基于阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能臺燈設(shè)計

張艷萍

（海南省技師學(xué)院，海南?？冢?71100）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也快速滲入到日常生活的方方面面，臺燈是人們居家生活常見的一個簡單家電，本次設(shè)計就是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于日常家用的臺燈，使其更加方便和智能。

1 系統(tǒng)總體方案

■1.1 功能介紹

本次設(shè)計的智能臺燈功能簡單，旨在通過阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺讓臺燈實現(xiàn)遠程控制，是一個小的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建，具體功能如下：

（1）傳統(tǒng)的手動開關(guān)控制，通過一個按鈕開關(guān)來控制臺燈的亮和滅。

（2）遠程開關(guān)控制，利用智能手機通過云智能APP 控制界面實現(xiàn)對臺燈的遠程狀態(tài)監(jiān)控和遠程開關(guān)控制，可實現(xiàn)進屋前開燈，從而避免摸黑開燈，同時通過APP 可看到燈狀態(tài)并對其遠程開關(guān)控制，從而避免長明燈造成的資源浪費。

（3）在臺燈底座上的液晶顯示屏可顯示年月日、星期、時間及環(huán)境溫度，滿足人們對于這些常用信息的方便獲得的需求，且年月日、星期和時間可調(diào)。

系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

■1.2 工作原理

該智能臺燈設(shè)計以單片機模塊為主控模塊，實時從時鐘模塊DS3231 讀取年月日及時間信息，從溫度傳感器DS18B20 讀取溫度數(shù)據(jù)，并將這些信息依次顯示在液晶顯示屏上，同時對按鍵開關(guān)狀態(tài)進行掃描，當(dāng)掃描到按鍵開關(guān)有動作時，輸出信號控制LED 燈狀態(tài)取反。同時，單片機會實時將LED 燈的狀態(tài)和從溫度傳感器采集的溫度信息通過串口發(fā)送給WiFi 模塊，WiFi 模塊再將信息通過WiFi 發(fā)送出去，經(jīng)過阿里云及其他網(wǎng)絡(luò)傳送，智能手機通過云智能APP 搜索連接WiFi 模塊所對應(yīng)的設(shè)備，即可在手機界面顯示LED 燈的狀態(tài)及溫度信息。同時，當(dāng)通過點擊手機界面的LED 燈開關(guān)，智能手機將信號發(fā)出，通過網(wǎng)絡(luò)、阿里云、WiFi，由WiFi 模塊接收，WiFi 模塊再將信號通過串口傳遞給單片機，單片機接收識別后，發(fā)出信號控制LED 燈的亮滅。

2 硬件設(shè)計

■2.1 硬件選擇

(1)主控模塊：選用51 單片機最小系統(tǒng)開發(fā)板，IO口引出，P0口上拉電阻，符合本次設(shè)計需求，單片機選用STC12C5A60S2（5V 單片機）。

(2)通訊模塊：選用Nodemcu 開發(fā)板，該開發(fā)板配備樂鑫ESP8266 WiFi 模組，3.3V 供電，自帶CH340，支持C 語言開發(fā)，且該模塊是阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺認證模組，可以直接連接云端，符合本次設(shè)計需求。

(3)電源模塊：根據(jù)整個系統(tǒng)所有的模塊的供電需求，選用了兩塊電源轉(zhuǎn)換模塊，分別是AC-DC 12V/1A 和DC(12V)-DC(3.3V、5V)，兩塊連接使用，用于給單片機、WiFi 模塊、時鐘模塊、液晶顯示屏、LED 燈等提供穩(wěn)定的3.3V、5V、12V 直流電源。

(4)按鍵模塊：選用普通輕觸按鍵開關(guān)。

(5)顯示模塊：選用LCD12864 液晶屏，帶中文字庫，5V 直流供電，具有4位/8位并行、2 線或3 線串行多種接口方式?？娠@示8X4 行（32個）漢字。本設(shè)計中將模塊設(shè)置為8位并行接口方式。

(6)時鐘模塊：選用DS3231時鐘模塊，其在-40 ℃~+85 ℃溫度范圍內(nèi)，計時精度保持在±5ppm，自帶為連續(xù)計時提供的電池備份，低功耗，時鐘日歷功能包括秒、分、時、星期、日、月和年計時，+2.3V~+5.5V 電源電壓。根據(jù)本設(shè)計需求，采用5V 供電，主要實現(xiàn)對該時鐘模塊進行日歷時間信息的設(shè)置和獲取。

(7)溫度傳感器：由于DS3231 時鐘模塊中自帶的數(shù)字溫度傳感器精度為±3℃，不太適合用于家庭及辦公環(huán)境溫度的檢測，所以選擇了更常用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其精度高，且具有體積小，抗干擾能力強的特點，同時具有獨特的單線接口方式，在與單片機連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)單片機DS18B20的雙向通訊。

(8)LED 燈：選用普通LED 燈，12V 供電。

■2.2 硬件電路設(shè)計

該設(shè)計使用到的外圍設(shè)備不多，單片機I/O口相對充足，除了 外部中 斷0，K1 按鍵要接P3.2口，ES8266 模塊與單片機通過串口通訊需接P1.2 和P1.3口（也可使用P3.0 和P3.1口）外，其他外設(shè)如按鍵、DS3231 時鐘模塊、DS18B20 模塊及12864 液晶屏等可根據(jù)畫圖線路布局等需求分配I/O口，具體系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)接線圖

3 軟件設(shè)計

■3.1 阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺產(chǎn)品設(shè)計

阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺是一款針對智能生活領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)云平臺。在阿里云的IaaS 和PaaS 層云產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，搭建了一套完整的、更貼近智能家電領(lǐng)域的公有云平臺。它是一個提供可開發(fā)、易調(diào)試、更好運維及方便管理等功能的智能IoT 設(shè)備開發(fā)管理平臺，為開發(fā)者提供了設(shè)備接入能力、移動端的軟件工具開發(fā)包以及免開發(fā)的云智能App 和界面，更適用于消費級的智能設(shè)備開發(fā)者，開發(fā)門檻較低，可以快速實現(xiàn)消費級設(shè)備的智能化，如智能家電、穿戴、家裝領(lǐng)域等，與我們的設(shè)計需求符合。

具體操作是在阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建項目，新建產(chǎn)品，根據(jù)實際需要對產(chǎn)品進行設(shè)計，其中包括進行功能定義、人機交互設(shè)計（此處使用公版APP 控制產(chǎn)品，即使用阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的免開發(fā)云智能APP 控制產(chǎn)品，APP 控制界面可根據(jù)自行需要進行設(shè)計）、設(shè)備調(diào)試和產(chǎn)品發(fā)布。此操作的目的是為我們的智能臺燈設(shè)計一個與之匹配的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，并會得到與我們的智能臺燈匹配的設(shè)備證書（ 包 括ProductKey、DeviceName、DeviceSecret） 和ProductSecret，將設(shè)備證書和ProductSecret 燒錄到智能臺燈的WiFi 模塊后，WiFi 模塊便可通過聯(lián)網(wǎng)接入阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺，我們就可以通過智能手機上的云智能APP搜索到在阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺上創(chuàng)建的產(chǎn)品名稱相同的設(shè)備，添加設(shè)備后，即可通過在阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺上產(chǎn)品設(shè)計過程中設(shè)計的人機交互界面與WiFi 模塊進行通信，如可看到WiFi 模塊發(fā)送過來的LED的狀態(tài)及溫度信息等，也可通過點擊界面的LED 燈開關(guān)按鈕，將開或關(guān)燈的指令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給WiFi 模塊。

■3.2 云智能APP 下載、安裝、使用

云智能APP 是阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的一款免開發(fā)智能家居控制軟件，與我們在阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺上創(chuàng)建的產(chǎn)品配合使用，通過云智能APP，可以便捷地添加我們設(shè)計的臺燈，實現(xiàn)對臺燈的遠程控制，還可以共享設(shè)備，使所有家庭成員對臺燈實現(xiàn)控制。

■3.3 單片機控制程序設(shè)計思路及流程圖

3.3.1 DS3231 時間調(diào)整功能實現(xiàn)

時鐘的走時和調(diào)整狀態(tài)由外部中斷實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，使用外部中斷0，由按下開關(guān)K1 實現(xiàn)中斷，硬件上開關(guān)K1 接在P3.2口，程序中設(shè)置一個走時/調(diào)整狀態(tài)標(biāo)志位，每次按下開關(guān)K1，取反走時/調(diào)整狀態(tài)標(biāo)志位，從而達到走時和調(diào)整兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)需要調(diào)整時，按下K1，進入調(diào)整狀態(tài)，K2實現(xiàn)調(diào)整對象的選擇，即選擇調(diào)整年月日、星期、時分秒，K3 鍵實現(xiàn)加1 調(diào)整，調(diào)整后結(jié)果放入對應(yīng)緩沖變量，調(diào)整結(jié)束后再按K1 鍵改變走時/調(diào)整狀態(tài)標(biāo)志位進入走時狀態(tài)。

3.3.2 串口通訊部分功能實現(xiàn)

串口通訊部分程序主要包括數(shù)據(jù)接收部分和數(shù)據(jù)發(fā)送部分。其中數(shù)據(jù)接收部分采用定時器0 中斷，每100μs 判斷串口是否有數(shù)據(jù)接收，如果有數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)接收完畢后，將數(shù)據(jù)接收完畢標(biāo)志位置1，用于云端下控部分程序，在該部分程序中，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢標(biāo)志位為1 時，對接收數(shù)據(jù)進行識別，并控制燈的亮滅。

3.3.3 按鍵掃描（燈硬件開關(guān)K 掃描）

按鍵掃描部分是對按鍵K 狀態(tài)進行掃描，按鍵K 是臺燈硬件開關(guān)，該部分程序也使用定時器0 中斷，每100μs掃描一次，若按鍵按下，則控制燈改變狀態(tài)，并通過串口上傳燈狀態(tài)信息。

3.3.4 主程序功能思路

主程序中通過判斷走時/調(diào)整狀態(tài)標(biāo)志位進入相應(yīng)的程序，當(dāng)為走時狀態(tài)時，則依次讀取時間信息、溫度信息并顯示在12864 液晶屏上，同時掃描按鍵K 控制燈的亮滅，并通過串口上傳燈的狀態(tài)和溫度信息。當(dāng)為調(diào)整狀態(tài)時，進入調(diào)整程序，并將調(diào)整結(jié)果存入對應(yīng)緩沖變量，然后再對走時/調(diào)整狀態(tài)標(biāo)志位進行判斷，直至調(diào)整結(jié)束再次按下K1鍵改變走時/調(diào)整狀態(tài)標(biāo)志位進入走時狀態(tài)，在調(diào)整狀態(tài)時，顯示屏走時停止，溫度值不變，串口不上發(fā)信息，對于串口接收信息也不處理等，直至進入走時狀態(tài)。

流程圖如圖3所示。

圖3

4 系統(tǒng)功能調(diào)試

■4.1 時鐘功能和12864 液晶屏顯示功能調(diào)試

該部分功能包括年月日時分秒信息讀取、溫度讀取、年月日時分秒及溫度顯示在液晶屏上，同時可通過按鍵調(diào)整年月日時分秒信息。

此部分功能測試時，使用的硬件分別是KST-51 開發(fā)板、DS3231 時鐘模塊、KST-51 開發(fā)板上的DS18B20、以及12864 液晶屏，KST-51 開發(fā)板上雖然不帶12864 液晶屏，但預(yù)留了12864 液晶屏擴展端口，使用較方便，從圖4 可見，液晶屏按設(shè)計要求正確顯示年月日、星期、時間及溫度信息，且年月日信息已調(diào)整至實際調(diào)試日期，可見該部分功能完整實現(xiàn)。

圖4

圖5

■4.2 通訊功能測試

該部分功能包括溫度讀取、按鍵對燈的控制、溫度信息和燈實時狀態(tài)信息上傳手機、手機對燈的控制等。

首先測試單片機上傳給WiFi 模塊的信息是否正確，這部分功能我們主要通過STC-ISP 燒錄軟件中的串口助手監(jiān)測單片機通過串口上傳的信息，看當(dāng)按下按鍵開關(guān)K和觸摸DS18B20 改變溫度時單片機通過串口上傳信息是否及時更新。如圖4所示，是對功能測試的部分數(shù)據(jù)截圖，從數(shù)據(jù)可見，當(dāng)臺燈開關(guān)按鍵K 有動作時，上傳信息PowerSwitch_1的值從1 變化到0，當(dāng)用手觸摸DS18B20 時，上傳的溫度信息，即ctemp的值有上升變化，說明單片機上傳給WiFi 模塊的信息會根據(jù)實際情況，實時更新。

其次測試WiFi 模塊能否正常發(fā)送信息，同時手機通過云智能APP 是否能接收并正確顯示信息。如圖6所示，在連接上WiFi 模塊，并且在WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)成功后，手機通過云智能APP 可以搜索到該設(shè)備并正確顯示信息，燈的狀態(tài)為打開，當(dāng)前溫度為26℃，同時在此部分功能測試時，用開發(fā)板上的LED 燈代替設(shè)計中的臺燈測試功能，圖6 中可見LED 燈亮，與手機APP 界面顯示燈狀態(tài)一致。

圖6