物聯(lián)網(wǎng)智能插板設(shè)計之硬件程序設(shè)計

楊永明，徐海霞

（ 1.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710055；2.寧夏醫(yī)科大學(xué)圖書館，寧夏 銀川 750004）

0 引 言

通過網(wǎng)絡(luò)對家中設(shè)備實行遠程控制或者語音控制，相比普通家居具有更多優(yōu)勢。具備遠程控制、語音控制、自動報警、在線監(jiān)控、自動通風等功能的智能家居發(fā)展迅速，并且依舊處于探索階段。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)智能家居不僅是緊跟社會發(fā)展的明智之舉，也是搶占市場發(fā)展先機的必由之路。

1 研究內(nèi)容

通過學(xué)習物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、程序編程語言編寫簡易的硬件程序，實現(xiàn)硬件與軟件連接，設(shè)計制作具有遠程控制功能的智能插板。

通過硬件將物體接入互聯(lián)網(wǎng)，再由硬件芯片通過各種通信協(xié)議與微控制器和微處理器通信，由相應(yīng)的控制器控制設(shè)備運轉(zhuǎn)、連接移動端設(shè)備或者PC端，移動端通過云端控制器實現(xiàn)物體的遠程控制。本次設(shè)計包括云平臺的搭建、硬件程序設(shè)計和移動端設(shè)計三部分。下面主要介紹介紹硬件程序設(shè)計。

2 硬件端

選擇使用由安信公司基于ESP8266模塊設(shè)計的ESP8266-nodeMCU開發(fā)板，雖然ESP8266-nodeMCU每個引腳都有明確的標號，且有排插，便于線路連接，但ESP8266-nodeMCU開發(fā)板上的引腳標號與ESP8266模塊的引腳功能并不匹配，所以需要了解ESP8266-nodeMCU開發(fā)板引腳匹配的ESP8266模塊的引腳功能。以GPIO開頭的引腳標號代表實際ESP8266模塊的引腳標號，D開頭的引腳代表ESP8266-nodeMCU開發(fā)板上的引腳標號。在編寫代碼時，假如使用“digitalWrite（2，HIGH）”語句，表示改變引腳GPIO2電平為高，對應(yīng)的開發(fā)板引腳為D4；假如使用“digitalWrite（D2，HIGH）”語句，表示改變D2引腳的電平為高。

2.1 Arduino環(huán)境搭建

使用Arduino IDE軟件對ESP8266-nodeMCU開發(fā)板進行程序編譯，當完成Arduino IDE軟件的下載之后需要更改開發(fā)板的型號以及連接的串口。首先打開計算機管理界面，進入設(shè)備管理器界面，查看電腦連接ESP8266-nodeMCU開發(fā)板使用的端口。之后進入Arduino軟件，在其工具欄中找到“端口”一欄，選擇ESP8266-nodeMCU開發(fā)板使用的端口，然后在此工具欄中的開發(fā)板中選擇ESP8266-nodeMCU。

2.2 硬件程序設(shè)計

根據(jù)代碼實現(xiàn)的功能，可以將程序代碼大概分為6個部分，分別是：定義頭文件、WiFi初始化、接口定義、循環(huán)檢測、控制程序以及上傳數(shù)據(jù)。

2.2.1 頭文件定義程序

此部分程序用于定義需要用到的頭文件以及信息。WiFi_SSID和WiFi_PASSWD是定義ESP8266開發(fā)板連接的WiFi名稱和密碼，只能連接PRODUCT_KEY、DEVICE_NAME以及DEVICE_SECRET定義之前云端搭建時創(chuàng)建的ESP8266設(shè)備的阿里云三元組信息。ALINK_TOPIC_PROP_SET定義程序接收信息時用到的Topic，ALINK_TOPIC_PROP_POST定義ESP8266開發(fā)板上傳數(shù)據(jù)使用的Topic信息。其中，/sys/a1GccfpSkGH/esp8266/thing/service/property/set和/a1GccfpSkGH/esp8266/user/1均來自阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺中的云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)規(guī)則Topic，其中一個Topic具有發(fā)布權(quán)限，另一個Topic具有訂閱權(quán)限。

2.2.2 WiFi初始化程序

WiFi初始化需調(diào)用ESP8266 WiFi庫的函數(shù)。這部分程序定義WiFi如何通過調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)連接。

2.2.3 接口定義程序

該部分程序主要用來定義需要用到的ESP8266-nodeMCU開發(fā)板上的引腳功能，此程序?qū)?號引腳定義為輸出引腳，并把引腳的初始電平定義為高電平。由于本次設(shè)計使用的繼電器為低電平，所以引腳電平為高，使繼電器處于關(guān)閉狀態(tài)，只有ESP8266接收到開關(guān)信號時電平變?yōu)榈碗娖讲拍苡|發(fā)繼電器工作。此處還需要注意的是，定義的引腳為ESP8266模塊上的GPIO2號引腳，在連接硬件電路時，ESP8266-nodeMCU開發(fā)板上的引腳不能選擇D2引腳，需要選擇開發(fā)板上標號為D4的引腳?！癷nit_WiFi（WiFi_SSID,WiFi_PASSWD）”用于調(diào)用WiFi初始化函數(shù)，mqttClient.setCallback（mqtt_callback）語句是調(diào)用之前PubSubClient.h文件中的mqttClient函數(shù)，可實現(xiàn)與阿里云端的連接。

2.2.4 循環(huán)檢測函數(shù)

程序主要調(diào)用了mqtt函數(shù)中的loop循環(huán)函數(shù)，該函數(shù)主要用于對當前mqtt的連接狀態(tài)進行檢查，如果檢測到連接斷開，程序會自動運行連接函數(shù)，重新連接mqtt。該函數(shù)能夠保證設(shè)備網(wǎng)絡(luò)處于連接狀態(tài)。

2.2.5 控制程序

這部分代碼可實現(xiàn)ESP8266開發(fā)板的具體功能。前半段代碼解析需由移動端發(fā)送Json數(shù)據(jù)。阿里云使用Topic進行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，而Topic中的數(shù)據(jù)為JSON格式，解析之后將數(shù)據(jù)存進WeChat_data，如果是數(shù)據(jù)是1，則GPIO2引腳置為低電平，使繼電器打開，插板電路接通；如果數(shù)據(jù)是0，則GPIO2引腳置為高電平，繼電器關(guān)閉，插板電路斷開。

2.2.6 數(shù)據(jù)上傳程序

此部分程序代碼用于將ESP8266中的數(shù)據(jù)寄存于Topic中，通過Topic向移動端發(fā)送，由移動端接收溫度與濕度數(shù)據(jù)。由于缺少溫度與濕度的檢測裝置以及相關(guān)傳感器，所以在程序中使用隨機數(shù)替代。

3 結(jié) 語

運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了智能插板，通過使用由上海樂鑫公司開發(fā)的WiFi8266模塊，使得硬件電路能夠連接WiFi，這無疑是物聯(lián)網(wǎng)運行的基礎(chǔ)，而代碼功能的實現(xiàn)是硬件物聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)的核心。