智能陽臺(tái)管家

陸飛歌

很多人都希望當(dāng)自己不在家的時(shí)候，能有一個(gè)小助手幫忙打理陽臺(tái)：自動(dòng)澆花、自動(dòng)開關(guān)窗戶、自動(dòng)晾收衣服以及安防報(bào)警等。可現(xiàn)在市場上并沒有完善的、高集成度的陽臺(tái)管理解決方案，若使用多種設(shè)備管理陽臺(tái)，易出現(xiàn)操作煩瑣的弊端。因此，我希望能研究出一套智能陽臺(tái)管理解決方案，讓人們可以樂享生活。這就是智能陽臺(tái)管家制作的初衷。

在設(shè)計(jì)階段，我只在系統(tǒng)上設(shè)置了智能澆花和智能開關(guān)燈功能，但在查閱資料的過程中我發(fā)現(xiàn)，同時(shí)具備這兩類功能的產(chǎn)品已經(jīng)有很多了，同質(zhì)化嚴(yán)重，所以我打算在功能方面進(jìn)行創(chuàng)新，打造一個(gè)真正的多功能陽臺(tái)小管家。

我列舉出人們在陽臺(tái)上普遍需要完成的事和人們出差旅行在外時(shí)希望機(jī)器完成的事，如防盜、開關(guān)窗、開關(guān)燈等。這些功能的實(shí)現(xiàn)均不需要大型設(shè)備或結(jié)構(gòu)，于是我決定將這幾個(gè)功能整合在一個(gè)裝置內(nèi)。

如何實(shí)現(xiàn)通訊是智能陽臺(tái)管家面臨的首要問題。這個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)程控制的功能，就需要裝備合適的通訊模塊。經(jīng)過測試，傳統(tǒng)的藍(lán)牙通訊方式或紅外傳輸方案支持的距離十分有限，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的需求，且連接很不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，不符合項(xiàng)目的要求，所以我決定使用ESP8266模塊作為智能陽臺(tái)管家的通訊芯片，并通過WLAN聯(lián)網(wǎng)與云端交換數(shù)據(jù)。然而在后來的實(shí)踐過程中，我發(fā)現(xiàn)ESP8266模塊性能不足，導(dǎo)致連接Wi-Fi速度過慢，數(shù)據(jù)交換時(shí)間長;此外，ESP8266模塊的IO口數(shù)量較少，無法連接陽臺(tái)管家，且閃存空間太小，無法刷入大型固件，需要使用大量的傳感器和執(zhí)行器。這些問題增大了項(xiàng)目的制作難度。于是我改用性能更為強(qiáng)大的ESP32開發(fā)板，它有更多管腳和高達(dá)240MHz的核心主頻，完美彌補(bǔ)了ESP8266模塊的缺陷。

如何進(jìn)行人機(jī)交互，也就是選擇怎樣的操作平臺(tái)對硬件進(jìn)行控制，是智能陽臺(tái)管家面臨的第二個(gè)問題。我的原計(jì)劃是將項(xiàng)目接入blinker平臺(tái)，通過該平臺(tái)遠(yuǎn)程操控陽臺(tái)管家。但是在對目標(biāo)用戶的調(diào)查中我發(fā)現(xiàn)，不少用戶認(rèn)為blinker操作麻煩，技術(shù)門檻高，對用戶不太友好，所以我嘗試自建服務(wù)器并自己研發(fā)app，使用websocket方式和云端通信方式操控陽臺(tái)管家。

在使用過程中，我又發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題：webscoket方式需使用大量的流量，且易導(dǎo)致主板出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱，十分影響陽臺(tái)管家的穩(wěn)定性，于是我換用HTTP請求方法中的 GET請求（即從指定的資源請求數(shù)據(jù)）來發(fā)送數(shù)據(jù)到云端。開發(fā)云端時(shí)我在前端使用HTML配合Javascript，便于多端適配和快速迭代更新;后端使用當(dāng)下流行的php語言建構(gòu)，ESP32發(fā)送的包含數(shù)據(jù)的HTTP請求將被php程序接收并存入MySQL數(shù)據(jù)庫或?qū)懭隞son，同時(shí)ESP32也可以通過HTTP請求獲取云端的參數(shù)和指令。這樣的架構(gòu)，讓使用者在任何有互聯(lián)網(wǎng)的地方都能使用智能陽臺(tái)管家。

項(xiàng)目若想實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看陽臺(tái)情況和操控陽臺(tái)管家的功能，其搭載的開發(fā)板就必須能隨時(shí)向云端發(fā)送大量數(shù)據(jù)，這對智能陽臺(tái)管家app的運(yùn)轉(zhuǎn)提出了極高的要求。為此，我拋棄了Python，改使用Arduino Ide，以C++語言開發(fā)并編譯固件，從而提高陽臺(tái)管家的性能和穩(wěn)定性。

通訊和控制方案確定以后，就要開始逐一考慮智能陽臺(tái)管家的各項(xiàng)功能。首先是智能澆花功能。由于人們在陽臺(tái)種植的植物品種不一，習(xí)性也各不相同，一刀切的定時(shí)澆水功能并不實(shí)用。于是我為智能陽臺(tái)管家裝備了土壤濕度傳感器，用戶可在控制面板自定義澆水的土壤濕度閾值和溫度閾值，智能陽臺(tái)管家會(huì)通過比對傳感器的數(shù)據(jù)與用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)，自主判斷是否應(yīng)該給植物澆水，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、個(gè)性化的澆水服務(wù)。但在測試中效果并不理想，比如一些喜暖植物在寒冬不宜澆水，因此完全根據(jù)土壤濕度澆水仍然不夠智能。在經(jīng)過思考后，我又添加了DHT11溫濕度傳感模塊，讓智能陽臺(tái)管家根據(jù)當(dāng)前溫度和用戶定義的溫度判斷是否應(yīng)該給植物澆水，判斷為“是”后，主板就啟動(dòng)繼電器控制水泵澆水，這樣一來，澆水功能被優(yōu)化得更為智能和人性化。

第二個(gè)功能是智能開關(guān)窗功能。保持室內(nèi)空氣流通對身體健康十分重要，因此開窗透氣是很多人每天必做的事。用戶可通過app在云端設(shè)置自動(dòng)開窗的溫度閾值和時(shí)間，陽臺(tái)管家通過紅外測障傳感器判斷窗戶的開啟狀況，并在指定的時(shí)間開窗或關(guān)窗。開關(guān)窗的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板連接直流電機(jī)，配合同步帶組成，這樣的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，保證傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，達(dá)到開關(guān)窗的目的。

第三個(gè)功能是智能提醒功能。一場暴雨可能會(huì)打濕晾曬在陽臺(tái)的衣物。為了解決這個(gè)問題，我設(shè)計(jì)了提醒收衣功能。智能陽臺(tái)管家配備了雨水傳感器，當(dāng)檢測到降雨，便會(huì)通過蜂鳴器報(bào)警，并發(fā)送通知到app，提醒用戶收衣服，同時(shí)關(guān)閉窗戶防止陽臺(tái)被打濕。這個(gè)功能還設(shè)計(jì)了免打擾選項(xiàng)，可勾選以避免在夜深人靜時(shí)打擾用戶休息。

第四個(gè)功能是智能防盜功能。通過紅外熱釋電傳感器，陽臺(tái)管家能夠監(jiān)測到從陽臺(tái)進(jìn)入的人或動(dòng)物，并通過蜂鳴器報(bào)警和發(fā)送通知到app，提醒用戶陽臺(tái)有異常情況。

最后一個(gè)功能是智能開關(guān)燈功能。不同于傳統(tǒng)智能燈具中的“光敏—燈泡”或“光敏—聲敏—燈泡”的設(shè)計(jì)，陽臺(tái)管家可以通過IP地址或自定義的經(jīng)緯度來計(jì)算當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章鋾r(shí)間，并據(jù)此進(jìn)行開關(guān)燈操作。此外，用戶還可以通過app自行設(shè)定開關(guān)燈的時(shí)間或者手動(dòng)開關(guān)燈。

完成了智能陽臺(tái)管家的主體功能和服務(wù)端搭建后，接下來要開發(fā)手機(jī)app。App聚合了陽臺(tái)管家各項(xiàng)功能的設(shè)置，用戶還可在其上查看陽臺(tái)管家的日志和警示記錄。這個(gè)app同樣以前端作為基礎(chǔ)進(jìn)行封裝，體積小，且能夠更新升級，降低用戶的使用成本。

在功能的實(shí)現(xiàn)完成后，我將各傳感器和執(zhí)行器重新按順序連接到ESP32開發(fā)板上，并使用雪弗板制作了主機(jī)的外殼。但因?yàn)榘遢d設(shè)備太多，供電十分不穩(wěn)定，所以我又重新焊接了自定義的擴(kuò)展板，將直流電源的供電口拉出兩條線，其中一條專門為電機(jī)、水泵等功率大的設(shè)備單獨(dú)供電，解決了電流問題。最后我用木條、亞克力板等制作了一個(gè)模擬陽臺(tái)，將開關(guān)窗的同步帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝好，將陽臺(tái)管家放置在模擬陽臺(tái)上進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，各功能運(yùn)行正常，符合預(yù)期目標(biāo)。

（本作品獲桂林市第一屆創(chuàng)客馬拉松最佳技術(shù)獎(jiǎng)、第五屆“互聯(lián)網(wǎng)+”青少年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國入圍獎(jiǎng)、2021年桂林市青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)、2021年宋慶齡少年兒童發(fā)明獎(jiǎng)廣西一等獎(jiǎng) 指導(dǎo)老師：李玉華、黃義強(qiáng)、馬玉橋、毛瑞華）