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智慧家居·万物互联：我的智能花盆DIY之旅(ESP32)

0 写在前面

🔥物联网(Internet of things, IoT)就是物物相连的互联网，在智能家居、智慧城市等方面有广泛应用。这次，我从零开始搭建一个基于ESP32的智能花盆，相信读完本文，你也可以亲自实现一个物联网应用，无论是参加创客大赛还是物联网比赛，都先人一步！

首先，先看看最后的实物图

在这里插入图片描述

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1 架构怎么搭？

在这里插入图片描述

1.1 系统层次

整个系统分为3部分：

  • 云端服务部分 使用任何云服务器即可，本项目使用涂鸦云平台，官网放在这涂鸦云平台
  • 控制器部分 本项目使用ESP32控制器，也可以使用STM32、树莓派等
  • 外围设备部分 即传感器、执行器等，本项目主要采用光敏电阻、DHT11温湿度传感器、灯管、风扇。也可使用舵机(做水阀)以及各种感应设备。

1.2 MQTT是什么？

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的"轻量级"通讯协议。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

在这里插入图片描述

图源网络，侵删

1.3 项目流程

MQTT的订阅方和发布方遵守同一种开发API格式，我们根据所选云平台设计好的API进行功能设计。在项目运转时，ESP32(或其他任何控制器)通过WIFI连接到互联网，使得其能够与云平台通信，去订阅云平台发布的话题(即API)，这样就能把底层传感器的数据收集并传输给平台，也能获得平台的反馈。

更进一步，可将物联网应用部署到移动端、Web等。
接下来就按系统层次一步步完成DIY。

2 云平台怎么用？

2.1 创建设备

进入涂鸦云平台选择产品开发，开始创建设备。
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按如下图文步骤完成产品创建。

  • 产品开发：创建产品
  • 选择产品：温湿度传感器
  • 选择智能化方式：设备接入
  • 完善产品信息：

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添加自定义功能
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下面是本次实验设计的所有功能。
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2.2 设备开发

领取免费激活码并注册一个设备，得到如下设备凭证。
在这里插入图片描述
记住这里的设备凭证，后续配置要用！！

2.3 设备管理

完成上述步骤后可以在设备管理中看到创建的设备。
在这里插入图片描述

3 软件怎么设计？

3.1 依赖库配置

本项目使用的DHT11驱动需要从下面两个地址下载库文件。DHT11、Adafruit_Sensor

MQTT库和JSON库则可以在Arduin仓库中自行下载。

安装MQTT库

在这里插入图片描述
安装Json库
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3.2 引脚定义与连接

查看下面的ESP32引脚定义
在这里插入图片描述

图源网络，侵删

我的定义如下所示，大家可以参考

#include "DHT.h"
#include "WiFi.h"
#include "PubSubClient.h"
#include "ArduinoJson.h"

GPIO///
#define DHTTYPE DHT11   // 定义温湿度传感器类型为DHT11
#define DHTPIN 15       // DHT11引脚
#define ADCPIN 32       // 光敏电阻引脚
#define LIGHTPIN 33     // 灯光控制引脚     
#define FANPIN 13       // 风扇控制引脚
GPIO///

根据定义的实际接线图如下：
在这里插入图片描述

3.3 WIFI配置

WIFI设置如下：

WIFI///
#define WIFI_SSID "Winter"       		// wifi名
#define WIFI_PASSWD "913982779" 		// wifi密码
WIFI///

3.4 MQTT配置

参考大家选用云平台的协议规范，我这里参考涂鸦云MQTT协议
在这里插入图片描述
需要配置ClientID、UserName、Password三个属性，都与前面设备凭证的DeviceId有关，其中Password需要根据设备密码用Hmac256算法加密。

MQTT///
#define mqttServer "m1.tuyacn.com"
#define mqttPort 1883
#define ClientId "tuyalink_6c9a1bfe77510a9904vbva"
#define User "6c9a1bfe77510a9904vbva|signMethod=hmacSha256,timestamp=1639372190,securemode=1,accessType=1"
#define Pass "e3b024852f65fffabbf17ccfe97b8a599b134a81037976736288df58ec88e188"
#define TOPIC "tylink/6c9a1bfe77510a9904vbva/thing/property/set"
MQTT///

3.5 连接云平台

连接WIFI

WiFiClient espClient;               //创建网络连接客户端

//连接WIFI相关函数
void setupWifi()
{
  delay(10);
  Serial.println("Connecting WIFI");
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWD);
  while (!WiFi.isConnected())
  {
    Serial.print(".");
    delay(500);
  }
  Serial.println("OK");
  Serial.println("Wifi connected successfully!");
  Serial.println("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

配置并连接MQTT

//链接mqtt
void setupMQTT()
{
 client.setServer(mqttServer, mqttPort);
 client.setCallback(callback); 
 while (!client.connected())
 {
   Serial.println("Connecting MQTT");
   if(client.connect(ClientId,User,Pass))
   {
     Serial.println("MQTT connected successfully!");
     client.subscribe(TOPIC);
   }
   else
   {
     Serial.print("Failed with state ");
     Serial.println(client.state());
     delay(2000);
   }
 }
}

其中MQTT回调函数的作用：若订阅的主题有消息则触发回调获取消息

// MQTT回调函数
void callback(char * topic,byte * payload,unsigned int length){
  DynamicJsonDocument doc(512);
  char charbuffer[512];
  Serial.print("Message arrived [");
  Serial.print(topic);
  Serial.println("]");
  int i = 0;
  for(;i<length;i++){
    charbuffer[i] = (char)payload[i];
  }
  charbuffer[i] = '\0';
  DeserializationError error = deserializeJson(doc,charbuffer);

  if(error){
    Serial.print(F("deserializeJson() failed: "));
    Serial.println(error.f_str());
    return;
  }
  bool lightOn = doc["data"]["light_switch"];
  bool dehumiOn = doc["data"]["fan_switch"];
  if (lightOn){
    digitalWrite(LIGHTPIN,HIGH);
  }
  else{
    digitalWrite(LIGHTPIN,LOW);
  }
  if (dehumiOn){
    digitalWrite(FANPIN,HIGH);
  }
  else{
    digitalWrite(FANPIN,LOW);
  }
}

Arduino的设置函数

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(LIGHTPIN,OUTPUT);
  Serial.begin(115200);
  setupWifi();
  setupMQTT();
  dht.begin();
}

Arduino的循环函数

void loop() {
  delay(5000);
  // Read humidity data
  int h = dht.readHumidity();
  // Read temperature as Celsius (the default)
  int t = dht.readTemperature();
  
  // Check if any reads failed and exit early (to try again).
  if (isnan(h) || isnan(t)) {
    Serial.println(F("Failed to read from DHT sensor!"));
    return;
  }

  // Read illumination data
  float l = analogRead(ADCPIN);
  int percent = 100 - l / 4096.0 * 100.0;

  // 串口打印
  Serial.print(F("Humidity: "));
  Serial.print(h);
  Serial.print(F("%  Temperature: "));
  Serial.print(t);
  Serial.print(F("C "));
  Serial.print(F("illumination: "));
  Serial.print(percent);
  Serial.println(F("% "));

  // 封装json
  DynamicJsonDocument doc(512);
  DynamicJsonDocument jsdata(256);
  DynamicJsonDocument tempdata(32);
  DynamicJsonDocument humidata(32);
  DynamicJsonDocument light(32);

  tempdata["value"] = t;
  tempdata["time"] = 1639454915;
  humidata["value"] = h;
  humidata["time"] = 1639454915;
  illudata["value"] = percent;
  illudata["time"] = 1639454915;
  jsdata["temp_current"] = tempdata;
  jsdata["humidity_current"] = humidata;
  jsdata["light_current"] = light;
  doc["msgId"] = "45lkj3551234001";
  doc["time"] = 1639454915;
  doc["data"] = jsdata;

  String str;
  serializeJson(doc, str);
//  Serial.println(str);

  // Sending to MQTT
  char *p = (char *)str.c_str();
  if(client.publish("tylink/6c9a1bfe77510a9904vbva/thing/property/report",p) == true)
    Serial.println("Success sending message.");
  else Serial.println("Failed sending message.");

  client.loop();
}

打开串口，成功收到连接消息。

在这里插入图片描述
打开云平台，成功看到设备在线。同时也能获得设置的各个属性信息。
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3.6 执行设备

由于我选择了USB灯管，但ESP32无法驱动USB(除非转接)，不得不以一种不甚优雅的方式通过树莓派间接驱动这些执行设备。大家只要选型选好就不存在这种两个控制器的问题，这里把树莓派理解成一种驱动器即可，它通过读ESP32的信号来点灯和驱动风扇。下面代码仅供参考

import RPi.GPIO as GPIO

#------------------------------------------------------#
# @breif: 执行设备
#-------------------------------------------------------#
class Exe:
    def __init__(self):			
        self.light = 11              # 引脚11接灯
        self.fan = 13             	# 引脚13接风扇
    	self.esp = 15				# 引脚15接ESP32
    	
        GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
        GPIO.setup(self.light,GPIO.OUT)
        GPIO.output(self.light,GPIO.LOW)
        GPIO.setup(self.fan ,GPIO.OUT)
   		GPIO.output(self.fan ,GPIO.LOW)
   		
    # @breif:驱动
    def run(self):
    	if GPIO.input(self.esp):
        	GPIO.output(self.light, GPIO.HIGH)
        	GPIO.output(self.fan , GPIO.HIGH)
		else:
			GPIO.output(self.light, GPIO.LOW)
        	GPIO.output(self.fan , GPIO.LOW)

4 更进一步

写了个简单的网页来实时监测、可视化。
在这里插入图片描述

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版权声明：本文为CSDN博主「Mr.Winter`」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/FRIGIDWINTER/article/details/121887153

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Mr.Winter`

我还没有学会写个人说明！

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