基于NodeMCU的物联网窗帘控制系统设计

最终效果

基于NodeMCU的物联网窗帘控制系统设计

项目介绍

该项目是“物联网实验室监测控制系统设计（仿智能家居）”项目中的“家电控制设计”中的“窗帘控制”子项目，最前者还包括“物联网设计”、“环境监测设计”、“门禁系统设计计”和“小程序设计”等内容。本文只介绍“窗帘控制”部分。

项目功能实现的大致思路为：当单片机接收到MQTT服务器传来的窗帘新位置时，驱动步进电机转动，使窗帘移动到指定位置。

硬件设计

接线

NodeMCU

ULN2003

28BYJ-48

电源

OUT1

1

OUT2

2

OUT3

3

OUT4

4

D4

INT1

D3

INT2

D2

INT3

D1

INT4

+

5

5V

GND

-

GND

成本

NodeMCU

28BYJ-48模组

27.9

8.53

其中共需36.5元左右来购买该项目所需的模块。此外还需1根数据线、若干杜邦线、能提供5~12V中间任意电压的电源。

机械模型搭建

为使演示更贴合实际，本系统制作了一个窗帘模型，模型图见下文。

模型左上方的黑色绝缘胶带表示窗帘的移动端，位于左侧时表示窗帘闭合（遮住窗户）；位于右侧时表示窗帘打开（露出窗户）。在模型中，步进电机带动齿轮旋转，从而带动传送带转动，进而实现窗帘的移动。通过控制步进电机的旋转，便可将窗帘移动至指定位置。该模型中的两齿轮中心距为800mm，主动轮的周长约为74.61mm（比两齿轮中心距的10%略小），步进电机旋转10圈可将窗帘移动到另一侧（窗帘行程留有冗余）。

器件图

正面俯视图
正面右视图
正面左视图
正面右部分局部后视图
反面俯视图

器件尺寸

未完待续

皮带：未完待续

28BYJ-48型步进电机的轴：未完待续

木板：未完待续

软件设计

本次的开发环境为Arduino IDE，开发板型号为NodeMCU 0.9 (ESP-12 Module)。

本系统软件部分的流程如下图所示。在初始化之后，等待小程序下发窗帘位置，据此驱动步进电机旋转。

连接WiFi以及接收MQTT服务器传来的消息，可参考：利用ESP-01S中继实现STM32F103C8T6与MQTT服务器的串口双向通信_mqtt和stm32开发板通信-CSDN博客

解析JSON数据，可参考：Arduino中解析JSON数据-CSDN博客

驱动28BYJ-48型步进电机转动，可参考：NodeMCU驱动28BYJ-48型步进电机（Arduino）-CSDN博客

//选择NodeMCU 0.9 (ESP-12 module)
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <Arduino.h>

// 设置wifi接入信息和MQTT服务器
const char* wifiname = "DOILMSBOIOT";
const char* password = "doilmsboiot";
const char* mqttServer = "broker.emqx.io";

bool receive_message_flag = 0;  //1表示收到信息但还未处理，0表示未收到信息或已处理
 
WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);

// 待解析的json文件，所需空间：13~15个字节，正好初始值为最多的字节；若初始化时空间不足，收到信息后无法赋值
String json = "{\"curtain\":000}";

// 创建DynamicJsonDocument对象
const size_t capacity = JSON_OBJECT_SIZE(1) + 32 ;   //1表示待解析的JSON对象中有1对数据，32为解析过程中需要的额外空间，可在此网站计算 https://arduinojson.org/v6/assistant/#/step1
DynamicJsonDocument doc(capacity);

int curtain_position ;   // 解析后的窗帘位置
int curtain_now_position =0 ;   // 窗帘现在的位置


void setup() 
{
  Serial.begin(9600);    // 启动串口通讯
  
  WiFi.mode(WIFI_STA);    //设置ESP8266工作模式为无线终端模式
  
  connectWifi();    // 连接WiFi
  
  mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);   // 设置MQTT服务器和端口号
  mqttClient.setCallback(receiveCallback);    // 设置MQTT订阅回调函数
  connectMQTTserver();    // 连接MQTT服务器
  
  stepmotor_initial();  //步进电机初始化
}

void loop() 
{
  if (mqttClient.connected())   // 如果开发板成功连接服务器
  { 
    mqttClient.loop();          // 处理信息(收到信息后的回调函数)以及心跳
  } 
  else                          // 如果开发板未能成功连接服务器
  {                      
    connectMQTTserver();        // 则尝试连接服务器并订阅主题
  }

  if (receive_message_flag == 1) //收到信息但还未处理
  {     
    deserializeJson(doc, json);  // 反序列化数据
    
    // 解析收到的数据信息
    curtain_position = doc["curtain"].as<int>();

    if(curtain_position - curtain_now_position > 0)
    {
      Serial.print("电机要转到的位置：");Serial.println(curtain_position);
      Serial.print("电机现在的位置：");Serial.println(curtain_now_position);
      int cycle = (int)(curtain_position - curtain_now_position)/10;
      Serial.println("开始转动");
      Serial.println(cycle);
      for(int i=0; i < cycle; i++)
      {
        clockwise_turn_one_circle();
        curtain_now_position += 10;
        Serial.print("转过的圈数：");Serial.println(i);
      } 
      Serial.println("结束转动");
      Serial.print("电机现在的位置：");Serial.println(curtain_now_position);
      Serial.println("");
    }
    if(curtain_position - curtain_now_position < 0)
    {
      Serial.print("电机要转到的位置：");Serial.println(curtain_position);
      Serial.print("电机现在的位置：");Serial.println(curtain_now_position);
      int cycle = (int)(curtain_now_position - curtain_position)/10;
      Serial.println("开始转动");
      Serial.println(-cycle);
      for(int i=0; i < cycle; i++)
      {
        anti_clockwise_turn_one_circle();
        curtain_now_position -= 10;
        Serial.print("转过的圈数：");Serial.println(i);
      } 
      Serial.println("结束转动");
      Serial.print("电机现在的位置：");Serial.println(curtain_now_position);
      Serial.println("");
    }
    
    receive_message_flag = 0;    //已处理接收到的信息
  }

}

// 连接MQTT服务器并订阅主题
void connectMQTTserver()
{
  // 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）
  String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();
 
  if (mqttClient.connect(clientId.c_str()))     //如果成功连接MQTT服务器
  { 
    Serial.print("MQTT Server Has Connected. ");
    Serial.print("Server Address: ");
    Serial.println(mqttServer);
    Serial.print("ClientId: ");
    Serial.println(clientId);
    subscribeTopic(); // 订阅指定主题
  } 
  else 
  {
    Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");
    Serial.println(mqttClient.state());
    delay(3000);
  }   
}

// 收到信息后的回调函数
void receiveCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) 
{
  Serial.print("Message with the topic of [ ");
  Serial.print(topic);
  Serial.println(" ] has been received.");

  Serial.print("Content: ");
  for (int i = 0; i < length; i++) 
  {
    Serial.print((char)payload[i]);
    json[i] = (char)payload[i];   //将收到的信息赋给json，以便后续解析和发射信号
  }
  Serial.println("");

  for (int i = length; i < 15; i++)  //清除掉多余字符
  {
    json[i] = '\0';
  }

  receive_message_flag = 1;   //表示收到信息但还未处理
  
  Serial.print("Message Length (Bytes) :  ");
  Serial.println(length);
  Serial.println(" ");
}
 
// 订阅指定主题
void subscribeTopic()
{
  String topicString = "deviceControl3/curtain";   // 订阅主题的名称
  char subTopic[topicString.length() + 1];  
  strcpy(subTopic, topicString.c_str());
  
  if(mqttClient.subscribe(subTopic))    //如果成功订阅主题
  {
    Serial.print("Subscrib Topic: ");
    Serial.println(subTopic);
    Serial.println("");
  } else 
  {
    Serial.print("Subscribe Fail...");
  }  
}
 
// ESP8266连接wifi
void connectWifi()  
{
  WiFi.begin(wifiname, password);
  
  Serial.println("Connecting to WiFi");
 
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) //等待WiFi连接,当wifi未连接时,持续输出".";成功连接后输出连接成功信息
  {
    delay(1000);
    Serial.print(".");
  }
  
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected!");  
  Serial.println(""); 
}






void stepmotor_initial()
{
  pinMode(D1, OUTPUT);
  pinMode(D2, OUTPUT); 
  pinMode(D3, OUTPUT);
  pinMode(D4, OUTPUT);
}

void clockwise_turn_one_circle()
{
  for(int i=0;i<512;i++)
  {
    digitalWrite(D1, HIGH);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, HIGH);
    digitalWrite(D2, HIGH);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, HIGH);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, HIGH);
    digitalWrite(D3, HIGH);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, HIGH);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, HIGH);
    digitalWrite(D4, HIGH);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, HIGH);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, HIGH);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, HIGH);
    delay(1);
  }
}

void anti_clockwise_turn_one_circle()
{
  for(int i=0;i<512;i++)
  {
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, HIGH);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, HIGH);
    digitalWrite(D4, HIGH);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, HIGH);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, HIGH);
    digitalWrite(D3, HIGH);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, LOW);
    digitalWrite(D2, HIGH);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, HIGH);
    digitalWrite(D2, HIGH);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, HIGH);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, LOW);
    delay(1);
    digitalWrite(D1, HIGH);
    digitalWrite(D2, LOW);
    digitalWrite(D3, LOW);
    digitalWrite(D4, HIGH);
    delay(1);
  }
}

不足之处

  1. 电机转速太慢
  2. 缺少获取窗帘当前位置的功能，无法处理手动和打滑。

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