基于ESP32的智能家居控制系统-微信小程序
时间：2022-08-12 00:00:02
一、 研究意义、现状及应用分析
1.1.研究的意义和现状
目前，科技发展迅速，渗透到各行各业和生活的方方面面，室内设计与高科技相结合，出现了智能家居。所谓智能家居，就是利用物联网、传感器、智能控制技术将各种家电连接起来，实现智能化、自动化、人性化的生活环境。通过语音控制、远程控制、预约控制、个性化设计、一键控制等功能，进一步提高生活的舒适性、便利性和安全性。
1.2应用分析
具体来说，空调、加湿器、灯具、家庭影院等电器都是通过各种传感器监测室内温度、湿度、光强、烟雾浓度、室内是否有人等信息自动调整的。智能电器的语音控制采用人机交互设备和语音识别设备。智能电器的远程控制是通过移动终端和计算机终端实现的。家用电器的运行、监控屏幕、智能捕捉、报警等信息将实时反馈给用户。用户可以随时随地了解家中的具体情况，让用户体验离家如在家的感觉。与传统家居相比，智能家居有利于提高家居生活的便利性、舒适性和安全性。许多新社区或多或少都配备了一些智能家居设备，但距离真正的智能家居还有很长的路要走。未来，智能家居将成为现代生活的标准。
二、 总体方案设计及功能模块介绍
2.总体方案设计
该系统主要分为传感器监控模块、自动报警模块和远程控制模块三个模块。传感器监测模块包括环境温湿度和烟雾浓度监测，用户可以在微信小程序上查看实时传感数据；自动报警模块在传感数据超过设定阈值时报警，提醒用户注意火灾；远程控制模块可通过微信小程序远程控制LED灯和风扇的开关可以远程控制家用电器的开关，不在家。总体方案设计图如图1所示：
图1:总体方案设计图
2.2功能模块介绍
2.2.传感器监测模块
传感器监测模块主要包括温湿度监测和烟雾浓度监测，ESP32收集当前环境的温湿度数据和烟雾浓度，通过温湿度传感器和烟雾传感器上传到巴法云MQTT服务器，微信小程序获取巴法云MQTT向用户展示服务器上的传感器数据，让用户在当前环境中获得温湿度和烟雾浓度数据。
2.2.自动报警模块
用户可以设置自动报警阈值。当环境烟雾浓度数据超过设定阈值时，灯会发送报警信息，提醒用户当前环境烟雾浓度过高，注意火灾，风扇也会打开排气，降低当前环境的烟雾浓度。微信小程序还将收到报警信息，提醒用户注意火灾的发生。
2.2.远程控制模块
用户可以通过微信小程序上的远程开关控制灯和风扇的工作状态，方便快捷。
三、 系统硬件平台及接口设计
3.1硬件组成
选择ESP32-WROOM-32为主控板，ESP32 性能稳定，工作温度范围达到 –40°C 到 125°C。综合自校准电路实现动态电压调节，可消除外部电路的缺陷，适应外部条件的变化。ESP32 天线开关，RF balun、集成功率放大器、低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能。ESP32 外围设备很少，处理性能强，安全性能可靠，安全性能可靠 Wi-Fi & 蓝牙功能。ESP32 专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，具有高水平的低功耗性能，包括精细分辨时钟控制、节能模式和动态电压调节。ESP32 可作为独立系统运行应用程序或是主机 MCU 从设备，通过 SPI / SDIO 或 I2C / UART 接口提供 Wi-Fi 蓝牙功能。ESP如图2所示，32开发板。
图2：ESP32开发板图
温湿度传感器（DHT11）
采用温湿度数据DHT收集11温湿度传感器传感器。DHT11 数字温湿度传感器是一种含有校准数字信号输出的温湿度复合传感器。采用特殊的数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证产品的高可靠性和优异的长期稳定性。传感器包括电阻式感湿元件和NTC与高性能8位单片机连接的测温元件。因此，该产品质量优良，响应超快，抗干扰能力强，性价比高 优势极高。每个DHT在极其精确的湿度校验室中校准传感器。校准系数以程序的形式存储在OTP 这些校准系数应调用于传感器内部的检测信号处理。单线串行接口使系统集成简单快捷。超小体积，功耗极低，信号传输距离可达20 米以上，使其成为各种应用甚至最苛刻的应用场合的最佳选择。连接方便，可根据用户需要提供特殊的包装形式。
图3：DHT11传感器图
烟雾传感器：
MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。处于200~在300℃时，二氧化锡吸收空气中的氧气，形成氧气的负离子吸附，降低半导体中的电子密度，从而增加其电阻值。与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒被烟雾调整变化，表面导电率就会发生变化。烟雾浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，输出模拟信号越大。MQ-2型传感器重复性好，稳定性长。初始稳定，响应时间短，长期工作性能好。使用前必须加热一段时间，否则其输出电阻和电压不准确。
图4：烟雾传感器图
LED灯：
LED灯采用的是8mm红色LED发光模块。这个模块在这个系统中有两个用途，一个是微信小程序控制LED灯开关，二是烟雾浓度过高，自动报警闪烁灯。
图5：8mm红色LED发光模块图
继电器：
继电器(英文名称:relay）它是一种电气控制装置，当输入（激励）变化满足规定要求时，在电气输出电路中预定阶跃变化。它具有控制系统(也称输入回路)与被控制系统(也称输出回路)之间的互动关系。通常用于自动控制电路，实际上是用小电流控制大电流运行的自动开关。因此，它在电路中起着自动调节、安全保护和转换电路的作用。该系统采用低电平触发和高电平触发继电器。
图6：继电器
风扇：
风扇为5V，0.2A的小风扇模块。此模块在此系统有两个用处，一是微信小程序控制风扇的开关，二是烟雾浓度过高自动报警后自动进行排气。
图7：风扇
3.2引脚分配
基于ESP32智能家居控制系统由硬件和微信小程序组成。如果超过阈值，可以实现数据采集、远程控制和数据处理。引脚分布如图8所示。
图8：引脚分配图
3.三是硬件整体结构设计
图9:硬件模块构图
四、 实现系统软件功能设计、程序流程图和代码
4.1温湿度传感数据显示
通过DHT11温湿度传感器收集当前环境的温湿度数据，上传至巴法云MQTT服务器上传到微信小程序显示。
图10：温湿度数据采集程序流程图
代码实现：
图11：DHT11的核心代码
4.2烟雾传感数据显示
烟雾浓度数据通过烟雾传感器上传到巴法云MQTT服务器上传到微信小程序端显示。
图12:烟感浓度数据采集流程图
代码实现：
图13:烟雾传感器的核心代码
4.3 LED灯远程控制
用户可以通过微信小程序端通过虚拟按钮来远程控制LED操作方法方便快捷。
图14：LED灯控制程序流程图
代码实现：
图15：LED灯具控制的核心代码
4.4风扇远程控制
用户可以通过虚拟按钮远程控制继电器的开关，然后通过微信小程序端控制风扇的开关，操作方法方便快捷。
图16:风扇控制程序流程图
代码实现：
图17:风扇控制的核心代码
4.烟雾浓度过高，自动报警
烟雾传感器每次收集数据都会判断烟雾浓度是否高于用户设定的阈值。如果超过阈值，微信小程序端会报警，LED灯和微信小程序端也会发出警告，提醒用户当前环境烟雾浓度过高，注意火灾；风扇还会排气，降低当前环境的烟雾浓度。
图18:烟雾浓度过高的自动报警程序流程图
代码实现：
图19:烟雾浓度过高自动报警的核心代码
五、 实验测试，结果分析
基于ESP32智能家居控制系统智能家居控制系统的测试ESP测试三个方面：32端和巴法云物联网平台端。微信小程序端测试ESP对巴法云物联网平台数据的调用据，ESP每个数据采集点的传感器模块在32端测试，巴法云物联网平台测试数据的业务处理。
图20：ESP32线路连接图
图21:巴法云物联网平台主页
图22:微信小程序开发平台
DHT11温湿度传感器模块测试
按引脚图连接线路，将DHT11放在自然环境中，然后燃烧程序。在测试过程中，当温度和湿度传感器吹气时，温度和湿度会发生显著变化。如图所示，成功测量的温度和湿度可以通过ESP32直接上传到巴法云物联网平台上，然后再显示在微信小程序端。
图23：DHT11温湿度模块试验结果br>
图24：微信小程序温湿度模块测试结果
烟雾传感器模块测试
按引脚图接线连接好线路，然后烧入程序。在测试时，用打火机喷发气体到烟雾传感器，此时的烟雾浓度的数据会发生明显的变化。如图所示，成功测出的烟雾浓度可以经过ESP32直接上传到巴法云物联网平台上，然后再显示在微信小程序端。
图25：烟雾传感器模块测试结果
图26：微信小程序烟雾传感器模块测试结果
远程控制模块测试
按引脚图接线连接LED灯，继电器和风扇，然后烧入程序。在微信小程序打开控制页面，点击所设置的虚拟开过按钮即可控制LED灯和风扇的开关。
图27：微信小程序端控制页面
图28：微信小程序端控制
自动报警模块测试
当烟雾传感器模块收集的烟雾浓度高于所设置的阈值时，微信小程序端将会报警，LED灯也会报警，风扇会进行排气工作，提醒用户当前环境烟雾浓度过高，小心有火灾的发生。
图29：微信小程序报警
图30：巴法云物联网平台信息页面
六、 总结、心得体会
随着社会的各方面的发展，智能家居逐渐走进了人们的家庭中，为人们带来更加舒适的生活，提高生活质量。在本次课程设计中，我通过ESP32为主控板，连接DHT11、烟雾传感器、LED灯、继电器和风扇，结合巴法云物联网平台搭建了一个简单的智能家居控制系统。
本系统实现的功能如下：
（1） 通过微信小程序实现了对环境数据实时监测功能；
（2） 实现了远程控制LED灯和风扇的开关；
（3） 实现了烟雾浓度过高自动报警功能。
在此次课程设计中，我采用了ESP32开发板作为主控板，巴法云物联网平台作为数据中继，微信小程序作为数据展示端，完成了一个简单的智能家居控制系统。传感器数据采集部分不难，难的部分是ESP32如何连接上巴法云物联网平台，通过在CSDN上找到的教程，按照教程一步一步的操作，首先需要开发板需要连接上WIFI，然后还需要连接上MQTT，开发板、巴法云物联网平台和微信小程序端三者之间都是通过MQTT通信的，MQTT协议是此次设计最重要的一部分。
巴法云物联网平台有许多功能，我们只需要在上面创建设备，创建完后就会有一串自己的密钥，这串密钥是ESP32连上巴法云物联网平台的密码，只有拥有对的密钥才能连接上巴法云平台。在巴法云物联网平台上自己需要通信的topic，然后在ESP32上订阅巴法云物联网平台的相应的Topic，只有订阅了相对应的Topic，两者之间的数据才不会混乱。在此次课程设计中，我将微信小程序应用其中，自己写了一个微信小程序用来展示传感数据，实现了数据实时展示、开关远程控制和烟雾自动预警功能，但由于刚接触微信小程序这方面的知识，还不够了解，今后还需继续学习，努力学习这方面的知识，争取下次做出更好的作品。
