智慧家居·万物互联：我的智能花盆DIY之旅
0 写在前面
1 架构怎么搭？
1.1 系统层次
1.2 MQTT是什么？
1.3 项目流程
2 云平台怎么用？
2.1 创建设备
2.2 设备开发
2.3 设备管理
3 软件怎么设计？
3.1 依赖库配置
3.2 引脚定义与连接
3.3 WIFI配置
3.4 MQTT配置
3.5 连接云平台
3.6 执行设备
4 更进一步
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
1 架构怎么搭？
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。
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。
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：
添加自定义功能
下面是本次实验设计的所有功能。
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。
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。
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
安装Json库
3.2 引脚定义与连接
查看下面的ESP32引脚定义
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：
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
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。
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。
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。
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