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物联网之智能家居系统设计和实现

时间：2018-09-28 05:36:48

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物联网之智能家居系统设计和实现

文章目录

1、课题概述2、参考博客3、开发环境4、准备设备5、系统设计5.1、硬件5.2、软件6、系统实现6.1、云服务器部署MQTT服务端6.2、ESP8266连接MQTT服务端6.2.1、arduino中先下载esp12e的相关组件库。6.2.2、导入其它库6.2.3、代码6.3、单片机实现6.4、HTTP服务实现6.5、App实现7、系统测试8、系统回顾9、项目地址

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

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。

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）

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）。

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。

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 networkSerial.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 reconnectedwhile (!client.connected()) {Serial.print("Attempting MQTT connection...");// Create a random client IDString clientId = "ESP8266Client-";clientId += String(random(0xffff), HEX);// Attempt to connectif (client.connect(clientId.c_str())) {Serial.println("connected");// Once connected, publish an announcement...client.publish("dht11Topic", "hello world");// ... and resubscribeclient.subscribe("51Topic");} else {Serial.print("failed, rc=");Serial.print(client.state());Serial.println(" try again in 5 seconds");// Wait 5 seconds before retryingdelay(5000);}}}void setup() {pinMode(BUILTIN_LED, OUTPUT);// Initialize the BUILTIN_LED pin as an outputSerial.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);}}

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;}}

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.pletableFuture;/*** mqtt协议处理工具类** @author wenei* @date -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() {@Overridepublic void connectionLost(Throwable cause) {log.info("失去连接");}@Overridepublic 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()));}@Overridepublic 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);}@Overridepublic void close() throws Exception {mqttClient.disconnect();mqttClient.close();}}

运行成功后如下则已经将MQTT信息推送出去了。

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。