基于WIFI模塊的“互聯(lián)網(wǎng)+”智能家居設(shè)計

汪 浩 ，張 旭 ，劉 祎

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在本設(shè)計中，選用STC89C51單片機(jī)為本設(shè)計的控制中心。LCD1602液晶顯示屏用于信息的顯示，設(shè)計的重點即溫濕度的采集使用DHT11復(fù)合傳感器來完成。同時使用ESP8266WIFI模塊來完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，AT24C02存儲數(shù)據(jù)。外出的用戶如果想知道家中環(huán)境，打開手機(jī)就可以輕松查看到溫濕度記錄數(shù)據(jù)信息。

本設(shè)計還改進(jìn)了繼電器的控制回路來控制家用電器。比如夏天下班前，發(fā)現(xiàn)家里溫度高，環(huán)境濕度低，可遠(yuǎn)程操作開啟中央空調(diào)、空氣加濕器，盡享居家舒適。

本設(shè)計選用的系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案

2 系統(tǒng)工作流程

本設(shè)計的工作流程如圖2所示。打開電源開關(guān)后，LCD1602顯示屏?xí)?fù)位，顯示屏?xí)W爍，然后加載AT24C02內(nèi)存芯片中的數(shù)據(jù)并復(fù)位ESP8266，等待WIFI連接，然后查看按鍵是否按下。若是設(shè)置按鈕被按下，系統(tǒng)檢測到這一情況，則進(jìn)入設(shè)置頁面，設(shè)置完后系統(tǒng)繼續(xù)檢測按鈕的狀態(tài)。若是未檢測到，進(jìn)入DHT11溫濕度檢測，等待溫濕度數(shù)據(jù)采集完成，在顯示界面顯示數(shù)據(jù)，再次進(jìn)入按鍵檢測和解析，這樣形成一個循環(huán)系統(tǒng)。

圖2 工作流程圖

3 WIFI模塊的設(shè)計

WIFI模塊ESP8266選擇串行通信協(xié)議與微控制器通信[1]。控制模塊的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度最高可達(dá)150 Mbps。信號強(qiáng)度12 dBm~15 dBm，頻率范圍2.4 GHz~2.835 GHz，無線通道數(shù)是14個，有兩個以太網(wǎng)接口端口號和兩個用于通信的串口。系統(tǒng)設(shè)置管理方式采用遠(yuǎn)程控制Web管理方式。

值得注意的是，ESP8266WIFI模塊的工作需要3.3 V的電壓，而單片機(jī)設(shè)計的配電設(shè)備的設(shè)計方案是5 V。為了達(dá)到兩者的兼容，需要將5 V工作標(biāo)準(zhǔn)電壓降低到3.3 V。即通過二極管降壓，然后交給WIFI控制模塊應(yīng)用，實際原理圖如圖3所示。

圖3 ESP8266電路圖

4 溫濕度傳感器的設(shè)計

4.1 DHT11的概述

本次設(shè)計中選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，優(yōu)秀的數(shù)字模塊采集技術(shù)和傳感檢測技術(shù)使它能夠穩(wěn)定可靠地在各種環(huán)境下完成任務(wù)。傳感元件和測溫元件即它的組成部分，同時，單線串行通信也使系統(tǒng)軟件簡單方便。體積小、功耗低，也使得它變成了各種應(yīng)用的最佳選擇，應(yīng)用場景如除濕器、氣象站、家電、自動控制、測試及檢測設(shè)備等。產(chǎn)品采用4針單雙排針封裝形式，接線方便[2]。DHT11溫濕度傳感器實物圖如圖4所示。

圖4 DHT11溫濕度傳感器實物圖

4.2 DHT11的工作原理

1）單總線傳送數(shù)據(jù)位定義。DATA引腳用于微控制器和傳感器之間的通信。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由整數(shù)和小數(shù)組成。詳細(xì)的數(shù)據(jù)傳輸是40位。單次通信時間大約為4 ms[3]。

2）數(shù)據(jù)傳輸時序圖。DHT11會在數(shù)據(jù)傳輸開始后完成低速到高速的模式切換，開始信號結(jié)束后，DHT11會發(fā)出響應(yīng)并完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，同時還會觸發(fā)信號采集。切換到高速模式之后，開始信號接收一次就采集溫濕度一次，否則不會主動采集[2]。此外，DHT11采集完后會進(jìn)行高速到低速的模式切換[3]。數(shù)據(jù)傳輸時序圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸時序圖

3）主機(jī)發(fā)送開始信號時序圖如圖6所示。

圖6 主機(jī)發(fā)送開始信號時序圖

4）發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖如圖7所示。

圖7 發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖

DATA引腳向外傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)。

5）位數(shù)據(jù)“0”的格式如圖8所示，位數(shù)據(jù)“1”的格式如圖9所示。

圖8 位數(shù)據(jù)“0”的格式

圖9 位數(shù)據(jù)“1”的格式

5 繼電器驅(qū)動電路的設(shè)計

繼電器是電動裝置，其主要功能是保護(hù)和控制，一般用于自動控制系統(tǒng)的電路。因為繼電器的電磁線圈必須通過比較大的電流才能讓繼電器吸合，且本設(shè)計中的控制中心即STC89C51單片機(jī)無法提供足夠繼電器電磁線圈工作的電流，所以不得不擴(kuò)大電流。使用PNP三極管來完善繼電器驅(qū)動電路的設(shè)計，控制中心I/O口輸出低電平時，繼電器的電磁線圈有工作電流通過，則繼電器吸合；控制中心I/O口輸出高電平時，繼電器的電磁線圈無工作電流通過，則繼電器斷開，從而完成繼電器驅(qū)動電路設(shè)計。

采用型號為S8550的三極管來完成該電路的設(shè)計，電路圖如圖10所示。如此一來，繼電器驅(qū)動電路無法直接驅(qū)動的問題就被解決了。

圖10 繼電器驅(qū)動電路

6 獨立按鍵電路的設(shè)計

本設(shè)計選用了獨立按鍵，它最大的好處就是每個按鍵都各自占用各自的端口，按鍵與按鍵之間互不干擾，避免因為一個按鍵或端口出現(xiàn)問題，導(dǎo)致整個按鍵電路都受到影響，且獨立按鍵若是出現(xiàn)問題，也方便排查問題和修復(fù)。同時，按鍵抖動是金屬接觸式按鍵難以避免的問題，本設(shè)計采用軟件消抖，即在程序中適當(dāng)加入延時，以此來消除按鍵抖動所帶來的不良影響。具體電路如圖11所示。

圖11 獨立按鍵電路

按鍵功能示意：

按鍵1——進(jìn)入設(shè)置。

按鍵2——匹配主參數(shù)+1。

按鍵3——匹配主參數(shù)-1。

7 聲光報警電路的設(shè)計

過高或過低的溫濕度對人的身體都是有害的，因此本設(shè)計還設(shè)定了溫度和濕度的警報值，可以按照按鍵設(shè)定。一旦傳感器檢測到溫濕度過高或過低（即達(dá)到警報值）都會觸發(fā)警報，蜂鳴器鳴發(fā)出“嗶”聲并伴隨著LED閃爍，這樣就可以起到提醒的作用，提醒住戶改善室內(nèi)環(huán)境。

在本設(shè)計中選擇了一個5 V的電磁式有源蜂鳴器，但是出現(xiàn)了單片機(jī)無法直接驅(qū)動蜂鳴器工作的問題，這是因為蜂鳴器的工作電流相對于單片機(jī)I/O口而言太大。處理此問題的方法與繼電器光耦電路設(shè)計中的處理方法相同。蜂鳴器電路如圖12所示。

圖12 蜂鳴器電路

8 用戶APP的開發(fā)

本設(shè)計需要開發(fā)對應(yīng)的手機(jī)APP，但是對于本科階段來說，自主開發(fā)APP是相對困難的，所以設(shè)計團(tuán)隊選用易開發(fā)的機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，該平臺的通信協(xié)議可以幫助輕松完成服務(wù)器和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換[4-9]，滿足本設(shè)計中的設(shè)計要求。同時，該平臺也向開發(fā)者提供了開源參考的手機(jī)APP代碼框架，因此開發(fā)者可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計符合用戶需求的手機(jī)APP，非常方便簡潔。

機(jī)智云平臺是一個非常開放的物聯(lián)網(wǎng)自助開發(fā)平臺，為用戶提供了簡單易用的物聯(lián)網(wǎng)平臺。如果能好好利用起來，可以大大降低設(shè)計的復(fù)雜程度[10-14]。

9 結(jié)束語

本設(shè)計運(yùn)用傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和集成電路技術(shù)等，借助開放的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，開發(fā)出以單片機(jī)為控制核心的WIFI物聯(lián)網(wǎng)智能家居/無線溫濕度采集家電開關(guān)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對居家環(huán)境的實時監(jiān)測和家用電器的管控，具有運(yùn)行可靠、性能優(yōu)良、控制功能強(qiáng)和成本低廉等優(yōu)點。