基于WIFI模块的“互联网+”智能家居设计

2022-03-07汪浩，张旭，刘祎

南方农机 2022年5期

汪浩，张旭，刘祎

（宿迁学院机电工程学院，江苏宿迁 223800）

1 系统总体设计

在本设计中，选用STC89C51单片机为本设计的控制中心。LCD1602液晶显示屏用于信息的显示，设计的重点即温湿度的采集使用DHT11复合传感器来完成。同时使用ESP8266WIFI模块来完成数据的远程传输，AT24C02存储数据。外出的用户如果想知道家中环境，打开手机就可以轻松查看到温湿度记录数据信息。

本设计还改进了继电器的控制回路来控制家用电器。比如夏天下班前，发现家里温度高，环境湿度低，可远程操作开启中央空调、空气加湿器，尽享居家舒适。

本设计选用的系统方案如图1所示。

图1 系统方案

2 系统工作流程

本设计的工作流程如图2所示。打开电源开关后，LCD1602显示屏会复位，显示屏会闪烁，然后加载AT24C02内存芯片中的数据并复位ESP8266，等待WIFI连接，然后查看按键是否按下。若是设置按钮被按下，系统检测到这一情况，则进入设置页面，设置完后系统继续检测按钮的状态。若是未检测到，进入DHT11温湿度检测，等待温湿度数据采集完成，在显示界面显示数据，再次进入按键检测和解析，这样形成一个循环系统。

图2 工作流程图

3 WIFI模块的设计

WIFI模块ESP8266选择串行通信协议与微控制器通信[1]。控制模块的无线网络传输速度最高可达150 Mbps。信号强度12 dBm~15 dBm，频率范围2.4 GHz~2.835 GHz，无线通道数是14个，有两个以太网接口端口号和两个用于通信的串口。系统设置管理方式采用远程控制Web管理方式。

值得注意的是，ESP8266WIFI模块的工作需要3.3 V的电压，而单片机设计的配电设备的设计方案是5 V。为了达到两者的兼容，需要将5 V工作标准电压降低到3.3 V。即通过二极管降压，然后交给WIFI控制模块应用，实际原理图如图3所示。

图3 ESP8266电路图

4 温湿度传感器的设计

4.1 DHT11的概述

本次设计中选用DHT11数字温湿度传感器，优秀的数字模块采集技术和传感检测技术使它能够稳定可靠地在各种环境下完成任务。传感元件和测温元件即它的组成部分，同时，单线串行通信也使系统软件简单方便。体积小、功耗低，也使得它变成了各种应用的最佳选择，应用场景如除湿器、气象站、家电、自动控制、测试及检测设备等。产品采用4针单双排针封装形式，接线方便[2]。DHT11温湿度传感器实物图如图4所示。

图4 DHT11温湿度传感器实物图

4.2 DHT11的工作原理

1）单总线传送数据位定义。DATA引脚用于微控制器和传感器之间的通信。传输的数据由整数和小数组成。详细的数据传输是40位。单次通信时间大约为4 ms[3]。

2）数据传输时序图。DHT11会在数据传输开始后完成低速到高速的模式切换，开始信号结束后，DHT11会发出响应并完成数据的发送，同时还会触发信号采集。切换到高速模式之后，开始信号接收一次就采集温湿度一次，否则不会主动采集[2]。此外，DHT11采集完后会进行高速到低速的模式切换[3]。数据传输时序图如图5所示。

图5 数据传输时序图

3）主机发送开始信号时序图如图6所示。

图6 主机发送开始信号时序图

4）发送数据时序图如图7所示。

图7 发送数据时序图

DATA引脚向外传输数据，单片机接收数据。

5）位数据“0”的格式如图8所示，位数据“1”的格式如图9所示。

图8 位数据“0”的格式

图9 位数据“1”的格式

5 继电器驱动电路的设计

继电器是电动装置，其主要功能是保护和控制，一般用于自动控制系统的电路。因为继电器的电磁线圈必须通过比较大的电流才能让继电器吸合，且本设计中的控制中心即STC89C51单片机无法提供足够继电器电磁线圈工作的电流，所以不得不扩大电流。使用PNP三极管来完善继电器驱动电路的设计，控制中心I/O口输出低电平时，继电器的电磁线圈有工作电流通过，则继电器吸合；控制中心I/O口输出高电平时，继电器的电磁线圈无工作电流通过，则继电器断开，从而完成继电器驱动电路设计。

采用型号为S8550的三极管来完成该电路的设计，电路图如图10所示。如此一来，继电器驱动电路无法直接驱动的问题就被解决了。

图10 继电器驱动电路

6 独立按键电路的设计

本设计选用了独立按键，它最大的好处就是每个按键都各自占用各自的端口，按键与按键之间互不干扰，避免因为一个按键或端口出现问题，导致整个按键电路都受到影响，且独立按键若是出现问题，也方便排查问题和修复。同时，按键抖动是金属接触式按键难以避免的问题，本设计采用软件消抖，即在程序中适当加入延时，以此来消除按键抖动所带来的不良影响。具体电路如图11所示。

图11 独立按键电路

按键功能示意：

按键1——进入设置。

按键2——匹配主参数+1。

按键3——匹配主参数-1。

7 声光报警电路的设计

过高或过低的温湿度对人的身体都是有害的，因此本设计还设定了温度和湿度的警报值，可以按照按键设定。一旦传感器检测到温湿度过高或过低（即达到警报值）都会触发警报，蜂鸣器鸣发出“哔”声并伴随着LED闪烁，这样就可以起到提醒的作用，提醒住户改善室内环境。

在本设计中选择了一个5 V的电磁式有源蜂鸣器，但是出现了单片机无法直接驱动蜂鸣器工作的问题，这是因为蜂鸣器的工作电流相对于单片机I/O口而言太大。处理此问题的方法与继电器光耦电路设计中的处理方法相同。蜂鸣器电路如图12所示。

图12 蜂鸣器电路

8 用户APP的开发

本设计需要开发对应的手机APP，但是对于本科阶段来说，自主开发APP是相对困难的，所以设计团队选用易开发的机智云物联网开发平台，该平台的通信协议可以帮助轻松完成服务器和设备之间的数据交换[4-9]，满足本设计中的设计要求。同时，该平台也向开发者提供了开源参考的手机APP代码框架，因此开发者可以在此基础上设计符合用户需求的手机APP，非常方便简洁。

机智云平台是一个非常开放的物联网自助开发平台，为用户提供了简单易用的物联网平台。如果能好好利用起来，可以大大降低设计的复杂程度[10-14]。