簡易智能家居-物聯(lián)網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書下載

ID:428393 · 發(fā)表于 2018-11-17 20:05

簡易智能家居系統(tǒng)

一、任務(wù)和要求

1、任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一套簡易智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

2、要求

1）51單片機(jī)（終端結(jié)點(diǎn)）能實(shí)現(xiàn)溫度的測量，并能將溫度在LCD顯示器上顯示；

2）51單片機(jī)（終端結(jié)點(diǎn)）能檢測有無火災(zāi)發(fā)生，并將火警送LCD顯示器上顯示；

3）51單片機(jī)（終端結(jié)點(diǎn)）能實(shí)現(xiàn)對D1、D2、D3三盞LED燈的開關(guān)的控制，并將燈的工作狀態(tài)送LCD顯示器顯示；

4）51單片機(jī)通過串口WIFI模塊連接，把WIFI模塊設(shè)置成透傳工作模式，WIFI模塊通過路由器連接上所在的網(wǎng)絡(luò)；

5）通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手將計(jì)算機(jī)設(shè)置成TCP SERVER，并通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)溫度的采集與顯示、火警狀態(tài)顯示、LED燈工作狀態(tài)的顯示，并能通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手控制LED燈的工作；

6）用有人手機(jī)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手將手機(jī)設(shè)置成TCP SERVER，實(shí)現(xiàn)用手機(jī)顯示溫度、火警狀態(tài)、LED燈的工作狀態(tài)，并能通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手控制LED燈的工作。

7）將終端結(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)上傳到ONENET物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

二、溫度的采集、火警檢測與LED燈的控制

功能要求：本模塊以51單片機(jī)為核心，用溫度傳感器DS18B20測量溫度，通過火災(zāi)傳感器檢測有無火災(zāi)發(fā)生，用獨(dú)立按鍵開關(guān)三盞LED燈，并將溫度和LED燈的工作狀態(tài)在LCD1602上顯示。

普中51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀介紹

1）獨(dú)立按鍵

2）1602LCD顯示器接口

3）LED模塊

獨(dú)立按按鍵控制LED燈的工作

分別用單片機(jī)開發(fā)板上的K1、K2、K3這三個(gè)按鍵模擬開關(guān)，用開發(fā)板上的D5、D6、D7三個(gè)LED模擬三盞燈。其程序流程圖如下：

LCD1602顯示器原理及編程應(yīng)用

字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2，20*2 和 40*2 行等的模塊。本設(shè)計(jì)中用的顯示器為LCD1602 字符型液晶顯示器，是一種16*2的顯示器。為例，其實(shí)物如下圖；1602LCD 分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為 HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別。其詳細(xì)資料請看“LCD1602中文資料”。

在本設(shè)計(jì)中，為同學(xué)們提供了LCD1602的驅(qū)動(dòng)文件lcd.c和lcd.h，可調(diào)用的函數(shù)及功能如下：

void Lcd1602_Delay1ms(uint c); //誤差 0us

void Read_Busy(); //忙檢測函數(shù)，判斷bit7是0，允許執(zhí)行；1禁止

void Lcd1602_Write_Cmd(unsigned char cmd); //寫命令

void Lcd1602_Write_Data(unsigned char dat); //寫數(shù)據(jù)

void LcdSetCursor(unsigned char x,unsigned char y); //坐標(biāo)顯示

void LcdShowStr(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *str); //顯示字符串

void InitLcd1602(); //1602初始化

溫度傳感器DS18B20原理與編程應(yīng)用

1）DS18B20概述

DS18B20是單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，其采用單總線的接口方式與微處理器連接時(shí) 僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。測量溫度范圍寬，測量精度高 DS18B20 的測量范圍為 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ；在 -10~+ 85°C 范圍內(nèi)，精度為 ± 0.5°C 。

其主要特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序請?jiān)斠姟皵?shù)字溫度傳感器DS18B20的應(yīng)用”PPT。

2）DS18B20進(jìn)行一次溫度的轉(zhuǎn)換

（1）主機(jī)先作個(gè)復(fù)位操作，

（2）主機(jī)再寫跳過ROM的操作（CCH）命令，

（3）然后主機(jī)接著寫個(gè)轉(zhuǎn)換溫度的操作命令，后面釋放總線至少一秒，讓DS18B20完成轉(zhuǎn)換的操作。在這里要注意的是每個(gè)命令字節(jié)在寫的時(shí)候都是低字節(jié)先寫，例如CCH的二進(jìn)制為11001100，在寫到總線上時(shí)要從低位開始寫，寫的順序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。整個(gè)操作的總線狀態(tài)如下圖。

3）讀取DS18B20的溫度

讀取RAM內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)。同樣，這個(gè)操作也要接照三個(gè)步驟。

（1）主機(jī)發(fā)出復(fù)位操作并接收DS18B20的應(yīng)答（存在）脈沖。

（2）主機(jī)發(fā)出跳過對ROM操作的命令（CCH）。

（3）主機(jī)發(fā)出讀取RAM的命令（BEH），隨后主機(jī)依次讀取DS18B20發(fā)出的從第0一第8，共九個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果只想讀取溫度數(shù)據(jù)，那在讀完第0和第1個(gè)數(shù)據(jù)后就不再理會后面DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)即可。同樣讀取數(shù)據(jù)也是低位在前的。整個(gè)操作的總線狀態(tài)如下圖：

4）18B20的驅(qū)動(dòng)程序

本設(shè)計(jì)中使用DS18B20的驅(qū)動(dòng)程序ds18b20.c和ds18b20.h，文件中提供了如下的函數(shù)。

void Delay_OneWire(unsigned int t);//單總線延時(shí)函數(shù)

void Write_DS18B20(unsigned char dat);//通過單總線向DS18B20寫一個(gè)字節(jié)

unsigned char Read_DS18B20(void);//從DS18B20讀取一個(gè)字節(jié)

bit init_ds18b20(void);//DS18B20設(shè)備初始化

5）18B20測溫流程圖

要點(diǎn)：

1、在讀取溫度數(shù)據(jù)時(shí)，是低8位在前，高8位在后，需要將這兩個(gè)數(shù)據(jù)合并為一個(gè)數(shù)據(jù);

2、讀取的溫度是補(bǔ)碼形式表示的，需將轉(zhuǎn)換成原碼;

3、求實(shí)際溫度公式：temp=tp*0.0625*100+0.5（tp為浮點(diǎn)開數(shù)據(jù)，temp為無符號整形數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為實(shí)際溫度的100倍），乘上100是為溫度小數(shù)后保留2位，加上0.5起校正數(shù)據(jù)的作用。

4、將溫度數(shù)據(jù)存入數(shù)組時(shí)，需將各位數(shù)據(jù)分離開來，再存入數(shù)組，例：

datatemp[0] = temp / 10000+0x30;

datatemp[1] = temp % 10000 / 1000+0x30;

串口助手顯示溫度及控制LED燈工作

通過串口助手用單個(gè)字符控制LED燈工作

功能說明: 編程時(shí)，用變量receivedata接收串口助手發(fā)送過來的單個(gè)字符數(shù)據(jù)，分別用字符a、c和e打開D1、D2和D3燈，分別用字符b、d和f關(guān)閉D1、D2和D3燈，其程序流程圖如下：

通過串口助手用字符串控制LED燈工作

功能說明: 編程時(shí)，用字符數(shù)組receivedata接收串口助手發(fā)送過來的字符串?dāng)?shù)據(jù)，分別用字符串d1on、d2on和d3on打開D1、D2和D3燈，分別用字符串在d1off、d2off和d3off關(guān)閉D1、D2和D3燈，其程序流程圖參考用單個(gè)字符控制LED燈工作的流程圖。

本模塊功能的編程實(shí)現(xiàn)

ESP8266wifi模塊介紹

1、ESP8266WIFI模塊簡介

ESP8266是一個(gè)完整且成體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用，或通過另一個(gè)應(yīng)用處理器卸載所有WIFI網(wǎng)絡(luò)功能。本設(shè)計(jì)中我們使用的ESP8266是串口型WIFI，速度比較低，不能用來傳輸圖像或者視頻這些大容量的數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)量傳輸比較少的場合，比如溫度信息，一些傳感器的開關(guān)量等。雖然傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較少，但也能一次傳輸幾千字節(jié)的數(shù)據(jù)，而且通信非常穩(wěn)定，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用。

ESP8266-WIFI模塊支持STA/AP/STA+AP三種工作模式。

STA模式：ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

AP模式：默認(rèn)模式，ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦直接與模塊通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

STA+AP模式：兩種模式的共存模式，即可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制可實(shí)現(xiàn)無縫切換，方便操作。

ESP8266-WIFI模塊僅在單連接狀態(tài)，支持透傳模式（TCP CLIENT透傳和UDP透傳）。

3、引腳排列

3、模塊和單片機(jī)開發(fā)板的連接

GND：接地

GPIO16：其實(shí)是RST，低電平復(fù)位，所以為了正常工作，連接開發(fā)板3.3V電源

VCC：接單片機(jī)開發(fā)板VCC

UTXD、URXD：前者接單片機(jī)或USB轉(zhuǎn)串口模塊的RXD，后者接TXD。單片機(jī)P3.0為RX，P3.1為TX。特別注意當(dāng)用單片機(jī)開發(fā)板串口測試WIFI模塊時(shí)，模塊的UTXD、URXD要分別和單片機(jī)串口的TX和RX連接。

GPIO2、GPIO0：懸空

CH_PD：連接開發(fā)板3.3V電源

三、WIFI模塊AT指令的測試

1、WIFI模塊的AT指令測試

特別提示：通過串口用AT指令測試WIFI模塊時(shí)，模塊的UTXD、URXD要分別和單片機(jī)串口的TX和RX連接。

測試AT指令時(shí)，首先打開串口助手，如下圖：

設(shè)置串口號和波特率，波特率一般為115200或9600，本次實(shí)驗(yàn)所用模塊已統(tǒng)一設(shè)置成為2400，在串口助手勾發(fā)送新行（如下圖所示），然后發(fā)送AT，如果先出現(xiàn)OK則說明該模塊能正常工作。

關(guān)于AT指令的測試，請同學(xué)參考文檔“AT指令集018.pdf”對AT指令進(jìn)行測試。

2、WIFI模塊通過網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)通信的AT指令

1）重啟wifi模塊

指令：AT+RST

返回：OK

2）設(shè)置WIFI模塊的工作模式

指令：AT+CWMODE=3//設(shè)置模塊為透傳工作模式

返回：OK

3）登錄路由器

指令：AT+CWJAP="TP-LINK_ym2","12345678"//登錄路由器，路由wifi用戶名和密碼

返回：WIFI CONNECTED

WIFI GOT IP

4）連接TCP服務(wù)器（wifi模塊作為客戶端，計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，要先打開監(jiān)聽）

首先要打開軟件網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，協(xié)議類型為TCP Server，點(diǎn)擊開始監(jiān)聽。

指令： AT+CIPSTART="TCP","192.168.0.100",8080

返回：Connect OK

執(zhí)行以上指令后，wifi模塊就會連接到計(jì)算機(jī)的TCP Server，在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手上的連接對象欄就會出現(xiàn)WIFI模塊的IP地址及端口號，如下圖所示：

5）使能透傳模式

指令：AT+CIPMODE=1

返回：OK

6）透傳發(fā)送數(shù)據(jù)

指令：AT+CIPSEND

返回：>(在此提示下可以發(fā)送數(shù)據(jù))

7）退出透傳數(shù)據(jù)發(fā)送

指令：+++（去掉串口助手中發(fā)送新行選項(xiàng)）

返回：返回到AT指令模式

執(zhí)行了以上的AT指令以后，用串口調(diào)試助手和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手就可以實(shí)現(xiàn)WIFI模塊通過路由器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了。

3、WIFI模塊和手機(jī)進(jìn)行通信（WIFI模塊作為客戶端，手機(jī)作為服務(wù)器）

4）連接TCP服務(wù)器（wifi模塊作為客戶端，手機(jī)作為服務(wù)器，要先打開監(jiān)聽）

首先在手機(jī)上安裝有人網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的APP，打開APP如下圖所示：

選擇tcp server,點(diǎn)擊配置，設(shè)置手機(jī)的端口號，再點(diǎn)擊激活后，會在手機(jī)屏幕上顯示手機(jī)的IP和端口號，請一定記住IP和端口號，輸入以下指令。

指令： AT+CIPSTART="TCP","192.168.1.122",5000//手機(jī)的IP和端口號

返回：CONNECT OK

執(zhí)行以上指令后，網(wǎng)絡(luò)助手上會顯示wifi模塊的IP和端口號，如下圖：

5）使能透傳模式

指令：AT+CIPMODE=1

返回：OK

6）透傳發(fā)送數(shù)據(jù)

指令：AT+CIPSEND

返回：>(在此提示下可以發(fā)送數(shù)據(jù))

7）退出透傳數(shù)據(jù)發(fā)送

指令：+++（去掉串口助手中發(fā)送新行選項(xiàng)）

返回：返回到AT指令模式

4、多連接 server

目前 AT Demo ESP8266作為服務(wù)器，需建立多連接作為服務(wù)器，需建立多連接即可以連接多個(gè)client。

以下為 ESP 8266 作為 softAP建立 TCP 服務(wù)器的舉例服務(wù)器的舉例 :

1）設(shè)置 wifi 模式：

AT+CWMODE=3// 設(shè)置為 AP+station共存模式

響應(yīng)： OK

2）重啟生效

AT+RST

響應(yīng)： OK

3）啟動(dòng)多連接

AT+CIPMUX=1

響應(yīng)： OK

4）建立 server

AT+CIPSERVER=1 //默認(rèn)端口 333 333

響應(yīng) ：OK

5） PC 連入設(shè)備 softAP ，PC作client 連接設(shè)備。連接設(shè)備。

注意， ESP8266 作為 server 有超時(shí)機(jī)制，如果連接建立后超時(shí)機(jī)制，如果連接建立后一段時(shí)間內(nèi)無數(shù)據(jù)來往， server 會將 client 踢掉。請?jiān)?PC 工具連上 ESP8266 后建立一個(gè) 2s 的循環(huán)數(shù)據(jù)發(fā)送，用于保持連接。

6）發(fā)送數(shù)據(jù)

AT+CIPSEND=0，4 // 0是設(shè)備的通信號，4表示四個(gè)字節(jié)

響應(yīng)： SEND OK

7）接收數(shù)據(jù)

+IPD,n:xxxxxxxxxx // n表示通信號，xxxxx 為數(shù)據(jù)

四、WIFI模塊通過網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)通信的編程實(shí)現(xiàn)

特別提示：單片機(jī)開發(fā)板通過串口發(fā)送AT指令測試WIFI模塊時(shí)，模塊的UTXD、URXD要分別和單片機(jī)串口的RX和TX連接。

用單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的AT指令程序語句如下：

uart_sendstring("AT+RST\r\n");

delay(50);

uart_sendstring("AT+CWMODE=3\r\n");

delay(20);

uart_sendstring("AT+CWJAP=\"TP-LINK_ym2\",\"12345678\"\r\n");

delay(50);

uart_sendstring("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"192.168.0.110\",8080\r\n");

delay(20);

uart_sendstring("AT+CIPMODE=1\r\n");//使能透傳模式

delay(20);

uart_sendstring("AT+CIPSEND\r\n");//透傳發(fā)送數(shù)據(jù)

delay(20)注意：如用定時(shí)器0定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，串口中斷優(yōu)先級一定要高于定時(shí)器0中斷。

五、WIFI模塊和手機(jī)進(jìn)行通信的編程實(shí)現(xiàn)

用單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的AT指令程序語句如下：

uart_sendstring("AT+RST\r\n");

delay(50);

uart_sendstring("AT+CWMODE=3\r\n");

delay(20);

uart_sendstring("AT+CWJAP=\"手機(jī)熱點(diǎn)名\",\"密碼\"\r\n");

delay(50);

uart_sendstring("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"192.168.1.122\",5000\r\n");//wifi作為 TCP client,手機(jī)作為TCP服務(wù)器，連接 TCP server:

delay(50);

uart_sendstring("AT+CIPMODE=1\r\n");//使能透傳模式

delay(20);

uart_sendstring("AT+CIPSEND\r\n");//透傳發(fā)送數(shù)據(jù)

delay(20);

六、基于ONENET的簡易智能家居系統(tǒng)

OneNET是由中國移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署。OneNET物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表、智慧農(nóng)業(yè)、智能家電、智能硬件、節(jié)能減排、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、物流跟蹤等多種商業(yè)領(lǐng)域。

到目前為止平臺支持的公開接入?yún)f(xié)議主要包括HTTP、EDP、MQTT,、MODBUS、JT/T808五種，本設(shè)計(jì)采用HTTP接入ONENET。

1、用網(wǎng)絡(luò)助手連接ONENET，上傳數(shù)據(jù)到ONENET

1）注冊O(shè)NENET用戶

進(jìn)入ONENET主頁（ https://open.iot.10086.cn/），如下圖，注冊帳號。