基于NodeMCU的晾衣窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shè)備都具備了聯(lián)網(wǎng)功能。設(shè)計(jì)研制了一種基于智能手機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制的晾衣窗控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ESP8266平臺(tái)，借助WiFi聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)接云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程操控、語音控制。該NodeMCU自帶硬件條件對(duì)接傳感器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程App、語音助手，并根據(jù)天氣自動(dòng)開窗晾衣。

　　關(guān)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(shí)滿足室內(nèi)通風(fēng)和衣物充分晾曬需求的晾衣設(shè)備。目前，國內(nèi)生產(chǎn)智能晾衣設(shè)備的廠商基本采取晾衣設(shè)備和窗戶分離，且均是安裝于陽臺(tái)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(dá)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(shè)計(jì)了一種將窗戶和晾衣架結(jié)合在一起的聯(lián)動(dòng)型智能收縮晾衣窗系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)情況，結(jié)合傳感器以及接入物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)平臺(tái)的控制實(shí)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(shù)》(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(shù)研究所、陜西電子學(xué)會(huì)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(shù)》。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)由單片機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)、24V直流步進(jìn)電機(jī)、24V轉(zhuǎn)5V電源模塊等構(gòu)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(shí)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(shí)為蓄電池提供充電保護(hù)，防止過充損壞電池，保證電路穩(wěn)定運(yùn)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(hào)，該模塊檢測是否斷電并返回信號(hào)給單片機(jī);雨滴以及風(fēng)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(hào)給單片機(jī)告知程序當(dāng)前處于下雨或刮風(fēng)狀態(tài)。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用DM542，工作電壓在20~50V的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接單片機(jī)和電源，保證單片機(jī)的微信號(hào)能間接控制電機(jī);電機(jī)的工作電壓為24V，工作電流為3A，電機(jī)接收電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，最后控制機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。ESP8266模塊為NodeMCULuaV3物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板CH340G，帶16個(gè)邏輯口，1個(gè)模擬口，是整個(gè)電路的控制核心，連接所有模塊并負(fù)責(zé)通信、信號(hào)處理以及所有自動(dòng)控制正常進(jìn)行[3-4]。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1主控設(shè)計(jì)

　　主控部分是整個(gè)系統(tǒng)裝置的核心，其主要作用是連接無線網(wǎng)絡(luò)，接入服務(wù)器，且作為控制中心連接外圍傳感器，接收手機(jī)發(fā)送到云端的控制指令，并接入電路來控制電機(jī)的運(yùn)行[5]。該主控系統(tǒng)采用的是ESP8266模塊，其I/O接入外設(shè)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(fēng)力傳感器的模擬電壓值，再通過MCU計(jì)算其風(fēng)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(dòng)開關(guān)得到窗戶的具體位置，D3、D6、D7、D8、D9(RX)用來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2.2傳感器

　　傳感器是整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的核心，MCU通過收集到的傳感器信號(hào)感知外界的變化并做出相應(yīng)的改變。本文所使用的傳感器有兩種：雨滴傳感器和風(fēng)力傳感器。雨滴傳感器：通過感應(yīng)板和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)沒有雨滴落在感應(yīng)板上時(shí)，感應(yīng)板電阻設(shè)置為無窮大，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸出邏輯高電平;當(dāng)有雨水滴落在感應(yīng)板上時(shí)，感應(yīng)板的電阻會(huì)隨之發(fā)生變化，一旦電阻過低，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊就會(huì)輸出邏輯低電平，輸出的邏輯信號(hào)通過D0口發(fā)送給MCU來進(jìn)行處理。風(fēng)力傳感器：由發(fā)電機(jī)和葉片組成，通過風(fēng)力推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)電機(jī)。此時(shí)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓，其經(jīng)過一個(gè)將電機(jī)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(jī)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�；魻栯娏鱾鞲衅鳎弘娏鹘�(jīng)過垂直于磁場的導(dǎo)體會(huì)在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個(gè)電勢差，以此可進(jìn)行信號(hào)檢測功能。其功能為：①經(jīng)過運(yùn)放會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，適用于A/D轉(zhuǎn)換;②輸出開關(guān)信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電流值，當(dāng)實(shí)際電流值大于預(yù)先設(shè)定的限流值時(shí)，開關(guān)信號(hào)會(huì)由低電平變?yōu)楦唠娖健１疚氖褂玫氖枪δ堍�，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(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是主控模塊控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心。本文采用的驅(qū)動(dòng)模塊為DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)通過邏輯I/O口模擬PWM脈沖輸送給驅(qū)動(dòng)器的PUL，調(diào)節(jié)PWM占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的改變，并通過控制I/O的輸出實(shí)現(xiàn)高低電平觸發(fā)光耦繼電器來拉高驅(qū)動(dòng)器的PUL使能，以此來啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。同樣單片機(jī)通過控制光耦繼電器觸發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的DIR來改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

　　2.4UPS不間斷電路及其電源模塊設(shè)計(jì)

　　UPS不間斷電路的設(shè)計(jì)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(dāng)電路正常工作，有家用電輸入時(shí)，電源先輸出一組24V供整個(gè)電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)，另外一組輸出24V供電池充電;②當(dāng)電池充滿時(shí)，自動(dòng)停止;③當(dāng)出現(xiàn)特殊情況斷電時(shí)，模塊內(nèi)部自動(dòng)切換到電池輸出，來維持整個(gè)電路的應(yīng)急供電，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)無縫切換，且不會(huì)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(dāng)前處于何種情況，MCU接收到斷電的消息后會(huì)通過服務(wù)器給用戶的手機(jī)微信發(fā)一條消息來通知用戶家中斷電，系統(tǒng)此時(shí)的供電模式為備用電源供電，用戶即可通過手機(jī)遠(yuǎn)程操控來改變系統(tǒng)默認(rèn)的應(yīng)急操作。

　　3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1主程序設(shè)計(jì)

　　主程序部分主要對(duì)所有功能進(jìn)行合理的資源調(diào)度，合理地分配優(yōu)先級(jí)及其任務(wù)的處理中斷，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到至關(guān)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(yīng)時(shí)間等，在這些規(guī)則上優(yōu)化程序的響應(yīng)時(shí)間、相關(guān)數(shù)據(jù)上傳與刷新。通過對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)[8]。

　　3.2本地控制中心及其傳感器程序設(shè)計(jì)

　　本地控制中心程序?qū)⒏鱾�(gè)模塊驅(qū)動(dòng)功能封裝成不同的函數(shù)，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guān)數(shù)據(jù)，另一方面本地控制中心函數(shù)負(fù)責(zé)各個(gè)硬件運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)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?cái)?shù)據(jù)時(shí)，能夠有條不紊地進(jìn)行下去。其主要程序有雨水感應(yīng)采集程序和風(fēng)速采集程序。雨水感應(yīng)采集程序：通過雨水感應(yīng)模塊處理后得到的高低電平來判斷當(dāng)前是否下雨，并返回一個(gè)bool值給主程序。

　　3.3網(wǎng)絡(luò)控制中心及語音控制程序設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)絡(luò)控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的連接橋梁，以云端服務(wù)器作為中介。網(wǎng)絡(luò)控制中心負(fù)責(zé)上傳本地?cái)?shù)據(jù)到云端，再通過云端發(fā)送給手機(jī)App到達(dá)用戶，用戶接收到相關(guān)數(shù)據(jù)并可操控App通過云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)指令到MCU中，再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的相關(guān)處理到主程序來進(jìn)行規(guī)則判斷，并最終調(diào)用本地函數(shù)完成整個(gè)運(yùn)行過程。語音控制方面也是網(wǎng)絡(luò)控制的一部分，通過對(duì)接第三方語音助手平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與服務(wù)器對(duì)接，接收平臺(tái)發(fā)來的數(shù)據(jù)對(duì)接到網(wǎng)絡(luò)控制中心來實(shí)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(gè)雙向交互過程，構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行體系[9-11]。網(wǎng)絡(luò)連接部分是通過消息隊(duì)列遙測傳輸(messagequeuingtelemetrytransport，MQTT)協(xié)議對(duì)接服務(wù)器的一個(gè)過程;MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”通信協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大優(yōu)點(diǎn)在于可以用極少的代碼和有限的帶寬為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[12]。其作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通信協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。

　　當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，EPS8266首先通過WiFi聯(lián)網(wǎng)來獲取IP地址，再通過MQTT協(xié)議對(duì)接服務(wù)器進(jìn)行握手，函數(shù)將發(fā)送密鑰到服務(wù)器來對(duì)接相應(yīng)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(duì)接啟動(dòng)完畢[13]。

　　3.4軟件控制客戶端界面的設(shè)計(jì)軟件控制客戶端基于Blinker平臺(tái)設(shè)計(jì)，通過平臺(tái)提供的控件及接入其云服務(wù)器接口來實(shí)現(xiàn)App與MCU的對(duì)接及其數(shù)據(jù)交換，用來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。界面可顯示當(dāng)前的各種模式、窗戶的開關(guān)以及衣物的晾曬情況，可實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速，提供各種操控模式供用戶使用。

　　4結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制的晾衣窗控制系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)已進(jìn)行實(shí)際使用，效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠通過便捷的方式來滿足人們對(duì)窗戶和晾衣的操控需求。其成本低廉，快捷方便。目前，該項(xiàng)目還有一些需要提升的地方，如可將電路設(shè)計(jì)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(yīng)用方面還可以接入如天貓精靈等更多語音平臺(tái)為用戶提供便捷的服務(wù)。后續(xù)研究中將逐步完善，使其能應(yīng)用于不同場景。

　　參考文獻(xiàn)(References)

　　[1]潘峰.智能語音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27(22)：6-9，14.

　　[2]傅大梅，盛彬.語音識(shí)別無線開關(guān)控制裝置的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，41(14)：33-35，39.

　　[3]尚浩.基于ESP智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].九江學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2020，35(3)：61-64.

　　[4]吳允強(qiáng)，吳由松.基于ESP8266的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(shù)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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