一種基于ESP-WROOM的物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設(shè)計套件的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗設(shè)備不能很好地適用于物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設(shè)計等綜合實踐類課程的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于ESP-WROOM的物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設(shè)計套件，介紹了套件的設(shè)計思路、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計。套件包括核心板、功能板、創(chuàng)意板，板間采用電子積木的連接方式，保證了靈活性、開放性；套件涵蓋了從硬件到云平臺的物聯(lián)網(wǎng)各方面知識，可以鍛煉學(xué)生方案設(shè)計、器件選型、電路設(shè)計、電路焊接、程序編寫等各方面能力；套件成本低廉，可以大面積推廣。

關(guān)鍵詞：ESP-WROOM；物聯(lián)網(wǎng)；綜合課程設(shè)計；電子積木；MicroPython

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0010-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

隨著科技的發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造2025、工業(yè)4.0等概念的提出[1]，企業(yè)對高校畢業(yè)生的專業(yè)技能要求越來越高，進(jìn)而對高校培養(yǎng)方式的要求也提到了一個新的高度[2-4]。基于此原因，很多高校都設(shè)立了短學(xué)期，并開設(shè)了綜合課程設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)意課程、創(chuàng)新大作業(yè)等綜合實踐類課程，目是鍛煉學(xué)生的實踐動手能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，以滿足企業(yè)的要求。

為加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院利用物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大三上學(xué)期末的小學(xué)期開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設(shè)計課程。在課程實施過程中，傳統(tǒng)的專業(yè)課實驗箱或?qū)嶒炂脚_因為設(shè)計目的不同，往往不能直接用于課程，極大地影響了課程的開設(shè)效果。例如，價格昂貴、數(shù)量有限，無法做到人手一套，不利于課程展開；集成度太高、資源開放度有限，無法進(jìn)行二次開發(fā)，限制了學(xué)生思路的實現(xiàn)[1]；專業(yè)側(cè)重性太強(qiáng)、偏重某一方向，無法覆蓋所有知識點；技術(shù)落伍，與實際應(yīng)用脫節(jié)[5-6]。

針對上述問題，論文設(shè)計了一種物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設(shè)計套件，它融合了多門物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的知識，以實際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中常用的ESP-WROOM為硬件核心，可以編程采集傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi上傳至開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺；可以通過Web頁面或手機(jī)App瀏覽數(shù)據(jù)、反向控制。

1 設(shè)計思路與系統(tǒng)方案

整個套件的設(shè)計思路如下：

1） 遵循“復(fù)雜始于簡單，創(chuàng)新源于基礎(chǔ)”的原則。套件立足于基礎(chǔ)知識，將創(chuàng)意的空間留給學(xué)生完成。

2） 保證系統(tǒng)的開放性、可擴(kuò)展性。套件采用電子積木的連接方式，分為核心板、功能板、創(chuàng)意板，方便學(xué)生根據(jù)自己思路進(jìn)行擴(kuò)展。

3） 軟硬結(jié)合、全面兼顧。套件盡可能將各門相關(guān)課程打通，課程設(shè)置時從方案設(shè)計、器件選型、電路繪制、電路焊接、程序編寫各方面均布置任務(wù)，全面鍛煉學(xué)生動手實踐能力。

4） 成本低廉，學(xué)生人手一套，保證了課程教學(xué)效果。

基于上述設(shè)計思路，整個套件系統(tǒng)可以分為硬件、云端、客戶端，系統(tǒng)示意圖如圖1。

套件的硬件分為核心板、功能板、創(chuàng)意板，板間采用可靈活搭配的電子積木式連接方式。為了更真實地貼近實用，核心板采用智能家電、智能硬件領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的可編程Wi-Fi模組ESP-WROOM作為主控模塊。功能板分為顯示功能板、控制功能板，分別完成套件的顯示和控制功能。創(chuàng)意板是為培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新思維而設(shè)計的可以擴(kuò)展不同傳感器的電路板。

云端采用中移物聯(lián)網(wǎng)的免費開放云平臺OneNet?？蛻舳朔譃閃eb瀏覽器端和手機(jī)App端。通過客戶端可以查看硬件使用Wi-Fi上傳至云端的傳感器數(shù)據(jù)，也可以反向控制硬件動作。

物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設(shè)計基于此套件采用項目化教學(xué)[6]，教師布置預(yù)設(shè)的題目，題目主要為采集各種傳感器數(shù)據(jù)上傳至云平臺。學(xué)生自由選題并根據(jù)選題的要求自行設(shè)計方案、繪制原理圖、焊接電路板、編寫程序。課程進(jìn)行過程中，教師將主動權(quán)交給學(xué)生，只需在各環(huán)節(jié)給予適當(dāng)指導(dǎo)即可。學(xué)生也可根據(jù)自己的創(chuàng)意自主設(shè)計功能板，只要接口與其他硬件板相同即可，保證了套件的開放性。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

套件的硬件各板采用可拔插的電子積木式連接方式，每個板都設(shè)計有2排統(tǒng)一數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)2.54 mm間距的插接件接口，選用8腳的加長排母即可實現(xiàn)板和板的任意組合，保證了套件的可擴(kuò)展性。套件上較小的貼片元器件預(yù)先加工好，較大的器件和插接件則留給學(xué)生焊接，可以鍛煉學(xué)生的動手能力。

2.1 核心板的設(shè)計

核心板是整個套件的主控部分，其主要器件為ESP-WROOM模組。它集程序下載、程序運行、Wi-Fi通信于一體。

ESP-WROOM模組是基于ESP8266EX芯片設(shè)計開發(fā)的可編程物聯(lián)網(wǎng)無線模組，它集成了TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、32位低功耗MCU、10位精度ADC，并帶有HSPI、UART、PWM、I2C和I2S等接口[7-9]。它支持的編程語言有Arduino、MicroPython，目前的最新型號是ESP-WROOM-02。ESP-WROOM模組的最小系統(tǒng)如圖2所示。

核心板集成了程序下載功能，無需專用仿真器即可將編譯好的程序燒寫進(jìn)ESP-WROOM中運行。程序下載部分的電路圖如圖3所示。電路的主芯片為CH340C，它是一款常用的國產(chǎn)USB轉(zhuǎn)TTL芯片。USB1為USB接口，它為整個套件提供電源和程序燒寫接口。U2為低壓差LDO，它提供套件所需的直流3.3V電源。使用這個電路，可以通過計算機(jī)上的編程IDE將編譯好的程序進(jìn)行一鍵下載，非常方便。

2.2 顯示功能板的設(shè)計

顯示功能板用于本地顯示傳感器的數(shù)據(jù)，它主要由按鍵和數(shù)碼管驅(qū)動芯片TM1650控制，最多可以同時驅(qū)動28個按鍵和4位8段共陰極數(shù)碼管。它和核心板的通信接口為IIC。在顯示功能板上設(shè)置了4個按鍵，可以實現(xiàn)簡單的參數(shù)設(shè)置。原理圖如圖4所示。

2.3 控制功能板的設(shè)計

控制功能板用來實現(xiàn)簡單的本地控制或者由云平臺遠(yuǎn)程控制。它的主要電路是一個繼電器控制電路。如圖5所示，K1為電磁繼電器；Q3為NPN三極管，用于驅(qū)動繼電器；D1為續(xù)流二極管，可以保護(hù)繼電器線圈。

2.4 創(chuàng)意板的設(shè)計

核心板、顯示功能板、控制功能板上較小的貼片器件均為預(yù)先SMT加工完成，學(xué)生使用時，只需手動焊接較大的元器件和插接件。這種方式可以勝任培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力，但是在培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新意識方面發(fā)揮的作用有限。

為了彌補(bǔ)這個缺陷，我們特意設(shè)計了一個創(chuàng)意板。它是一塊與套件的其他電路板尺寸相同、接口相同的2.54 mm洞洞板，上面不具有任何器件和電路，主要用于擴(kuò)展各種傳感器。課程實施時，此板的器件選型、電路設(shè)計、電路焊接全部都由學(xué)生自主完成，可以更加全面地培養(yǎng)學(xué)生的能力。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計涉及兩部分：硬件端軟件和云端軟件。

3.1 硬件端軟件設(shè)計

硬件端軟件設(shè)計基于核心板上的ESP-WROOM模塊實現(xiàn)。它支持2種編程語言，一種是Arduino，另一種是MicroPython。采用何種語言由學(xué)生自主選擇。不論采用哪種編程語言，軟件的核心部分是硬件與OneNET云平臺之間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的實現(xiàn)。

Arduino融合了C及C++，基礎(chǔ)是C語言，有專用的Arduino IDE，可以在其官網(wǎng)下載。目前Arduino已經(jīng)成為一款在全球影響力巨大的開源軟硬件平臺[10-11]。Arduino語言的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)代碼如下：

…

String postdata = String（""）+"{＼"Temperature＼"："+TEM+"}";

String url = "/devices/29417548/datapoints？type=3";

String host ="http：//api.heclouds.com";

…

client.connect（host， httpPort） ;

client.print（String（"POST"）+ url + "HTTP/1.1＼r＼n"+

"api-key：aHQcpQ=v70PglKLwM1h8FPhQ6fw=＼r＼n"+

"Host：" + host + "＼r＼n" +

"Content-Length："+postdata.length（）+"＼r＼n"+

postdata+"＼r＼n"）;

…

代碼作用是將套件采集到的溫度傳感器數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議以POST請求方法、JSON格式上傳至OneNET云平臺。其中“Temperature”是需要在云平臺上定義的數(shù)據(jù)流名稱；“url”中的“29417548”是云平臺上定義的設(shè)備ID；“api-key”是云平臺上定義的設(shè)備API-KEY值。數(shù)據(jù)流、設(shè)備ID、API-KEY是上傳數(shù)據(jù)至OneNET云平臺所必需的三要素。

MicroPython是Python3的精簡實現(xiàn)，是運行在嵌入式微控制器上的Pyhton版本，它是劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)中心的Damien p. George開發(fā)的[12-13]。在課程實施時，它給了學(xué)生除C語言之外的另一個選擇。它的開發(fā)無需專用IDE，只需要將程序文件保存為.py格式，下載至核心板中即可運行。基于MicroPython語言的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)代碼為：

…

import urequests

import network

import json

…

DEVICE_ID='29417548'

API_Key='aHQcpQ=v70PglKLwM1h8FPhQ6fw='

……

def http_put_data（data）：

apiurl = 'http：//api.heclouds.com/devices/'+DEVICE_ID+'/datapoints'

apiheaders = {'api-key'：API_Key}

datas = {'datastreams'： [{"id"： "Temperature"， "datapoints"： [{"value"： data}]}]}

jdata = json.dumps（datas）

r = urequests.post（apiurl，data=jdata，headers=apiheaders）

return r

…

代碼的作用同樣是將套件采集的溫度數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議以POST方法、JSON數(shù)據(jù)格式上傳至云平臺。DEVICE_ID、API_Key、Temperature是云平臺所定義的三要素。

3.2 云平臺端軟件設(shè)計

OneNET是中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司的免費開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺，它支持常見的多種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，可以降低設(shè)備上云難度[14]。將OneNET云平臺引入課程，可以降低課程難度，減少課程投入。

OneNET云平臺采用圖形化拖拽式編程，通過拖動系統(tǒng)提供的圖形控件可以很快地編輯出Web頁面，將控件與云平臺三要素之一的數(shù)據(jù)流綁定后即可在Web頁面上看到套件上傳的傳感器數(shù)據(jù)。手機(jī)App可以直接在OneNET主頁下載登錄賬號即可查看數(shù)據(jù)。

4 應(yīng)用效果

套件以極低的成本、最簡單的方式，使學(xué)生全面了解了物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識及實現(xiàn)方式，盡可能全面地培養(yǎng)了學(xué)生各方面的能力。目前套件已經(jīng)連續(xù)多年成功應(yīng)用于我院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的綜合課程設(shè)計并取得了很好的教學(xué)效果。套件還在我院的其他課程、各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽、各級大創(chuàng)項目中得到了應(yīng)用。套件實物圖如圖6所示，云平臺的界面如圖7所示。

5 結(jié)束語

基于ESP-WROOM的物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設(shè)計套件解決了傳統(tǒng)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備無法適用于物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設(shè)計等綜合實踐類課程的問題。它選用了目前智能家居、智能硬件中廣泛應(yīng)用的ESP-WROOM為主控模塊，采用了電子積木的連接方式，實用性、擴(kuò)展性得到了保證；它覆蓋了從硬件到云平臺的物聯(lián)網(wǎng)各方面知識，鍛煉了學(xué)生方案設(shè)計、器件選型、電路設(shè)計、電路焊接、程序編寫等各方面的能力；它成本低廉，可以保證每生一套，可以大面積推廣。

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【通聯(lián)編輯：王 力】