基于NodeMCU的晾衣窗控制系統(tǒng)設計

　　摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，智能家居開始興起并快速普及，這使得越來越多的智能家居設備都具備了聯(lián)網(wǎng)功能。設計研制了一種基于智能手機聯(lián)網(wǎng)控制的晾衣窗控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ESP8266平臺，借助WiFi聯(lián)網(wǎng)技術，對接云端服務器，實現(xiàn)手機遠程操控、語音控制。該NodeMCU自帶硬件條件對接傳感器，可實現(xiàn)遠程App、語音助手，并根據(jù)天氣自動開窗晾衣。

　　關鍵詞：晾衣窗;控制系統(tǒng);WiFi;MCU

　　引言

　　晾衣窗是一款集窗戶和晾衣架于一體，通過兩者間的相互協(xié)調(diào)，可同時滿足室內(nèi)通風和衣物充分晾曬需求的晾衣設備。目前，國內(nèi)生產(chǎn)智能晾衣設備的廠商基本采取晾衣設備和窗戶分離，且均是安裝于陽臺內(nèi)部的模式，根據(jù)不同情況垂直升降，通過電路控制晾衣架，以達到晾衣的功能。為滿足衣物充分晾曬的需求及在家中無人情況下室內(nèi)空氣的流通，本文設計了一種將窗戶和晾衣架結合在一起的聯(lián)動型智能收縮晾衣窗系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)實際機械結構情況，結合傳感器以及接入物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)平臺的控制實現(xiàn)這套智能家居的操控方案。

　　物聯(lián)網(wǎng)論文投稿期刊：《現(xiàn)代電子技術》(ModernElectronicsTechnique)雜志創(chuàng)刊于1977年，是由陜西省信息產(chǎn)業(yè)廳主管，陜西省電子技術研究所、陜西電子學會和陜西電子雜志社主辦的一本半月刊科技類期刊，創(chuàng)刊初期刊名叫《陜西電子》，1988年更名為《電子工程師》;1994年更名為《現(xiàn)代電子技術》。

　　1系統(tǒng)總體設計結構

　　系統(tǒng)由單片機NodeMCU核心板、霍爾傳感器、24V蓄電池、不間斷電源(uninterruptiblepowersupply，UPS)模塊、DM542電機驅動、24V直流步進電機、24V轉5V電源模塊等構成。其中，蓄電池的工作電壓和電流分別為24V、3A;UPS不間斷電源模塊的作用是實現(xiàn)正常供電和蓄電池供電這兩種供電方式的無縫切換，同時為蓄電池提供充電保護，防止過充損壞電池，保證電路穩(wěn)定運行[1-2];霍爾電流檢測模塊為WCS1800，電流檢測范圍為-25~+25A，輸出TTL電平信號，該模塊檢測是否斷電并返回信號給單片機;雨滴以及風力傳感器工作電壓都在3.3V且輸出邏輯電平，通過發(fā)送信號給單片機告知程序當前處于下雨或刮風狀態(tài)。

　　電機驅動模塊采用DM542，工作電壓在20~50V的步進電機驅動，電機驅動連接單片機和電源，保證單片機的微信號能間接控制電機;電機的工作電壓為24V，工作電流為3A，電機接收電機驅動信號來進行運轉，最后控制機械結構實現(xiàn)相應功能。ESP8266模塊為NodeMCULuaV3物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板CH340G，帶16個邏輯口，1個模擬口，是整個電路的控制核心，連接所有模塊并負責通信、信號處理以及所有自動控制正常進行[3-4]。

　　2系統(tǒng)硬件設計

　　2.1主控設計

　　主控部分是整個系統(tǒng)裝置的核心，其主要作用是連接無線網(wǎng)絡，接入服務器，且作為控制中心連接外圍傳感器，接收手機發(fā)送到云端的控制指令，并接入電路來控制電機的運行[5]。該主控系統(tǒng)采用的是ESP8266模塊，其I/O接入外設有A0模擬口及所有可用的輸入輸出邏輯口。其中，A0模擬口接收風力傳感器的模擬電壓值，再通過MCU計算其風速，通過邏輯口D0接收雨滴傳感器的邏輯值來判定是否有雨，D1、D2、D5連接微動開關得到窗戶的具體位置，D3、D6、D7、D8、D9(RX)用來控制電機驅動來實現(xiàn)電機的運轉。

　　2.2傳感器

　　傳感器是整個電路實現(xiàn)自動控制的核心，MCU通過收集到的傳感器信號感知外界的變化并做出相應的改變。本文所使用的傳感器有兩種：雨滴傳感器和風力傳感器。雨滴傳感器：通過感應板和信號轉換模塊來實現(xiàn)。當沒有雨滴落在感應板上時，感應板電阻設置為無窮大，信號轉換模塊輸出邏輯高電平;當有雨水滴落在感應板上時，感應板的電阻會隨之發(fā)生變化，一旦電阻過低，信號轉換模塊就會輸出邏輯低電平，輸出的邏輯信號通過D0口發(fā)送給MCU來進行處理。風力傳感器：由發(fā)電機和葉片組成，通過風力推動葉片轉動來帶動電機。此時電機產(chǎn)生一個模擬電壓，其經(jīng)過一個將電機產(chǎn)生的電壓值降低到1/5的電壓檢測模塊。

　　由于MCU的A0口能接收到的最大電壓采用值為3.3V，而傳感器能產(chǎn)生的電壓最大值為5V，因此，電壓檢測模塊降低電機所產(chǎn)生電壓值的目的是防止電壓過高擊穿MCU而造成損壞。霍爾電流傳感器：電流經(jīng)過垂直于磁場的導體會在導體兩端產(chǎn)生一個電勢差，以此可進行信號檢測功能。其功能為：①經(jīng)過運放會輸出對應的模擬信號，適用于A/D轉換;②輸出開關信號，根據(jù)預先設定的電流值，當實際電流值大于預先設定的限流值時，開關信號會由低電平變?yōu)楦唠娖�。本文使用的是功能②，將該模塊輸出的高低電平輸送給主控模塊來檢測是否斷電[6-7]。

　　2.3電機驅動電路

　　電機驅動電路是主控模塊控制電機運轉的核心。本文采用的驅動模塊為DM542步進電機驅動，單片機通過邏輯I/O口模擬PWM脈沖輸送給驅動器的PUL，調(diào)節(jié)PWM占空比來實現(xiàn)電機的運轉速度的改變，并通過控制I/O的輸出實現(xiàn)高低電平觸發(fā)光耦繼電器來拉高驅動器的PUL使能，以此來啟動電機運轉。同樣單片機通過控制光耦繼電器觸發(fā)電機驅動的DIR來改變電機的運轉方向。

　　2.4UPS不間斷電路及其電源模塊設計

　　UPS不間斷電路的設計核心是UPS模塊，該模塊的功率為60W，工作電壓為24V。其核心功能為：①當電路正常工作，有家用電輸入時，電源先輸出一組24V供整個電路正常運轉，另外一組輸出24V供電池充電;②當電池充滿時，自動停止;③當出現(xiàn)特殊情況斷電時，模塊內(nèi)部自動切換到電池輸出，來維持整個電路的應急供電，整個過程實現(xiàn)無縫切換，且不會出現(xiàn)切換過程中有斷電現(xiàn)象。此外，霍爾電流傳感器通過測出220V家用電的電流來決定主控MCU當前處于何種情況，MCU接收到斷電的消息后會通過服務器給用戶的手機微信發(fā)一條消息來通知用戶家中斷電，系統(tǒng)此時的供電模式為備用電源供電，用戶即可通過手機遠程操控來改變系統(tǒng)默認的應急操作。

　　3軟件系統(tǒng)設計

　　3.1主程序設計

　　主程序部分主要對所有功能進行合理的資源調(diào)度，合理地分配優(yōu)先級及其任務的處理中斷，對整個系統(tǒng)起到至關重要的作用。該程序基于整套底層控制邏輯規(guī)則，規(guī)劃各模式模塊之間的切換和調(diào)度及沖突響應時間等，在這些規(guī)則上優(yōu)化程序的響應時間、相關數(shù)據(jù)上傳與刷新。通過對各模塊的初始化，控制I/O的輸出，執(zhí)行接收的云端指令，來完成所有系統(tǒng)的正常運轉[8]。

　　3.2本地控制中心及其傳感器程序設計

　　本地控制中心程序將各個模塊驅動功能封裝成不同的函數(shù)，驅動實現(xiàn)對接程序和硬件的接口。其作用為：一方面接收本地傳感器的相關數(shù)據(jù)，另一方面本地控制中心函數(shù)負責各個硬件運轉的基礎法則且提供給主程序調(diào)用的接口，使得在主函數(shù)調(diào)用本地數(shù)據(jù)時，能夠有條不紊地進行下去。其主要程序有雨水感應采集程序和風速采集程序。雨水感應采集程序：通過雨水感應模塊處理后得到的高低電平來判斷當前是否下雨，并返回一個bool值給主程序。

　　3.3網(wǎng)絡控制中心及語音控制程序設計

　　網(wǎng)絡控制中心是整個系統(tǒng)的連接橋梁，以云端服務器作為中介。網(wǎng)絡控制中心負責上傳本地數(shù)據(jù)到云端，再通過云端發(fā)送給手機App到達用戶，用戶接收到相關數(shù)據(jù)并可操控App通過云服務器轉發(fā)相關指令到MCU中，再經(jīng)過網(wǎng)絡函數(shù)的相關處理到主程序來進行規(guī)則判斷，并最終調(diào)用本地函數(shù)完成整個運行過程。語音控制方面也是網(wǎng)絡控制的一部分，通過對接第三方語音助手平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與服務器對接，接收平臺發(fā)來的數(shù)據(jù)對接到網(wǎng)絡控制中心來實現(xiàn)語音控制。

　　因此，通過本地到云端再從云端到本地的一個雙向交互過程，構成了整個系統(tǒng)的運行體系[9-11]。網(wǎng)絡連接部分是通過消息隊列遙測傳輸(messagequeuingtelemetrytransport，MQTT)協(xié)議對接服務器的一個過程;MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級”通信協(xié)議，該協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大優(yōu)點在于可以用極少的代碼和有限的帶寬為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務[12]。其作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通信協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

　　當程序啟動時，EPS8266首先通過WiFi聯(lián)網(wǎng)來獲取IP地址，再通過MQTT協(xié)議對接服務器進行握手，函數(shù)將發(fā)送密鑰到服務器來對接相應配置，配置成功后程序首次發(fā)送數(shù)據(jù)包到控制端App，App接收到數(shù)據(jù)包返回接收狀態(tài)，程序正常對接啟動完畢[13]。

　　3.4軟件控制客戶端界面的設計軟件控制客戶端基于Blinker平臺設計，通過平臺提供的控件及接入其云服務器接口來實現(xiàn)App與MCU的對接及其數(shù)據(jù)交換，用來控制整個系統(tǒng)的運轉。界面可顯示當前的各種模式、窗戶的開關以及衣物的晾曬情況，可實時顯示風速，提供各種操控模式供用戶使用。

　　4結語

　　本文設計了一種基于智能手機聯(lián)網(wǎng)控制的晾衣窗控制系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)已進行實際使用，效果良好，運行穩(wěn)定，能夠通過便捷的方式來滿足人們對窗戶和晾衣的操控需求。其成本低廉，快捷方便。目前，該項目還有一些需要提升的地方，如可將電路設計模塊化，這樣能保證電路維修簡單，出現(xiàn)故障更容易發(fā)現(xiàn);程序應用方面還可以接入如天貓精靈等更多語音平臺為用戶提供便捷的服務。后續(xù)研究中將逐步完善，使其能應用于不同場景。

　　參考文獻(References)

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　　[3]尚浩.基于ESP智能控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].九江學院學報(自然科學版)，2020，35(3)：61-64.

　　[4]吳允強，吳由松.基于ESP8266的智能家居控制系統(tǒng)設計[J].電子測試，2017(21)：9，24.

　　[5]樂鑫信息科技(上海)有限公司.ESP8266技術參考[EB/OL].[2020-04-05].https：//www.espressif.com/zh-hans/products/hardware/esp8266ex/overview.

　　作者：王彬a，張宇a，高淑芬a，屈斌文a，胡曦

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