基于Arduino智能卫浴系统的设计与实现.pdf

基于Arduino智能卫浴系统的设计与实现吕佳伟，闵改河南平顶山学院，河南平顶山 467000摘要：随着科技的不断发展，智能卫浴系统已成为智能家居的重要组成部分，通过应用传感器、自动控制和通信技术，解决了传统卫浴设备存在的一些问题。设计和实现一种基于Arduino的智能卫浴系统，以提高水资源利用效率、节约能源、提高卫生水平和提供便利的使用体验。系统整体采用“终端主机服务器手机APP”的结构，相比于以往的卫浴系统，采用WIFI无线通信技术和云端服务器技术，实现了移动端的反向控制和实时监测。测试结果表明：基于Arduino的家庭卫浴系统实现了实时监测浴室参数和反向控制的功能，提升了卫浴智能水平，具有较强的可操作性和现实意义。关键词：智能卫浴；自动控制；云端服务器；WIFI；APP中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1672-0164（2023）06-0001-051引言近年来，基于Arduino的智能家居系统在国内得到了广泛关注和应用。研究者们提出了一系列基于Arduino平台的智能家居系统解决方案。在智能家居无线控制系统方面，鲁志伟等人设计的智能家居无线控制系统，通过WiFi模块实现家居设备的远程无线控制，提高了家居的便利性和舒适度1。在物联网家居硬件系统方面，谢明玮等人设计了物联网家居硬件系统，通过传感器和执行器的组合，实现对家居环境和设备的智能控制和管理2。景德镇陶瓷大学的营焕亚研究了基于物联网时代的人机交互卫浴产品设计。他提出了一种新的设计思路，通过引入物联网技术，将卫浴产品与智能终端设备相连接，实现了对卫浴产品的远程控制和监测。大大提高了用户的使用体验，并且具有很大的市场潜力3。以整个浴室环境作为基础，将各个独立设备同浴室内环境参数相结合，设计出一整套随环境参数变化而响应的智能控制设备，同时实现用户端的反向控制。设计增加如下创新点：一方面采用 WIFI 无线通信技术，实现反向控制功能的同时，在各个独立设备间建立联系。另一方面采用云端服务器技术，实现远程移动端的实时监测。在保证设计实用性的同时，使系统更具备整体性。2系统总体设计系统针对所要实现的功能，主要设计了如下六个功能模块：ESP8266模块、OLED显示模块、WIFI模块、传感器模块、反向控制模块以及上位机模块,系统总体设计框图如图1所示。（1）ESP8266模块：该模块为系统的主控，连接硬件设备并为其供电，其自带的ESP-12F芯片提供串口WIFI通信。连接终端传感器，负责读取终端传感器采集的数据处理并上传至OLED模块和云服务器。特定引脚连接响应端设备，以此达到控制驱动的作用。该模块作为STA模式时与WIFI连接，并通过WIFI与云服务器连接在一起，使环境数据能够上传云服务器，实现远程监控。作为AP模式时供APP连接，实现从上位机端查看浴室环境数据并实现对收稿日期：2023年6月27日；修回日期：2023年9月18日图1系统总体设计框图1C o m m u n i c a t i o n&I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y N o.6.2 0 2 3通信与信息技术 2 0 2 3 年第6 期(总第2 6 6 期)基于A r d u i n o 智能卫浴系统的设计与实现吕佳伟，闵改河南平顶山学院，河南平顶山 4 6 7 0 0 0摘 要：随着科技的不断发展，智能卫浴系统已成为智能家居的重要组成部分，通过应用传感器、自动控制和通信技术，解决了传统卫浴设备存在的一些问题。设计和实现一种基于A r d u i n o 的智能卫浴系统，以提高水资源利用效率、节约能源、提高卫生水平和提供便利的使用体验。系统整体采用“终端主机服务器手机A P P”的结构，相比于以往的卫浴系统，采用W I F I 无线通信技术和云端服务器技术，实现了移动端的反向控制和实时监测。测试结果表明：基于A r d u i n o 的家庭卫浴系统实现了实时监测浴室参数和反向控制的功能，提升了卫浴智能水平，具有较强的可操作性和现实意义。关键词：智能卫浴；自动控制；云端服务器；W I F I;A P P中图分类号：T P 2 7 3.5文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-0 1 6 4(2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-0 51 引言2 系统总体设计近年来，基于A r d u i n o 的智能家居系统在国内得到了广泛关注和应用。研究者们提出了一系列基于A r d u i n o 平台的智能家居系统解决方案。在智能家居无线控制系统方面，鲁志伟等人设计的智能家居无线控制系统，通过W i F i 模块实现家居设备的远程无线控制，提高了家居的便利性和舒适度。在物联网家居硬件系统方面，谢明玮等人设计了物联网家居硬件系统，通过传感器和执行器的组合，实现对家居环境和设备的智能控制和管理。景德镇陶瓷大学的营焕亚研究了基于物联网时代的人机交互卫浴产品设计。他提出了一种新的设计思路，通过引入物联网技术，将卫浴产品与智能终端设备相连接，实现了对卫浴产品的远程控制和监测。大大提高了用户的使用体验，并且具有很大的市场潜力P。以整个浴室环境作为基础，将各个独立设备同浴室内环境参数相结合，设计出一整套随环境参数变化而响应的智能控制设备，同时实现用户端的反向控制。设计增加如下创新点：一方面采用W I F I 无线通信技术，实现反向控制功能的同时，在各个独立设备间建立联系。另一方面采用云端服务器技术，实现远程移动端的实时监测。在保证设计实用性的同时，使系统更具备整体性。系统针对所要实现的功能，主要设计了如下六个功能模块：E S P 8 2 6 6 模块、O L E D 显示模块、W I F I 模块、传感器模块、反向控制模块以及上位机模块，系统总体设计框图如图1 所示。空气涩湿度检测水湿检测水位检测轴入检测电分方E S P 8 2 6 6处理模块W I R数据交互O E D 是示温度结中浓限动输出控制通风扇加热装置水泵响应设备图1 系统总体设计框图(1)E S P 8 2 6 6 模块：该模块为系统的主控，连接硬件设备并为其供电，其自带的E S P-1 2 F 芯片提供串口W I F I 通信。连接终端传感器，负责读取终端传感器采集的数据处理并上传至O L E D 模块和云服务器。特定引脚连接响应端设备，以此达到控制驱动的作用。该模块作为S T A 模式时与W I F I 连接，并通过W I F I 与云服务器连接在一起，使环境数据能够上传云服务器，实现远程监控。作为A P 模式时供A P P 连接，实现从上位机端查看浴室环境数据并实现对收稿日期：2 0 2 3 年6 月2 7 日；修回日期：2 0 2 3 年9 月1 8 日1响应端的反向控制。（2）WIFI模块：ESP8266搭载的ESP-12F芯片，负责建立硬件设备与云服务器的连接。也为APP反向控制提供可连接的WIFI。（3）传感器模块：该模块为系统的输入检测部分，主要包括三个终端传感器，分别为温度传感器、空气温湿度传感器和非接触式液位传感器，属于本系统的终端节点设备，负责采集相关的环境参数，处在系统的感知层。（4）反向控制模块：该模块包括水泵、风扇、加热装置三个响应设备，当用户察觉到环境异常时，可通过上位机反向控制水泵、风扇、加热装置开关。也可通过终端传感器采集数据后由主控设备自动控制。将各个模块相互结合，构成完整的硬件系统设备，整体实物图如图2所示。3硬件设计3.1ESP8266开发板为了适用于浴室内低功耗的环境，同时降低系统成本，为系统硬件的主控部分选择采用 ESP8266 CH340 串口的WIFI模块，需要选择合适的电源。电压过大可能击穿芯片,导致系统无法正常工作,而电压过小,则可能无法带动硬件工作4。芯片采用其搭载的 ESP-12F，作为一款高性能的WIFI转串口设备，在物联网的应用中，作为通信工具，占有一席之地。3.2WIFI模块系统需要实现检测数据的实时上传，因此要使用WIFI模块，所采用的是 ESP8266 搭载的 ESP-12F 型号的芯片。采用802.11 b/g/n协议。该模块存在两种工作模式：首先是做为STA模式，将服务器与客户端连接同一个WIFI，实时上传传感器模块所检测的数据并提供给ESP8266处理。其次，ESP8266还可以作为AP模式，创建一个WIFI，供移动端连接，以实现通信及反向控制。3.3OLED显示屏模块为了供用户在洗浴时查看实时水温和设定温度更为便捷，以及避免用户不清楚水温是否过高而被烫伤等风险。在浴室系统中添加了 OLED 显示屏。其具备轻薄、省电、显示效果好等优点，3.3V与5V的电源都可以为其供电，不需要修改模块电路，直接选取ESP8266的电源引脚为其供电。SDA引脚接ESP8266的GPIO4，SCL引脚接ESP8266的GPIO5。3.4水温采集模块系统需要实时检测水温数据，采用DS18B20温度传感器对浴室环境中水温数据进行检测，DS18B20的准确度以及抗干扰能力都较为出色，其完全具备工业级使用。在使用时，中间的IO引脚必须接上4.7K的上拉电阻，否则由于高电平不能正常输入/输出，通电后会显示-127。也可以选择直接使用DS18B20测温模块，将模块中的DS18B20直接替换为防水型DS18B20，也能满足要求。其能工作在3V到5V的电压，测温范围满足设计所需，直接采用ESP8266为其供电，IO口接ESP8266的GPIO12引脚。3.5空气温湿度采集模块设计需对浴室内环境参数进行监测，以防止用户因为浴室环境异常造成身体不适。对此，选择使用DHT11温湿度模块，其有效测量的温度范围为 050，湿度范围20%95%。从DHT11中获取温湿度数据的方法较比简单，首先是 ESP8266 与 DHT11 配对，然后按照特定的协议从DATA引脚接收数据。在DATA引脚同样需要一个4.7K上拉电阻。其DATA引脚连接ESP8266的GPIO2引脚。3.6液位监测模块设计浴室内浴池水位通过液位传感器来监测，以此防止浴池放水过多，造成溢出浪费。采用的液位传感器型号为XKC-Y21，类属于非接触式液位传感器模块，直接依附于非金属外壁，无需与液体直接接触。采用的是光学原理检测，传感器内部发射管发出的光通过棱镜折射回接收器。在没有水的情况下，从发光管中射出的光将全部反射回到接收端；在有水的情况下，发光管射出的光会被折射到液体中，只有很少的光或者没有光，才会反射到接收器上。感应壁厚度可达 5mm，输入电压为 DC 5V，输出方式为NPN，工作环境在-2075，OUT接 ESP8266的 GPIO0引脚。该模块能够较为准确的检测水温，使用户能够实时掌握水温情况。3.7继电器控制模块设计的响应端分别为浴室通风扇和水温加热装置以及控制浴池放水的电磁阀，这三种响应设备均采用继电器驱动，继电器的选择上，使用的是1路继电器。输入电压为DC 5V，IN口可以高或者低电平控制继电器吸合，NO为继电器常开接口,继电器吸合前悬空,吸合后与COM短接,COM为继电器公用接口,NC为继电器常闭接口,继电器吸合前与COM短接,吸合后悬空5。继电器通过高低电平触发，三个继电器IO初始状态均设为输出状态(OUTPUT)。驱动水泵的继电器的IN引脚定义为13，接ESP8266的GPIO13引脚。驱动风扇的继电器的IN图2系统总体实物图2通信与信息技术 2 0 2 3 年第6 期(总第2 6 6 期)响应端的反向控制。(2)W I F I 模块：E S P 8 2 6 6 搭载的E S P-1 2 F 芯片，负责建立硬件设备与云服务器的连接。也为A P P 反向控制提供可连接的W I F I。(3)传感器模块：该模块为系统的输入检测部分，主要包括三个终端传感器，分别为温度传感器、空气温湿度传感器和非接触式液位传感器，属于本系统的终端节点设备，负责采集相关的环境参数，处在系统的感知层。(4)反向控制模块：该模块包括水泵、风扇、加热装置三个响应设备，当用户察觉到环境异常时，可通过上位机反向控制水泵、风扇、加热装置开关。也可通过终端传感器采集数据后由主控设备自动控制。将各个模块相互结合，构成完整的硬件系统设备，整体实物图如图2 所示。3 硬件设计图2 系统总体实物图3.1 E S P 8 2 6 6 开发板为了适用于浴室内低功耗的环境，同时降低系统成本，为系统硬件的主控部分选择采用E S P 8 2 6 6 C H 3 4 0 串口的W I F I 模块，需要选择合适的电源。电压过大可能击穿芯片，导致系统无法正常工作，而电压过小，则可能无法带动硬件工作。芯片采用其搭载的E S P-1 2 F,作为一款高性能的W I F I 转串口设备，在物联网的应用中，作为通信工具，占有一席之地。3.2 W I F l 模块系统需要实现检测数据的实时上传，因此要使用W I F I模块，所采用的是E S P 8 2 6 6 搭载的E S P-1 2 F 型号的芯片。采用8 0 2.1 1 b/g/n 协议。该模块存在两种工作模式：首先是做为S T A 模式，将服务器与客户端连接同一个W I F I,实时上传传感器模块所检测的数据并提供给E S P 8 2 6 6 处理。其次，E S P 8 2 6 6 还可以作为A P 模式，创建一个W I F I,供移动端连接，以实现通信及反向控制。3.3 O L E D 显示屏模块为了供用户在洗浴时查看实时水温和设定温度更为便捷，以及避免用户不清楚水温是否过高而被烫伤等风险。在浴室系统中添加了O L E D 显示屏。其具备轻薄、省电、显示效果好等优点，3.3 V 与5 V 的电源都可以为其供电，不需要修改模块电路，直接选取E S P 8 2 6 6 的电源引脚为其供电。S D A 引脚接E S P 8 2 6 6 的G P I O 4,S C L 引脚接E S P 8 2 6 6 的G P I O 5。3.4 水温采集模块系统需要实时检测水温数据，采用D S 1 8 B 2 0 温度传感器对浴室环境中水温数据进行检测，D S 1 8 B 2 0 的准确度以及抗干扰能力都较为出色，其完全具备工业级使用。在使用时，中间的I O 引脚必须接上4.7 K 的上拉电阻，否则由于高电平不能正常输入/输出，通电后会显示-1 2 7。也可以选择直接使用D S 1 8 B 2 0 测温模块，将模块中的D S 1 8 B 2 0 直接替换为防水型D S 1 8 B 2 0,也能满足要求。其能工作在3 V到5 V 的电压，测温范围满足设计所需，直接采用E S P 8 2 6 6为其供电，I O 口接E S P 8 2 6 6 的G P I O 1 2 引脚。3.5 空气温湿度采集模块设计需对浴室内环境参数进行监测，以防止用户因为浴室环境异常造成身体不适。对此，选择使用D H T 1 1 温湿度模块，其有效测量的温度范围为0 5 0,湿度范围2 0?9 5?从D H T 1 1 中获取温湿度数据的方法较比简单，首先是E S P 8 2 6 6 与D H T 1 1 配对，然后按照特定的协议从D A T A 引脚接收数据。在D A T A 引脚同样需要一个4.7 K 上拉电阻。其D A T A 引脚连接E S P 8 2 6 6 的G P I O 2 引脚。3.6 液位监测模块设计浴室内浴池水位通过液位传感器来监测，以此防止浴池放水过多，造成溢出浪费。采用的液位传感器型号为X K C-Y 2 1,类属于非接触式液位传感器模块，直接依附于非金属外壁，无需与液体直接接触。采用的是光学原理检测，传感器内部发射管发出的光通过棱镜折射回接收器。在没有水的情况下，从发光管中射出的光将全部反射回到接收端；在有水的情况下，发光管射出的光会被折射到液体中，只有很少的光或者没有光，才会反射到接收器上。感应壁厚度可达5 m m,输入电压为D C 5 V,输出方式为N P N,工作环境在-2 0 7 5,O U T 接E S P 8 2 6 6 的G P I O 0引脚。该模块能够较为准确的检测水温，使用户能够实时掌握水温情况。3.7 继电器控制模块设计的响应端分别为浴室通风扇和水温加热装置以及控制浴池放水的电磁阀，这三种响应设备均采用继电器驱动，继电器的选择上，使用的是1 路继电器。输入电压为D C 5 V,I N 口可以高或者低电平控制继电器吸合，N O 为继电器常开接口，继电器吸合前悬空，吸合后与C O M 短接，C O M为继电器公用接口，N C 为继电器常闭接口，继电器吸合前与C O M 短接，吸合后悬空。继电器通过高低电平触发，三个继电器I O 初始状态均设为输出状态(O U T P U T)。驱动水泵的继电器的I N 引脚定义为1 3,接E S P 8 2 6 6 的G P I O 1 3 引脚。驱动风扇的继电器的I N2引脚定义为14，接ESP8266的GPIO14引脚。驱动加热装置的继电器的IN引脚定义为15，接ESP8266的GPIO15引脚。3.8响应模块该模块通过被动响应，来自动调节浴室内各个环境参数，包括有风扇控制卫浴通风，加热片调节水温以及水泵控制进出水，以此来满足用户所需。通风扇采用的是DC 5V的微型散热风扇。加热装置使用PTC小型低压恒温加热片，在通电后其阻值会升高，但表面的温度将不变。直流小水泵的供电电压为3V5V，正负极不可反接，否则会倒吸，为有刷电机，不适合长时间在空气中运行，在使用时结合直径6mm的水管使用。以上三种响应设备正极均连接继电器NO端口，负极接地。4软件设计4.1主程序设计整个系统包含六个部分，分别是 ESP8266 处理部分、输入检测的传感器部分、数据交互的WIFI部分、输出控制部分以及继电器驱动的响应设备。家庭浴室控制系统以ESP8266作为主控，使用用传感器对水温和水位以及空气温湿度进行实时检测，OLED显示屏显示水温、洗浴时间、温度是否过高和想要设置的目标温度，方便用户查看。同时为浴室增添了WIFI通信，在APP实时显示水温以及空气温湿度，并且在APP端可以通过按键控制继电器驱动响应设备。4.2水温采集模块程序设计DS18B20 将 采 集 到 水 温 转 化 为 数 字 信 号 传 递 给ESP8266，再由 ESP8266 处理，并在 OLED 显示屏能够显示，通过WIFI建立连接，将检测数据上传至云服务器。从APP端可查看数据，IO的引脚定义为12，连接ESP8266的GPIO12 引脚。在代码编写上，需完成对 DS18B20 库的调用，由于DS18B20类属1-Wire型传感器，需调用OneWire库，调用函数requestTemperatures()读取温度值。4.3空气温湿度采集模块程序设计DHT11温湿度传感器实时获取浴室内空气的湿度以及温度。由ESP8266主控将数据处理上传至云服务器，并在APP上能够查看实时空气温湿度值的变化，以此来实现自动开启风扇通风，避免因浴室内环境数据异常，导致用户出现身体不适。DHT11 类属于 1-Wire 型传感器，在调用DHT相关库时，还需调用OneWire库。IO的引脚定义为2，连接 ESP8266 的 GPIO2 引脚。接着便是调用 readTemperature()函数获取温度以及调用readHumidity()函数来读取温湿度值。4.4液位监测模块程序设计设计浴室内用来洗浴的浴池，在放水的过程中为了避免放水过多造成溢出浪费，采用非接触式液位传感器检测浴池水位的变化。选用 XKC-Y21-NPN 型号液位传感器，属于挡停触发，触发时为低电平，在浴池放水阶段，液位传感器未检测到水位，所以IO初始需设置为低电平(LOW)，IO 的 定 义 引 脚 为 0，初 始 状 态 为 输 入 状 态(INPUT)接ESP8266的GPIO0引脚。调用digitalRead()函数获取浴池当前状态是否有水。4.5WIFI通信模块的程序设计系统在设计主机端上位机时采用的是串口WIFI通信技术来实现与主控ESP8266的连接，通过串口接收来自终端传感器的环境参数，同时还可以通过WIFI向主控下发反向控制指令，再由主控发送至终端响应设备，终端判断后做出对应的动作。通信的建立首先需要调用 client.connected()函数跟MQTT服务器建立TCP连接，调用client.setServer()函数连接巴法云，以及调用WiFi.begin()连接WIFI，调用WiFi.status()函数设置返回连接状态。接着调用 client.subscribe()订阅APP主题，才能APP端查看终端传感器检测的数据值，订阅主题之后，要接受订阅收到的信息，以便于APP查看实时数据，当连接服务器完成，并订阅主题之后，ESP8266要作为AP模式，建立WIFI，设置WIFI名称与密码，APP需要连接WIFI建立通信。一系列连接建立后，发布订阅，串口 WIFI的通信建立完毕,首先 ESP8266上电启动，通过MQTT协议连接服务器，然后设置订阅主题，当接收到信息时连接WIFI，发布主题，最后通过APP连接WIFI查看主题内容。4.6响应模块的程序设计由 ESP8266 主控所负责的反向控制，系统开始工作，启动ESP8266，对响应设备进行初始化，由三个终端传感器对浴室内环境参数进行采集，以数字信号的形式传递给主控，并与设定阈值做对比，判断是否不符合阈值要求，并以输出高低电平的方式对终端响应设备进行控制。由APP所负责的反向控制，包括开关水泵，风扇，以及加热装置，另外还有控制阈值大小的两个按键。系统开始工作，APP首先订阅主题，连接WIFI，通过APP按键来转换IO口的高低电平，按下为高，再次按下为低，以此来反向控制响应设备。而阈值的加与阈值的减均为单次点击即可。4.7APP的程序设计APP的开发选用的是E4A，使用中文开发的同时布局也较为简洁，具备智能语法提示功能。是一款APP开发专属软件。APP整体界面如图3所示。在设计时，需首先建立MQTT通讯，藉此连接至巴法云服务器。连接后，弹出连接成功的的提示，显示内容为平台已连接，然后对设计好的主题进行订阅，便可查看浴室内各个环境数据，最后点击各个按钮可执行反向控制操运营一线基于Arduino智能卫浴系统的设计与实现3运营一线基于A r d u i n o 智能卫浴系统的设计与实现引脚定义为1 4,接E S P 8 2 6 6 的G P I O 1 4 引脚。驱动加热装置的继电器的I N 引脚定义为1 5,接E S P 8 2 6 6 的G P I O 1 5 引脚。3.8 响应模块该模块通过被动响应，来自动调节浴室内各个环境参数，包括有风扇控制卫浴通风，加热片调节水温以及水泵控制进出水，以此来满足用户所需。通风扇采用的是D C 5 V 的微型散热风扇。加热装置使用P T C 小型低压恒温加热片，在通电后其阻值会升高，但表面的温度将不变。直流小水泵的供电电压为3 V 5 V,正负极不可反接，否则会倒吸，为有刷电机，不适合长时间在空气中运行，在使用时结合直径6 m m 的水管使用。以上三种响应设备正极均连接继电器N O 端口，负极接地。4 软件设计4.1 主程序设计整个系统包含六个部分，分别是E S P 8 2 6 6 处理部分、输入检测的传感器部分、数据交互的W I F I 部分、输出控制部分以及继电器驱动的响应设备。家庭浴室控制系统以E S P 8 2 6 6 作为主控，使用用传感器对水温和水位以及空气温湿度进行实时检测，O L E D 显示屏显示水温、洗浴时间、温度是否过高和想要设置的目标温度，方便用户查看。同时为浴室增添了W I F I 通信，在A P P 实时显示水温以及空气温湿度，并且在A P P 端可以通过按键控制继电器驱动响应设备。4.2 水温采集模块程序设计D S 1 8 B 2 0 将采集到水温转化为数字信号传递给E S P 8 2 6 6,再由E S P 8 2 6 6 处理，并在O L E D 显示屏能够显示，通过W I F I 建立连接，将检测数据上传至云服务器。从A P P 端可查看数据，I O 的引脚定义为1 2,连接E S P 8 2 6 6 的G P I O 1 2 引脚。在代码编写上，需完成对D S 1 8 B 2 0 库的调用，由于D S 1 8 B 2 0 类属1-W i r e 型传感器，需调用O n e W i r e库，调用函数r e q u e s t T e m p e r a t u r e s()读取温度值。4.3 空气温湿度采集模块程序设计D H T 1 1 温湿度传感器实时获取浴室内空气的湿度以及温度。由E S P 8 2 6 6 主控将数据处理上传至云服务器，并在A P P 上能够查看实时空气温湿度值的变化，以此来实现自动开启风扇通风，避免因浴室内环境数据异常，导致用户出现身体不适。D H T 1 1 类属于1-W i r e 型传感器，在调用D H T 相关库时，还需调用O n e W i r e 库。I O 的引脚定义为2,连接E S P 8 2 6 6 的G P I O 2 引脚。接着便是调用r e a d T e m p e r a-t u r e l)函数获取温度以及调用r e a d H u m i d i t y()函数来读取温湿度值。4.4 液位监测模块程序设计设计浴室内用来洗浴的浴池，在放水的过程中为了避免放水过多造成溢出浪费，采用非接触式液位传感器检测浴池水位的变化。选用X K C-Y 2 1-N P N 型号液位传感器，属于挡停触发，触发时为低电平，在浴池放水阶段，液位传感器未检测到水位，所以I O 初始需设置为低电平(L O W),I O 的定义引脚为0,初始状态为输入状态(I N P U T)接E S P 8 2 6 6 的G P I 0 0 引脚。调用d i g i t a l R e a d()函数获取浴池当前状态是否有水。4.5 W I F l 通信模块的程序设计系统在设计主机端上位机时采用的是串口W I F I 通信技术来实现与主控E S P 8 2 6 6 的连接，通过串口接收来自终端传感器的环境参数，同时还可以通过W I F I 向主控下发反向控制指令，再由主控发送至终端响应设备，终端判断后做出对应的动作。通信的建立首先需要调用c l i e n t.c o n n e c t e d()函数跟M Q T T 服务器建立T C P 连接，调用c l i e n t.s e t S e r v e r()函数连接巴法云，以及调用W i F i.b e g i n()连接W I F I,调用W i F i.s t a t u s()函数设置返回连接状态。接着调用c l i e n t.s u b s c r i b e()订阅A P P 主题，才能A P P 端查看终端传感器检测的数据值，订阅主题之后，要接受订阅收到的信息，以便于A P P 查看实时数据，当连接服务器完成，并订阅主题之后，E S P 8 2 6 6要作为A P 模式，建立W I F I,设置W I F I 名称与密码，A P P需要连接W I F I 建立通信。一系列连接建立后，发布订阅，串口W I F I 的通信建立完毕，首先E S P 8 2 6 6 上电启动，通过M Q T T 协议连接服务器，然后设置订阅主题，当接收到信息时连接W I F I,发布主题，最后通过A P P 连接W I F I 查看主题内容。4.6 响应模块的程序设计由E S P 8 2 6 6 主控所负责的反向控制，系统开始工作，启动E S P 8 2 6 6,对响应设备进行初始化，由三个终端传感器对浴室内环境参数进行采集，以数字信号的形式传递给主控，并与设定阈值做对比，判断是否不符合阈值要求，并以输出高低电平的方式对终端响应设备进行控制。由A P P 所负责的反向控制，包括开关水泵，风扇，以及加热装置，另外还有控制阈值大小的两个按键。系统开始工作，A P P 首先订阅主题，连接W I F I,通过A P P 按键来转换I O 口的高低电平，按下为高，再次按下为低，以此来反向控制响应设备。而阈值的加与阈值的减均为单次点击即可。4.7 A P P 的程序设计A P P 的开发选用的是E 4 A,使用中文开发的同时布局也较为简洁，具备智能语法提示功能。是一款A P P 开发专属软件。A P P 整体界面如图3 所示。在设计时，需首先建立M Q T T 通讯，藉此连接至巴法云服务器。连接后，弹出连接成功的的提示，显示内容为平台已连接，然后对设计好的主题进行订阅，便可查看浴室内各个环境数据，最后点击各个按钮可执行反向控制操3作。以上操作界面均可弹出相应提示。5系统测试测试方法为黑盒测试。接着测试系统功能，在传统的浴室环境下提前2-3天将设计的系统实物安装，人为改变浴室环境条件，观察系统是否能够正确做出响应。之后，在卧室、客厅等距离浴室有一定距离的场所测试反向控制等功能，观察终端响应设备是否做出响应。测试的主要目的是找出系统在设计过程出现的问题，以及检测最终的系统有没有达到设计方案的要求，在测试中要分析问题原因，及时修正，从而完善系统的功能，使系统更加完备。5.1OLED显示测试终端的 DS18B20传感器所采集的水温，会在 OLED屏幕实时显示，如图4所示。方便用户在没有手机的浴室内也能了解水温的变化。显示界面 TEM 为实时温度，TIME 为系统运行时钟，STATE显示水温是否异常，一般设定80以下，超过80则显示异常，低于80则显示正常normal。GOAL显示用户想要水温到达得目标温度。测试显示OLED模块正常。5.2无线通信功能测试无线通信功能主要用于数据传递工作，对该功能的测试主要通过控制端和ESP8266之间的通信进行。在客厅内，连接WIFI后，由ESP8266将终端采集的数据处理并上传，打开APP查看数据是否上传，记录测试数据表如表1所示。数据上传的成功率较为可观。5.3反向控制功能测试反向控制功能主要用于对终端响应设备的开关，该功能的测试主要通过终端传感器采集数据给 ESP8266进行，由ESP8266处理后传递给终端响应设备，由终端响应设备做出反应，记录测试数据表如表2所示。5.4APP显示数据及按键功能测试APP界面显示三个数据，分别为水的温度，空气的温度和湿度，如图5所示。并且数据根据浴室内环境变化而变化。APP除了显示数据外，还有按键反向控制响应设备以及调节阈值大小的功能。在客厅内使用APP给予指令后，查看响应端设备是否响应，测试表如表3所示。由于水泵受液位传感器挡停的影响，测试时通过按键反向控制的成功率相比于被单一高低电平控制的风扇、加测试项目水泵风扇加热装置测试次数252525响应次数222322成功率88%92%88%测试数据水温空气温度空气湿度测试次数252525上传次数232421成功率92%96%85%图3APP显示界面图4OLED显示界面表1无线通信功能测试数据表2反向控制功能测试图5APP显示数据测试按键阈值加阈值减水泵风扇加热装置测试次数2525252525响应次数2324192323成功率92%96%76%92%92%表3APP按键测试4通信与信息技术 2 0 2 3 年第6 期(总第2 6 6 期)作。以上操作界面均可弹出相应提示。台来道址扫笔属图3 A P P 显示界面5 系统测试测试方法为黑盒测试。接着测试系统功能，在传统的浴室环境下提前2-3 天将设计的系统实物安装，人为改变浴室环境条件，观察系统是否能够正确做出响应。之后，在卧室、客厅等距离浴室有一定距离的场所测试反向控制等功能，观察终端响应设备是否做出响应。测试的主要目的是找出系统在设计过程出现的问题，以及检测最终的系统有没有达到设计方案的要求，在测试中要分析问题原因，及时修正，从而完善系统的功能，使系统更加完备。5.1 O L E D 显示测试终端的D S 1 8 B 2 0 传感器所采集的水温，会在O L E D 屏幕实时显示，如图4 所示。方便用户在没有手机的浴室内也能了解水温的变化。n a图4 O L E D 显示界面显示界面T E M 为实时温度，T I M E 为系统运行时钟，S T A T E 显示水温是否异常，一般设定8 0 以下，超过8 0 则显示异常，低于8 0 则显示正常n o r m a l。G O A L 显示用户想要水温到达得目标温度。测试显示O L E D 模块正常。5.2 无线通信功能测试无线通信功能主要用于数据传递工作，对该功能的测试主要通过控制端和E S P 8 2 6 6 之间的通信进行。在客厅内，连接W I F I 后，由E S P 8 2 6 6 将终端采集的数据处理并上传，打开A P P 查看数据是否上传，记录测试数据表如表1 所示。数据上传的成功率较为可观。表1 无线通信功能测试数据测试数据测试次数上传次数成功率水温2 52 39 2%空气温度空气湿度2 52 52 42 19 6%8 5%5.3 反向控制功能测试反向控制功能主要用于对终端响应设备的开关，该功能的测试主要通过终端传感器采集数据给E S P 8 2 6 6 进行，由E S P 8 2 6 6 处理后传递给终端响应设备，由终端响应设备做出反应，记录测试数据表如表2 所示。表2 反向控制功能测试测试项目测试次数响应次数成功率水泵风扇加热装置2 52 52 52 22 32 28 8%9 2%8 8%5.4 A P P 显示数据及按键功能测试A P P 界面显示三个数据，分别为水的温度，空气的温度和湿度，如图5 所示。并且数据根据浴室内环境变化而变化。温度2 8.0 0证度图5 A P P 显示数据A P P 除了显示数据外，还有按键反向控制响应设备以及调节阈值大小的功能。在客厅内使用A P P 给予指令后，查看响应端设备是否响应，测试表如表3 所示。测试按键阈值加阈值减水泵风扇加热装置表3 A P P 按键测试测试次数响应次数2 52 32 52 42 51 92 52 32 52 3成功率9 2%9 6%7 6%9 2%9 2%由于水泵受液位传感器挡停的影响，测试时通过按键反向控制的成功率相比于被单一高低电平控制的风扇、加4热装置以及阈值来说，成功率相对偏低。6总结设计基于 Arduino 开发板为研究核心，并选择搭载ESP-12F芯片，实现WIFI通信，通过在开发板上扩充一些其他的硬件设备，以开源的Android操作系统为软件平台，再加上必要的驱动程序和应用程序，构建了一个完整的基于Arduino的家庭浴室系统。在节水、节能、卫生、便利性和用户体验等方面达到了理想的预期。这为智能卫浴系统的进一步优化和发展提供了有力的依据，对于提高卫浴设备的智能化水平和用户满意度具有重要的意义。参考文献1鲁志伟,闫金萌.基于Arduino的智能家居无线控制系统设计与实现J.通信与信息技术,2023(02):13-16.2谢明玮,李里程,彭善琼.基于Arduino的物联网家居硬件系统设计与实现J.物联网技术,2023,13(02):78-81.3营焕亚.基于物联网时代的人机交互卫浴产品设计研究D.江西省景德镇：景德镇陶瓷大学,2022.4屈浩阳,孙泽军.基于物联网的危险品仓库环境监测系统的设计与实现J.物联网技术,2021,11(12):43-46+49.5熊波.基于树莓派的智能家居系统的设计与实现D.四川成都：西南石油大学,2018.6胡永强,谢伟藩.智能化技术在卫浴产品设计中的应用研究J.建材与装饰,2019(21):99-100.7耿小丁.用户需求下的智能卫浴产品设计研究D.江西省景德镇：景德镇陶瓷大学,2022.作者简介吕佳伟（2001），男，研究方向为物联网通信、无线传感器。闵改（1981），女，硕士，讲师，研究方向为复杂网络、图像识别等。Design and implementation of intelligent bathroom system based on ArduinoL Jiawei,MIN GaiPingdingshan University,Pingdingsha