基于NodeMCU的物聯(lián)網(wǎng)教學平臺設(shè)計與實現(xiàn)

蘇神保 劉丹 湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學院 湖南省長沙市 410205

0 NodeMCU介紹

NodeMCU是基于樂鑫ESP8266芯片二次開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)開源平臺[1]，由USB轉(zhuǎn)串口芯片CP2102或者CH340與ESP-12E物聯(lián)網(wǎng)模塊構(gòu)成。燒錄不同固件可以滿足不同的集成開發(fā)環(huán)境。目前NodeMCU的開發(fā)方式主要有三種：一是AT指令方式 ，通過燒錄AT的固件包，使用AT指令與ESP8266交互，執(zhí)行相應(yīng)指令，本教學平臺串口WIFI模塊的透傳就是通過這種方式開發(fā)的；二是Lua開發(fā)，通過燒錄NodeMCU的固件包，使用Lua語言開發(fā)，且使用ESP內(nèi)部資源；三是Arduino IDE下的開發(fā)，相當于直接編寫固件，編譯之后，燒錄進ESP，本教學平臺NodeMCU下位機程序設(shè)計就是在Arduino集成開發(fā)環(huán)境下安裝ESP8266資源包來實現(xiàn)的。

1 教學平臺總體框架

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)課程日常教學及實驗項目需要，本平臺使用51單片機及傳感器課程教學所用器件，如使用光敏傳感器（模擬值）來獲取當前環(huán)境光線強度，使用DS18B20溫度傳感器來獲取當前環(huán)境溫度，使用DHT11溫濕度傳感器來獲取當前溫度和濕度，使用SR04超聲波傳感器來獲取障礙物距離，借助NodeMCU自身GPIO口和繼電器來控制房間燈的開關(guān)，使用S90舵機來模擬房間開門關(guān)門動作。因NodeMCU可用于外接傳感器的GPIO口有限，如需外接其它傳感器，替換上述部分傳感器即可。

教學平臺總體設(shè)計框圖如下圖圖1所示：

圖1 物聯(lián)網(wǎng)教學平臺總體框架圖

上述核心控制板也可以換成Arduino Uno作為入門級教學主控單元，需要中文顯示可以將LCD1602替換為OLED12864，但為了體現(xiàn)NodeMCU和ESP8266在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，建議核心控制單元使用NodeMCU。另外地，串口WIFI模塊ESP-12E也可以直接用NodeMCU來取代。Android手機與Windows電腦上位機端程序可以網(wǎng)絡(luò)下載，也可以自行開發(fā)。

2 子模塊舉例

Arduino集成開發(fā)環(huán)境作為物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)工具得到廣泛運用的一個主要因素就是具有開源性，用戶只要下載相應(yīng)的庫文件即可，而不需要清楚的知道各個模塊內(nèi)部是如何驅(qū)動的。庫文件是類庫和函數(shù)的集合，庫文件的使用可以提高代碼編寫效率及程序可讀性[2]。

2.1 光敏電阻傳感器（模擬）模塊

光敏電阻傳感器（模擬）模塊的設(shè)計主要是為了讓學生了解NodeMCU的模擬analog輸入輸出部分知識[3]。在NodeMCU中，有且僅有一個模擬輸入管腳A0用于模擬輸入，取值范圍為0~1023，讀取該管腳的模擬PWM值并顯示在I2C1602液晶顯示器和串口上,用于顯示當前光照強度，同時將該PWM值映射（MAP）至模擬輸出管腳（外接LED）上，實現(xiàn)感光燈的效果，加強實驗的興趣性。

2.2 DS18B20溫度傳感器模塊

根據(jù)Arduino集成開發(fā)環(huán)境的開源性，可以在GitHub官網(wǎng)上下載該模塊的庫文件，并將該庫文件拷貝至libraries目錄，按照庫文件的示例程序和實際情況來編寫相應(yīng)程序即可。但在實際開發(fā)過程中，庫文件種類繁多，編譯容易出錯。為了提高教學效率，建議安裝DFRobot圖形化編程Mind+軟件，該軟件安裝目錄底下自身帶有日常常見傳感器庫文件，按同樣的方式拷貝至libraries目錄，程序包含該頭文件并創(chuàng)建對象即可。示例程序如下圖圖2所示：

圖2 DS18B20庫文件使用方法

教學實驗平臺中所使用的其余傳感器如DHT11溫濕度傳感器、S90舵機、SR40超聲波傳感器以及I[2]C1602液晶顯示器均可以采用同樣的方法進行。如此一來，大大簡化了程序設(shè)計的難度，提高其實用性。庫文件的獲取除了上述兩種方式外，還可以利用Arduino IDE自帶庫管理器通過搜索關(guān)鍵字在線下載獲得，對于學有余力的同學而言，可以按格式要求自己編寫庫文件。

3 串口藍牙與串口WIFI模塊

NodeMCU硬件電路自帶有串行通信接口，外接串口藍牙模塊或者串口WIFI模塊即可實現(xiàn)與上位機的交互通信，也是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。串口藍牙模塊的AT指令配置相對較為簡單，這里重點舉例介紹一下串口WIFI模塊。在使用AT指令與ESP-12E串口模塊交互時，首先需要對模塊燒錄AT固件[4]。

//設(shè)置WiFi應(yīng)用模式為AP熱點模式

AT+CWMODE =2

//設(shè)置模塊AP模式下的SSID號、密碼、信道號、加密方式。

AT+CWSAP="ESP-12EAP","12345678",11,0

//設(shè)置單連接模式。

AT+CIPMUX=0

//設(shè)置為透傳模式。

AT+CIPMODE=1

//進入透傳模式，并保存。（進入后模塊就一直為透傳模式，IP地址為上位機連接模塊所發(fā)出WIFI熱點信號時獲取的IP地址，一般為192.168.4.2。需要退出則取消發(fā)送新行，發(fā)送+++，返回CLOSED,然后執(zhí)行AT+RESTORE命令恢復(fù)出廠設(shè)置。）

AT+SAVETRANSLINK=1,"上位機的IP",8080,"TCP"

執(zhí)行完上述AT命令后，此時上位機IP做服務(wù)器，服務(wù)器端口號為8080，模塊作為客戶端上電后自動連接服務(wù)器，接收上位機發(fā)送命令并將下位機數(shù)據(jù)上傳至手機或者電腦上位機端。

4 上位機端遠程控制

藍牙上位機一般通過Android手機APP實現(xiàn)，WIFI遠程控制上位機則既可以是Windows電腦，也可以是Android手機。上位機程序涉及到Android和Windows程序開發(fā)，非本實驗平臺教學內(nèi)容，學生可通過互聯(lián)網(wǎng)下載相應(yīng)程序安裝調(diào)試即可。

給出本實驗平臺上位機Android藍牙串口APP和Windows Socket Tool應(yīng)用程序調(diào)試界面分別如圖3、4所示：

圖3 Android上位機藍牙及WIFI調(diào)試界面

圖4 Windows上位機WIFI調(diào)試界面

5 教學內(nèi)容設(shè)計

本實驗平臺設(shè)計的目的是為了滿足高等職業(yè)院校移動互聯(lián)與應(yīng)用技術(shù)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程教學需要，在課程體系的設(shè)計中，遵循由淺入深、由易到難、由分到合原則，總體上可以分為基礎(chǔ)模塊、傳感器模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊三個部分開展教學?；A(chǔ)模塊包含Arduino開發(fā)ESP8266環(huán)境的搭建、NodeMCU硬件介紹、板載LED及按鍵操作、模擬輸入輸出（光敏電阻傳感器）、串口打印輸出等內(nèi)容；傳感器模塊包含I2C1602LCD、舵機、DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、SR04超聲波傳感器等內(nèi)容；物聯(lián)網(wǎng)部分主要介紹串口藍牙模塊和串口WIFI模塊的使用方法。具體教學安排如下表表1所示：

表1 基于NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺教學內(nèi)容安排表

6 結(jié)束語

本物聯(lián)網(wǎng)IOT實驗教學平臺以NodeMCU為載體，利用常見物聯(lián)網(wǎng)傳感器獲取相關(guān)信息，借助藍牙和WIFI通信方式，達到了物聯(lián)網(wǎng)的基本功能。但由于WIFI模塊尚未接入云端，僅僅實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的控制與信息獲取，云端遠程控制有待進一步開展研究。

物聯(lián)網(wǎng)是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命，是通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信[5]。職業(yè)教育要緊跟時代發(fā)展需要，培養(yǎng)順應(yīng)時代發(fā)展趨勢的綜合性人才。