基于ESP32的遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷 宇

(上?？茖W(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，上海 201800)

0 引言

近年來，智能家居概念愈發(fā)普及，其利用電子技術(shù)、通信技術(shù)，將家庭內(nèi)部的各種電器、家居緊密地聯(lián)系到一起，通過專用的控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，使人們生活更加便捷、舒適，產(chǎn)生了積極影響[1]。本文基于此概念，設(shè)計(jì)了一套家居控制系統(tǒng)：用戶通過手機(jī)、電腦中的瀏覽器訪問云服務(wù)器所提供的Web頁(yè)面，該頁(yè)面能接收、顯示家中的溫濕度狀態(tài)信息，用戶還能通過頁(yè)面上的按鈕組件對(duì)燒水壺等電器進(jìn)行操控。這套系統(tǒng)的使用不受地理限制，只需要用戶能夠接入互聯(lián)網(wǎng)即可。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程操作，需要云服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。在云服務(wù)器上開發(fā)后臺(tái)應(yīng)用，一方面，接受家中控制器發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)連接，獲取控制器傳來的溫濕度數(shù)據(jù)，以及向控制器發(fā)送電器運(yùn)行指令；另一方面，為用戶提供Web頁(yè)面作為控制臺(tái)，將溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示到控制臺(tái)上并接收用戶在控制臺(tái)上對(duì)電器的控制指令。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)中的控制器需要網(wǎng)絡(luò)連接的能力，故采用樂鑫公司設(shè)計(jì)研發(fā)的ESP32微控制器。該芯片專為可穿戴電子產(chǎn)品、移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，將天線、功率放大器、電源管理、濾波器等功能集于一體，使得其最小系統(tǒng)只需較少的外圍器件。同時(shí)，ESP32提供了SPI，SDIO，I2C，UART等接口，便于與外圍功能模塊進(jìn)行連接。最重要的是，該款芯片支持TCP/IP聯(lián)網(wǎng)、ESP-MESH聯(lián)網(wǎng)及TLS 1.0、TLS 1.1、TLS1.2等各種WiFi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，該控制器就可以連接到家中的WiFi網(wǎng)絡(luò)，并與云服務(wù)器建立WebSocket連接。

2.1 溫濕度測(cè)量模塊

溫濕度測(cè)量模塊種類較多，本文設(shè)計(jì)選用DHT11溫濕度傳感器，其內(nèi)部具有自動(dòng)校準(zhǔn)模塊可對(duì)所采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，相比于其他型號(hào)傳感器，具有響應(yīng)快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、抗干擾性能高等優(yōu)點(diǎn)[2]。應(yīng)用時(shí)將其1號(hào)腳、4號(hào)腳分別與ESP32的VDD，GND相連，作為電源供電，將其2號(hào)管腳經(jīng)5 KΩ的上拉電阻與ESP32的P21管腳相連，用作數(shù)據(jù)讀取，如圖2所示。

圖2 溫濕度測(cè)量模塊電路

2.2 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊用于控制如燒水壺、照明燈等用電設(shè)備的工作，故選用最大負(fù)載為250VAC的繼電器。將控制器的P22管腳作為控制管腳，連接到三極管的基極，利用三極管的開關(guān)作用驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈工作。電路中還需要在電磁鐵回路中使用二極管，抑制繼電器開關(guān)瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，防止三極管被擊穿；R1電阻用于控制管腳由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，迅速釋放基極與發(fā)射極之間電容上的電荷，使三極管能夠快速截止[3]，如圖3所示。

圖3 繼電器控制模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的控制器與云服務(wù)器之間、瀏覽器與云服務(wù)器之間的通信均是雙向的，如既需要控制器主動(dòng)向云服務(wù)器發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)，也需要云服務(wù)器主動(dòng)向控制器發(fā)送電器的控制信號(hào)，故采用WebSocket作為它們之間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

WebSocket協(xié)議便能實(shí)現(xiàn)在單個(gè)TCP連接上進(jìn)行全雙工通信，于2011年被IETF定為標(biāo)準(zhǔn)RFC 6455。WebSocket應(yīng)用之前，很多網(wǎng)站為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)推送功能，所用的技術(shù)都是輪詢，即以特定的時(shí)間間隔(如每5 s)，由瀏覽器自動(dòng)對(duì)服務(wù)器發(fā)起HTTP請(qǐng)求，再由服務(wù)器返回最新的消息數(shù)據(jù)給客戶端瀏覽器。這種傳統(tǒng)的模式帶來比較明顯的缺點(diǎn)，即瀏覽器需要不斷地向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，且由于HTTP請(qǐng)求可能包含較長(zhǎng)的頭部，真正有效的數(shù)據(jù)可能只占很小的一部分，明顯浪費(fèi)寶貴的帶寬資源。在這種情況下，HTML5中定義了WebSocket協(xié)議，能更好地節(jié)省服務(wù)器資源和帶寬，能更實(shí)時(shí)地進(jìn)行全雙工通信。

3.1 控制器軟件設(shè)計(jì)

(1)控制器初始化，具體包括先根據(jù)固化的SSID及密碼進(jìn)行WiFi連接，連接成功后，再向服務(wù)器的特定Websocket地址發(fā)起連接請(qǐng)求。(2)在Websocket連接的receive回調(diào)函數(shù)中，解析云服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)，偵測(cè)電器工作的控制信號(hào)，若使電器工作，則輸出P22管腳為高電平，控制繼電器的電磁鐵吸合，接通電器的電源回路，否則，輸出P22管腳為低電平。(3)以2 s為周期，對(duì)溫濕度模塊進(jìn)行輪詢，讀取溫濕度數(shù)據(jù)后，再通過Websocket連接的send回調(diào)函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器。

3.2 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件使用Django框架開發(fā)[4]。(1)為控制臺(tái)頁(yè)面的訪問提供HTTP路由服務(wù)，使用戶可以通過手機(jī)、電腦中的瀏覽器訪問到控制臺(tái)。(2)接受客戶端和控制器端發(fā)起的Websocket請(qǐng)求，對(duì)控制器端產(chǎn)生的溫濕度數(shù)據(jù)以及客戶端產(chǎn)生的電器運(yùn)行控制信號(hào)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

3.3 瀏覽器端軟件設(shè)計(jì)

通過VUE框架開發(fā)用戶控制臺(tái)頁(yè)面，該頁(yè)面同樣向服務(wù)器發(fā)起WebSocket連接請(qǐng)求，作為數(shù)據(jù)交換通道[5]。為保證安全性，防止其他人對(duì)家居的非法操控，用戶訪問控制臺(tái)時(shí)，需輸入密碼，服務(wù)器后臺(tái)程序校驗(yàn)無誤后，才能接受該客戶端的Websocket連接請(qǐng)求。

(1)同控制器軟件設(shè)計(jì)類似，在Websocket連接的receive回調(diào)函數(shù)中偵測(cè)云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的溫濕度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新顯示在頁(yè)面中。

(2)頁(yè)面中的開關(guān)組件一旦被用戶觸發(fā)，則通過send回調(diào)函數(shù)向云服務(wù)器發(fā)送電器工作控制信號(hào)。

4 測(cè)試

在服務(wù)器端啟動(dòng)后臺(tái)程序。將控制器的外圍電路進(jìn)行焊接，確保各元件沒有虛焊、短路等情況，再將程序下載至ESP32中運(yùn)行。在瀏覽器中輸入地址進(jìn)入登錄頁(yè)面，再輸入登錄密碼后，順利顯示控制臺(tái)頁(yè)面。

控制臺(tái)中的溫濕度顯示組件能夠顯示出溫濕度測(cè)量模塊所處環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并且按2 s為周期更新數(shù)據(jù)，說明該模塊與控制器間的通信正常。點(diǎn)擊控制臺(tái)中的照明燈開關(guān)組件為工作狀態(tài)，可使esp32的P22管腳輸出高電平，控制繼電器吸合，成功將家中的照明燈打開，再次點(diǎn)擊該組件，可使家中照明燈關(guān)閉，說明繼電器控制模塊與控制器間的通信同樣正常?？梢?，云服務(wù)器能夠起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用，系統(tǒng)能夠按設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ESP32的遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)，通過溫濕度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，再經(jīng)由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到用戶頁(yè)面，也可將用戶在頁(yè)面中的觸控指令，通服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到ESP32，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程操控。本文實(shí)現(xiàn)的功能雖然較為簡(jiǎn)單，但整體的研究為智能家居控制系統(tǒng)提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，后期研究可以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行功能上的拓展，如人臉識(shí)別、安防監(jiān)控等。