳統(tǒng)單片機(jī)開(kāi)發(fā)有所不同，它與計(jì)算機(jī)的連接只需要運(yùn)用USB 連接即可。將MicroPython 移植到ESP32 中，具體操作如下：

（1）在 Windows 的環(huán)境下，從 MicroPython 的官網(wǎng)獲取ESP32 的固件。

（2）運(yùn)用uPyCraft 軟件將ESP32 的固件下載到ESP32 單片機(jī)中。

ESP32 的固件下載完成之后，下載由點(diǎn)燈物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的MicroPython 封裝庫(kù)實(shí)現(xiàn)與Blinker APP通信。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)主要分為五個(gè)階段，溫濕度數(shù)據(jù)的采集和處理、可燃?xì)怏w的采集和處理、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集和處理、光照強(qiáng)度的采集和上傳處理、數(shù)據(jù)包的上傳。

溫濕度的采集和處理運(yùn)用DHT11 溫濕度傳感器完成，在處理和采集的階段，在程序中需要調(diào)用固件中自帶的dht 封裝庫(kù)，然后在主程序中調(diào)用端口獲取data 數(shù)據(jù)，接下來(lái)進(jìn)行讀取即可獲得溫度與濕度值。在程序中應(yīng)綁定數(shù)據(jù)組件，將數(shù)據(jù)發(fā)送到Blinker APP，使用者即可在手機(jī)上看到溫濕度情況。

可燃?xì)怏w的采集和處理在本次設(shè)計(jì)中以液態(tài)丁烷作為測(cè)試對(duì)象，運(yùn)用ESP32 單片機(jī)的ADC 口進(jìn)行電壓數(shù)值的讀取。在程序中將可燃?xì)怏w泄漏情況分為三個(gè)階段：第一階段無(wú)泄漏狀態(tài)，在此情況下程序照常運(yùn)行。第二階段輕度泄漏，在此情況下，通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)IO口從而控制繼電器工作，根據(jù)實(shí)際使用需要可使輸出設(shè)備揚(yáng)聲器、警報(bào)工作。第三個(gè)階段嚴(yán)重泄漏，在此情況下，通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)IO 口從而控制繼電器工作。根據(jù)實(shí)際使用需要外接步進(jìn)電機(jī)、揚(yáng)聲器等設(shè)備。在程序運(yùn)行后無(wú)論是否有可燃?xì)怏w泄漏都會(huì)在OLED 顯示屏和手機(jī)APP 上顯示監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

運(yùn)用ESP32 單片機(jī)的ADC 口進(jìn)行電壓數(shù)值的讀取?？諝赓|(zhì)量值檢測(cè)分為四個(gè)階段：分別是空氣質(zhì)量?jī)?yōu)、良、中、差。在程序運(yùn)行后會(huì)在OLED 顯示屏和手機(jī)APP 上顯示監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

光照強(qiáng)度值通過(guò)ESP32 單片機(jī)的I2C 進(jìn)行數(shù)值的讀取，通過(guò)獲取到的數(shù)值程序自動(dòng)判斷是白天或夜晚，根據(jù)實(shí)際使用需要可外接步進(jìn)電機(jī)。

隨后每一分鐘將數(shù)據(jù)寫進(jìn)心跳包傳輸給Blinker APP，在選擇服務(wù)器時(shí)選用了阿里云，此平臺(tái)提供的云服務(wù)器、云平臺(tái)、云計(jì)算，為海量數(shù)據(jù)計(jì)算提供了很好的解決方案。系統(tǒng)軟件流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

5 運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

根據(jù)需求列寫清單，購(gòu)買所需要元器件，測(cè)試各元器件本身是否良好，將MicroPython 固件下載到ESP32之中，然后進(jìn)行調(diào)試。所制作的家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)物理樣機(jī)如圖4 所示。

圖4 家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)物理樣機(jī)

調(diào)試方式如下：通過(guò)Blinker APP 界面查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸是否正常，數(shù)據(jù)是否有變化通過(guò)將系統(tǒng)斷電之后重啟進(jìn)行測(cè)試，控制指令的測(cè)試通過(guò)APP界面的按鈕操縱來(lái)完成，通過(guò)人為干擾的形式來(lái)查看溫室度傳感器、繼電器、可燃?xì)怏w傳感器等設(shè)備是否正常。

圖5 是本次設(shè)計(jì)正常使用的情況下手機(jī)界面，界面分為兩列，從左往右看，第一列第一個(gè)模塊是光照度，第二個(gè)模塊是溫度，第三個(gè)模塊是濕度。第二列第一個(gè)模塊是可燃?xì)怏w檢測(cè)，第二個(gè)模塊是空氣質(zhì)量值。其余的兩個(gè)按鈕分別可手動(dòng)控制兩個(gè)繼電器。調(diào)試信息位于最下方，可以手動(dòng)刷新數(shù)據(jù)。

圖5 監(jiān)測(cè)手機(jī)界面

6 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)將MicroPython 編程語(yǔ)言與ESP32 單片機(jī)應(yīng)用在家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)采用Wi-Fi 方式搭建傳輸網(wǎng)絡(luò)，使用手機(jī)APP 獲取所采集到的家庭環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)判斷家庭的可燃?xì)怏w、空氣質(zhì)量、溫濕度等情況，可在手機(jī)APP 控制相應(yīng)設(shè)備，在較大程度上保障了家庭人員的安全和創(chuàng)建良好的環(huán)境，另外系統(tǒng)所使用的設(shè)備成本低、工作可靠、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單周期短，可以遠(yuǎn)程操控，使用簡(jiǎn)單方便，并有許多IO 口提供開(kāi)發(fā)升級(jí)拓展使用。