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物联网之智能家居系统设计和实现_智能家居系系统设计的流程有哪些

作者：小小林熬夜学编程 | 2024-06-16 03:54:25

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智能家居系系统设计的流程有哪些

文章目录

1、课题概述

实现一个手机App，可以控制家里设备，并获取到相关温湿度信息。

App调用云服务器上的HTTP服务；HTTP服务封装了MQTT订阅和推送请求，对MQTT服务端进行更新；

esp8266模块联网连接MQTT服务端，将服务端传送过来的数据发送给51单片机进行控制，同时将DHT11采集到的温湿度信息发送给MQTT服务端。

2、参考博客

arduino下载和教程

esp8266和51通信

MQTT协议详解

服务器运行MQTT服务端

3、开发环境

1、IDEA（开发JavaWeb应用）
2、Android studio（开发手机App）
3、arduino（开发esp8266程序）
4、keil5（开发单片机程序）
5、串口调试工具

4、准备设备

  • 1、51单片机（用来管理家居设备）

  • 2、DHT11（用来获取温湿度信息）

  • 3、esp8266-12e（连接外网上的mqtt服务器）

  • 4、云服务器（部署mqtt服务器，以及http服务）

5、系统设计

总体设计流程图

在这里插入图片描述

5.1、硬件

esp8266模块连接手机热点连接上互联网，然后连接MQTT服务器，推送相关温湿度信息上去，并订阅控制主题。

esp8266收到订阅信息后，直接发送给串口。

51单片机通过串口中断获取信息，然后进行相关处理。

5.2、软件

服务器端先部署一个MQTT服务器，然后对其相关操作封装一个Http服务。

最后手机App只需要发送http请求便可以操作相关硬件了。

6、系统实现

6.1、云服务器部署MQTT服务端

本方案采用的是Docker部署EMQ。

将官网镜像拉取到本地，然后运行镜像。

  • docker pull emqx/emqx:4.3.4

  • docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8081:8081 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx:4.3.4

启动成功后，docker ps会有相关容器信息如下。
在这里插入图片描述
访问服务器的18083端口，可以看到如下页面表示部署成功（账号：admin，密码：public）
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

6.2、ESP8266连接MQTT服务端

6.2.1、arduino中先下载esp12e的相关组件库。

在工具栏>工具>开发板>开发板管理器>搜索esp8266下载相关库（本文博客链接中有详细教程）。
在这里插入图片描述

6.2.2、导入其它库

导入相关第三方库（项目中有）。

然后工具栏>项目>加载库>添加.ZIP库将下列库添加。
在这里插入图片描述

6.2.3、代码

esp8266首先要先连上互联网，才能进行MQTT通信。所以esp8266首先要先连接WiFi，然后进行MQTT相关推送和订阅信息。

使用dht11模块直接读取DHT11模块的温湿度信息，然后使用pubsubclient模块进行MQTT通信。

arduino项目源代码如下

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <dht11.h>//引入DHT11库

SoftwareSerial mySerial(13, 12); // RX, TX

/********************###定义###********************/
dht11 DHT11;//定义传感器类型
#define DHT11PIN 2//定义传感器连接引脚。此处的PIN2在NodeMcu8266开发板上对应的引脚是D4
 
/********************###子函数###********************/
double Fahrenheit(double celsius)
{
  return 1.8 * celsius + 32; //摄氏温度度转化为华氏温度
}
 
double Kelvin(double celsius)
{
  return celsius + 273.15; //摄氏温度转化为开氏温度
}

// Update these with values suitable for your network.

const char* ssid = "1122";//wifi账号
const char* password = "11111111";//wifi秘密
const char* mqtt_server = "159.75.88.181";//mqtt服务器

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
long lastMsg = 0;
char msg[50];
int value = 0;

void setup_wifi() {

  delay(10);
  // We start by connecting to a WiFi network
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, password);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }

  randomSeed(micros());

  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.println("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

/**
 * 消息回调
 */
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print((char)payload[0]);

}

/**
 * 断开重连
 */
void reconnect() {
  // Loop until we're reconnected
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    // Create a random client ID
    String clientId = "ESP8266Client-";
    clientId += String(random(0xffff), HEX);
    // Attempt to connect
    if (client.connect(clientId.c_str())) {
      Serial.println("connected");
      // Once connected, publish an announcement...
      client.publish("dht11Topic", "hello world");
      // ... and resubscribe
      client.subscribe("51Topic");
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      // Wait 5 seconds before retrying
      delay(5000);
    }
  }
}

void setup() {
  pinMode(BUILTIN_LED, OUTPUT);     // Initialize the BUILTIN_LED pin as an output
  Serial.begin(9600);
  mySerial.begin(9600);
  setup_wifi();
  //配置mqtt服务器地址和端口
  client.setServer(mqtt_server, 1883);
  //设置订阅消息回调
  client.setCallback(callback);
}

void loop() {
  //重连机制
  if (!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  //不断监听信息
  client.loop();

  long now = millis();
  if (now - lastMsg > 5000) {
    DHT11.read(DHT11PIN); //更新传感器所有信息

    //每5s发布一次信息
    lastMsg = now;
    ++value;
    snprintf (msg, 50, "temperature: %f,humidity: %f", (float)DHT11.temperature, (float)DHT11.humidity);
//    Serial.print("Publish message: ");
//    Serial.println(msg);
    client.publish("dht11Topic", msg);
  }
}

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6.3、单片机实现

开启串口中断，然后单片机RXD，TXD和esp8266相连接，则可以直接将8266的串口信息直接获取到。

然后在串口中断中直接设置相关指令的对应操作实现。

下列代码仅供操作，可能不同单片机的不同引脚不同。

#include<reg52.h>
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
sbit LED = P2^3;
sbit MOTO = P1^0;	
u8 dat;
void Init(void)		
{
	TMOD = 0x20;	
	TL1 = 0xfd;		
	TH1 = 0xfd;		
	TR1 = 1;	
	REN=1;    
	SM0=0;    
	SM1=1;   
	EA = 1;   
	ES=1;     
}

void main()
{
    Init();
    while(1);
}

void InterruptUART() interrupt 4   
{ 
      RI = 0;        
      dat = SBUF;    
	  {
         if(dat=='o')
		 {
			 LED =0;    
		 }
		 if(dat=='f')  
		 {						 
		     LED =1; 
		 }			
		 if (dat == 'a')
			 MOTO = 1;
		 if (dat == 'b')
			 MOTO = 0;
	  }
}

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6.4、HTTP服务实现

封装一个HTTP服务屏蔽MQTT的服务调用，让APP直接发送HTTP请求就可操作硬件。

其中核心类MqttChannel对MQTT协议进行封装。内部维护一个订阅信息Map，当有新信息推送时，修改该Map的信息即可。

package cn.wen233.iocdemo.infrustructure.util;

import cn.wen233.iocdemo.domain.enums.LedState;
import cn.wen233.iocdemo.domain.enums.MotorState;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.*;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

/**
 * mqtt协议处理工具类
 *
 * @author wenei
 * @date 2021-06-23 10:08
 */
public class MqttChannel implements AutoCloseable {

    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(MqttChannel.class);

    /**
     * 客户机id
     */
    private static final String clientId = "http-consumer";

    /**
     * 服务质量
     */
    private static final int qos = 1;

    private static String ip = IocUtil.getBean(MQTTProperties.class).getIp();

    private static int port = IocUtil.getBean(MQTTProperties.class).getPort();

    private static final String serviceUrl = String.format("tcp://%s:%d", ip, port);

    private static final Map<String, String> topicMap = new HashMap<>();

    /**
     * 默认订阅的主题
     */
    private static final List<String> defaultSubscribeTopic = Collections.singletonList("dht11Topic");

    private static final Map<String, String> defaultTopicStatus = new HashMap<>();

    static {
        final String topic = "51Topic";
        defaultTopicStatus.put(topic, LedState.OFF.getCommand());
        defaultTopicStatus.put(topic, MotorState.OFF.getCommand());
    }

    private static MqttClient mqttClient = null;

    static {
        // 内存存储
        MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();
        // 创建客户端
        try {
            mqttClient = new MqttClient(serviceUrl, clientId, persistence);
            // 创建链接参数
            MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
            // 在重新启动和重新连接时记住状态
            connOpts.setCleanSession(false);
            // 设置连接的用户名
//            connOpts.setUserName(userName);
//            connOpts.setPassword(password.toCharArray());
            // 建立连接
            mqttClient.connect(connOpts);
            // 设置回调函数
            mqttClient.setCallback(new MqttCallback() {

                @Override
                public void connectionLost(Throwable cause) {
                    log.info("失去连接");
                }

                @Override
                public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
                    log.info("Time: {}, Topic:{}, Message:{}",
                            new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()), topic, message);
                    topicMap.put(topic, new String(message.getPayload()));
                }

                @Override
                public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {
                    log.info("更新订阅:" + token.isComplete());
                }

            });
            // 默认订阅的主题
            defaultSubscribeTopic.forEach(x -> {
                try {
                    mqttClient.subscribe(x, qos);
                } catch (MqttException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                topicMap.put(x, "temperature:-99.00000, humidity:-99.00000");
            });
            // 默认51控制主题状态设定
            defaultTopicStatus.forEach(MqttChannel::publish);
        } catch (MqttException mqttException) {
            mqttException.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 异步调用推送方法
     */
    public static void asyncPublish(String topic, String sendData) {
        CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            publish(topic, sendData);
            return null;
        });
    }

    public static void publish(String topic, String sendData) {
        try {
            // 创建消息
            MqttMessage message = new MqttMessage(sendData.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            // 设置消息的服务质量
            message.setQos(qos);
            // 发布消息
            mqttClient.publish(topic, message);
            log.info("向 {} 的 {} 主题发送:{}", serviceUrl, topic, sendData);
        } catch (MqttPersistenceException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (MqttSecurityException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (MqttException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    public static String subscribe(String topic) {
        return topicMap.get(topic);
    }

    @Override
    public void close() throws Exception {
        mqttClient.disconnect();
        mqttClient.close();
    }
}

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运行成功后如下则已经将MQTT信息推送出去了。
在这里插入图片描述
然后将该SpringBoot应用打包，部署到云服务器上（以便于后续App发送Http请求）。

将上述6.1 6.2 6.3的esp8266和51单片机连接，然后供电，等待连接WiFi。连接上WiFi后该http服务就可以直接控制单片机。
在这里插入图片描述

6.5、App实现

App页面如下(项目路径不要有中文)

接收相关温湿度信息并实时显示，然后控制相关LED和风扇状态。
在这里插入图片描述

7、系统测试

将单片机和esp8266的程序都烧录进去后，在云服务器上部署MQTT服务器，并设置esp8266的相关WiFi和服务器信息。

然后启用http服务，将有如下信息
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
调用相关HTTP接口即可操作单片机
在这里插入图片描述

8、系统回顾

该系统实质上是一个esp8266作为一个MQTT客户端连接外网MQTT服务器的系统。

连接完成后，51单片机的串口可与MQTT的主题透明传输。即可将主题的收到的信息完整的再发送到单片机上。

所以如果需要再次开发的话，只需要修改单片机和HTTP服务中发送的相关操作指令即可。

9、项目地址

本项目使用到的所有源代码如下：

Gitee项目地址

好用别忘点个赞鸭

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