基于OneNET的家居智能晾衣架系统设计.pdf

物联网技术 2023年/第11期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application680 引 言世界上第一个智能家居实例的出现，引起了欧美许多国家的家电行业改革，各个国家纷纷出台了促进智能家居加速发展的政策1-3。美国硅谷作为高科技的追随者和创造者也开展了对智能家居的研发，它将信息技术与智能家居系统进行了融合，作为其家居技术发展的一个重要方向。智能家居从被人们认识到慢慢接受，后发展到被需要，未来人们的生活或许更离不开智能家居4-7。对比传统的晾衣方法，智能晾衣将拥有更多优势。在这个智能家居电器已然存在于人们日常家庭生活的时代，大多数人还是采取手动晾衣的办法，这样的晾衣方式不仅耗费时间，而且还需要时刻关注天气情况。例如当人们不在家时，下雨了，衣服却还挂在阳台上，这样一来就需要重新晾衣。诸如此类常见的问题都能在智能晾衣架系统的应用下得到解决。本系统通过个性化的设计实现通过 BLINKER 手机 APP和 OneNET 平台查看晾衣情况，以及 BLINKER 手机 APP 控制晾衣架根据天气情况自动收衣，以此来满足用户日常需求。系统在拥有成本低、功耗低等特点的基础上，提供了可靠的智能晾衣服务。1 系统方案1.1 系统组成基于 OneNET 的家居智能晾衣架系统设计满足用户对家庭晾衣架的远程操作以及对周围环境监测的需求，使得家居晾衣智能化、可控化、便利化。该设计使用平台更加亲民、便利，随身携带的手机即可实现晾衣架的远程操作，且可视化界面简洁、易懂、方便用户操作。系统设计主要包括以下 3 个部分：第一，依据智能晾衣架系统设计需求与目的来实现硬件选型，绘制出对应的电路原理图，按照原理图实现硬件的电路连接，同时要求完成与之对应的传感器、舵机、灯泡等硬件的代码编写和代码烧录。要求下位机能够实现对阳台周围环境的数据采集，对双舵机的摆动控制以及灯泡的亮灭控制，还要能够自动根据周围环境向后摆动回收衣架。第二，云服务器端设计要求能通过 OneNET 云平台多协议接入来实现硬件设备的添加，通过代码的编写来配置MQTT 协议的接入以及 OneNET 云平台数据接收界面的配置。该模块用于实现智能晾衣架与云平台的信息交互。第三，BLINKER 手机 APP 可视化界面要求能使用手机APP 与下位机连接，使用点灯软件开发者模式对用户可视化界面进行开发编辑与配置按键和监视窗口，要求实现点灯软件相关代码编写；该模块通过手机热点和下位机 NodeMCU开发板进行数据的发送与收取，用于实现用户对阳台晾衣架数据的远程监测与监控。该系统的主要整体结构如图 1 所示。图 1 智能晾衣架系统设计整体框架1.2 主控芯片系统设计采用 NodeMCU 物联网开发板作为硬件系统的主控芯片，它是整个硬件系统的重要组成部分。主控芯片的主要作用是连接无线网络、接入服务器，且作为控制中心连接智能晾衣架外围的传感器，是硬件系统最终能否联动完美运行的一个重要因素。基于 OneNET 的家居智能晾衣架系统设计李民靖，郝东来（西京学院，陕西 西安 710123）摘 要：针对物联网在智能家居方面的应用，设计了一款智能晾衣架系统。采用 NodeMCU V3 物联网开发板作为主控芯片，通过 ESP8266 接入 OneNET 云平台以及 BLINKER 软件，系统实现了对家居智能晾衣架的远程控制以及对周围环境的监测，便于用户家居晾衣。关键词：智能晾衣架；智能家居；NodeMCU；MQTT；ESP8266；OneNET；BLINKER；物联网中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0068-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.018收稿日期：2022-10-21 修回日期：2022-11-18基金项目：西安市科学技术局科技计划项目（22GXFW0149）；西安市科技局先进制造业技术攻关项目（2021JH-06-0069）；陕西省重点研发计划一般项目（2022GY-118）2023年/第11期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application691.3 采集模块采集模块是由 DHT11 温湿度传感模块、BH1750 光照传感模块、雨滴传感模块以及主控芯片 NodeMCU 物联网开发板进行联动采集周围环境数据的。1.4 通信模块ESP8266 是一块芯片，而 NodeMCU 是以 ESP8266 为核心的物联网硬件开发板，它支持 WiFi 功能且使用方法与Arduino 开发板类似，所以可以使用 Arduino IDE 软件来对此开发板进行开发。本系统使用的 NodeMCU 开发板搭载了ESP8266 芯片作为通信芯片。基本原理与 ESP8266 单独芯片使用一致。1.5 控制模块本次控制模块使用的是 9 g 舵机，该舵机体积小、使用方便、力度大、较为稳定。舵机芯片拥有 3 个引脚，分别是VCC、GND、脉冲输入。控制模块的主要功能是控制晾衣架向前摆动或者向后摆动以及控制紫外线灯工作。通过手机APP 实现无线远程控制双舵机，两个舵机齿轮位置摆放一致且平行的时候，可以实现对晾衣架衣杆的前后摆动控制。智能晾衣架舵机的控制一般最大旋转角度为 180，满足晾衣架需要前后摆动的需求8。1.6 调试模块调试模块用于监测上述下位机各模块的基本工作情况，有利于掌握系统全局。调试模块为 CH341USB 总线转接芯片，该模块通过下载安装 CH341SER 驱动来实现主控芯片NodeMCU 对其的控制，以此在 Arduino 软件上显示串口，可以通过 Arduino 串口监视窗口实时查看串口数据收发情况，使系统的调试便利起来。2 系统软件设计与实现2.1 OneNET 服务器端设计与实现OneNET 支持多种协议的接入，系统设计使用的是OneNET 的 MQTT 协议接入。MQTT 协议具有轻量、简单、开放和易于实现等特点，这些特点使它有非常广泛的使用范围9。该协议的接入具体在 Arduino 的代码中体现。在OneNET 设备添加成功以后，OneNET 的控制台里可以对接入设备进行实时监测。下位机 NodeMCU 物联网开发板通过搭载的 ESP8266 芯片来实现无线网络连接，通过下位机采集模块对周围环境数据进行采集上传，OneNET 云平台监测界面可以直观地利用图表来显示传感器监测的周围环境数据。下位机通过 MQTT 协议实现与 OneNET 云服务的信息传递。2.2 智能晾衣架与 OneNET 服务器通信的实现智能晾衣架与 OneNET 建立通信是基于 OneNET 提供的 MQTT 协议。通过 Arduino 的代码编写，实现了下位机在接入无线网络的基础上利用 MQTT 协议接入 OneNET 云服务器。在接入无线网络的基础上，编写 Arduino 相关 MQTT协议连接的代码来实现下位机 ESP8266 与云服务器的接入。首先智能晾衣架要入网需要在代码内编写 char ssid 和 char pswd 来确定入网名称及密码，由此来接入无线网络。当 MQTT 接入成功时，会在 OneNET 多协议接入平台中显示绿色的在线状态；反之，设备会显示灰色的离线状态。在实现下位机入网 MQTT 协议接入 OneNET 云平台之后，可以在云平台监测到下位机发送的温度、湿度、光照强度的监测数据。具体监测图以湿度 humi 的监测数据为例，如图 2 所示。图 2 湿度监测数据OneNET 监测数据图显示下位机与 OneNET 服务器连接正常，数据上传稳定，连接速度较快。2.3 BLINKER 可视化界面开发采用点灯 BLINKER 软件平台对手机 APP 可视化界面进行开发。Blinker 应用层针对用户的实际传感器部署需求和远程控制需求，利用自带开发工具开发上位机 APP10。界面的开发同样依赖于 Arduino 代码的编写。在注册过点灯 APP 的用户以后，可以购买开发者模式，在此模式下手机 APP 可视化界面上下位机采集模块采集的信息会变成实时的数据显示，在价格低廉的基础上实现了实时监测阳台周围环境的需求。通过 WiFi 的入网使得下位机 NodeMCU 开发板接入互联网，同时点灯软件通过下位机手机热点的接入来识别设备的在线与离线状态。点灯 APP 开发的可视化界面能够监测智能晾衣架周围环境、控制灯泡亮灭和舵机前后摆动。2.4 智能晾衣架与点灯 APP 通信的实现点灯 APP 与下位机的联动基于点灯软件提供的密钥和手机热点 WiFi 的接入。密钥主要用于识别设备，手机热点用于下位机的入网。在配置点灯 APP 可视化界面时，获得了设备密钥，需要将密钥写入代码中帮助下位机 NodeMCU 物联网开发板接入点灯手机 APP。密钥配置用 char auth 来实现。使用 Arduino 成功烧录代码并下载到开发板里以后，用USB 数据线通电，将手机热点打开，保证手机为入网状态。此时打开点灯 APP 可以看到，设备智能晾衣架处于在线状态，具体如图 3 所示。在没有接入网络，没有给下位机通电的情况下，点灯软物联网技术 2023年/第11期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application70件上端显示离线，代表此时设备处于未入网的状态。具体如图 4 所示。图 3 点灯设备在线状态图 4 点灯设备离线状态3 系统实现与测试3.1 串口连接的测试本系统使用了 Micro 数据线来下载 Arduino 编写好的程序，利用安装好的 CH341SER 串口驱动识别硬件设备的接入。通过打开电脑设备管理器来检查硬件设备是否连接。当显示USB-SERAL CH340 时说明硬件 CH340 芯片被识别，即硬件连接成功。同时还要检查 Arduino 软件是否识别了硬件的接入，检查接入的串口是否与设备管理器显示的接入端口号一致。根据接入端口号，Arduino 软件会识别出 COM3 这个端口号。具体如图 5 所示。图 5 端口检查3.2 晾衣架周围环境数据采集的实现本系统在实现晾衣架硬件设备串口连接以后，可以通过 Arduino 内置的串口监视窗口来实现晾衣架周围环境的数据监测，代码当中设备串口波特率配置为 115 200，在打开串口以后选择对应的波特率 115 200，即可观测到硬件每隔一段时间上传一次数据。temp 对应了温度采集数据，单位为。humi 对应了湿度采集数据，是以百分比来衡量湿度大小。lumi 代表光照强度，因为是室内，光线昏暗，测量值较小。rain 代表雨滴值。在将 Arduino 代码烧录到 NodeMCU开发板以后，监测的数据正常，都在串口监视窗口中正常显示。从图 6 中可以清楚地看到智能晾衣架采集模块上传的各类数据，均被串口正常采集。图 6 串口监视窗口3.3 智能晾衣架自动化的测试智能晾衣架自动化的实现主要分两个部分：第一个是雨滴传感器监测雨滴值大于设定的阈值时，控制舵机回到起始位置；第二个是通过光强传感器来实现。以上两种情况均默认衣架处于摆动出去的状态。雨滴值通过 Arduino 串口监视窗口来监测，当雨滴传感器没有雨滴时，Arduino 串口监视窗口显示数值为 0 时，舵机保持原本状态；若数值不为 0，控制舵机摆动回初始状态。光照强度也可以通过 Arduino 串口监视窗口来监测。当光照强度小于 600 lux 时，晾衣架的舵机不摆动；当光照传感器监测光照值大于 600 lux 时，控制舵机收回，即回到摆动之前的状态。3.4 智能晾衣架上下位机测试上位机由点灯 APP 和 OneNET 云平台两个部分与下位机联调，其中点灯 APP 与下位机的联调包括点灯 APP 对监测温度、湿度、光照强度的实时显示，以及对硬件系统里的舵机和发光二极管 LED 灯泡的控制。当硬件通上电并且用 USB 数据线与电脑接入时，可以得到 Arduino 对应硬件串口监测数据与手机点灯 APP 数据大小一致，说明下位机成功地将数据传输给了上位机点灯 APP 的可视化界面。具体如图 7 所示。图 7 下位机与点灯 APP 数据成功传递在下位机成功入网的情况下，且点灯设备显示在线状态时，如果在上位机点灯 APP 按下紫外线灯按键，则联动下位机的发光二极管会亮，如图 8 所示。图 8 点灯 APP 按键点亮下位机 LED 灯同样的条件下，按下晾衣架控制按钮，拥有齿轮形状的图表变成蓝色时，舵机向前摆动 90；反之，舵机回归起始状态。具体联动状态如图 9、图 10 所示。晾衣架联动测试成功，根据按键按下与否，舵机会向前或者向后摆动 90，以此来实现对晾衣架的控制。2023年/第11期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application71 图 9 点灯 APP 按键控制 图 10 点灯 APP 按键控制 下位机舵机回归起始状态 下位机舵机摆动状态接下来是下位机与 OneNET 云服务器的联动测试。通过对比 Arduino 串口监视窗口与云平台设备接收的数据可以清楚地发现，下位机与上位机云平台通过 MQTT 协议实现了数据的传递。具体联调结果如图 11 所示。图 11 下位机与 OneNET 云服务器数据成功传递4 结 语本文设计并实现了一款基于 OneNET 的家居智能晾衣架系统，系统由三个部分组成，分别是 OneNET 云平台、手机BLINKER 软件以及基于 NodeMCU 物联网开发板的硬件系统。经过对智能晾衣架各部分系统功能的测试，发现系统能够实现预期功能。智能晾衣架系统设计仍然有许多可以拓展和提升的空间，为了在日常家居生活中起到更多作用，对智能晾衣架系统设计的相关技术还可以继续探讨和研究。通过对相关技术的运用与学习，一定能够让智能晾衣架更加贴近人们的实际生活，为人们带来更多便利。参考文献1 邓中祚.智能家居控制系统设计与实现 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.2 姜宇航.基于物联网的智能家居控制系统设计 D.长春：吉林大学，2014.3 王冉，孟磊.智能家居控制系统设计与实现 J.南方农机，2021，52（18）：187-190.4 李珊，成薇.基于物联网的简易智能家居系统 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