基于NodeMCU的物聯網窗簾控制系統設計

最終效果

基于NodeMCU的物聯網窗簾控制系統設計

項目介紹

該項目是“物聯網實驗室監測控制系統設計（仿智能家居）”項目中的“家電控制設計”中的“窗簾控制”子項目，最前者還包括“物聯網設計”、“環境監測設計”、“門禁系統設計計”和“小程序設計”等內容。本文只介紹“窗簾控制”部分。

項目功能實現的大致思路為：當單片機接收到MQTT服務器傳來的窗簾新位置時，驅動步進電機轉動，使窗簾移動到指定位置。

硬件設計

接線

NodeMCU

ULN2003

28BYJ-48

電源

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模組

27.9

8.53

其中共需36.5元左右來購買該項目所需的模塊。此外還需1根數據線、若干杜邦線、能提供5~12V中間任意電壓的電源。

機械模型搭建

為使演示更貼合實際，本系統制作了一個窗簾模型，模型圖見下文。

模型左上方的黑色絕緣膠帶表示窗簾的移動端，位于左側時表示窗簾閉合（遮住窗戶）；位于右側時表示窗簾打開（露出窗戶）。在模型中，步進電機帶動齒輪旋轉，從而帶動傳送帶轉動，進而實現窗簾的移動。通過控制步進電機的旋轉，便可將窗簾移動至指定位置。該模型中的兩齒輪中心距為800mm，主動輪的周長約為74.61mm（比兩齒輪中心距的10%略小），步進電機旋轉10圈可將窗簾移動到另一側（窗簾行程留有冗余）。

器件圖

正面俯視圖
正面右視圖
正面左視圖
正面右部分局部后視圖
反面俯視圖

器件尺寸

未完待續

皮帶：未完待續

28BYJ-48型步進電機的軸：未完待續

木板：未完待續

軟件設計

本次的開發環境為Arduino IDE，開發板型號為NodeMCU 0.9 (ESP-12 Module)。

本系統軟件部分的流程如下圖所示。在初始化之后，等待小程序下發窗簾位置，據此驅動步進電機旋轉。

連接WiFi以及接收MQTT服務器傳來的消息，可參考：利用ESP-01S中繼實現STM32F103C8T6與MQTT服務器的串口雙向通信_mqtt和stm32開發板通信-CSDN博客

解析JSON數據，可參考：Arduino中解析JSON數據-CSDN博客

驅動28BYJ-48型步進電機轉動，可參考：NodeMCU驅動28BYJ-48型步進電機（Arduino）-CSDN博客

//選擇NodeMCU 0.9 (ESP-12 module)
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <Arduino.h>// 設置wifi接入信息和MQTT服務器
const char* wifiname = "DOILMSBOIOT";
const char* password = "doilmsboiot";
const char* mqttServer = "broker.emqx.io";bool receive_message_flag = 0;  //1表示收到信息但還未處理，0表示未收到信息或已處理WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);// 待解析的json文件，所需空間：13~15個字節，正好初始值為最多的字節；若初始化時空間不足，收到信息后無法賦值
String json = "{\"curtain\":000}";// 創建DynamicJsonDocument對象
const size_t capacity = JSON_OBJECT_SIZE(1) + 32 ;   //1表示待解析的JSON對象中有1對數據，32為解析過程中需要的額外空間，可在此網站計算 https://arduinojson.org/v6/assistant/#/step1
DynamicJsonDocument doc(capacity);int curtain_position ;   // 解析后的窗簾位置
int curtain_now_position =0 ;   // 窗簾現在的位置void setup() 
{Serial.begin(9600);    // 啟動串口通訊WiFi.mode(WIFI_STA);    //設置ESP8266工作模式為無線終端模式connectWifi();    // 連接WiFimqttClient.setServer(mqttServer, 1883);   // 設置MQTT服務器和端口號mqttClient.setCallback(receiveCallback);    // 設置MQTT訂閱回調函數connectMQTTserver();    // 連接MQTT服務器stepmotor_initial();  //步進電機初始化
}void loop() 
{if (mqttClient.connected())   // 如果開發板成功連接服務器{ mqttClient.loop();          // 處理信息(收到信息后的回調函數)以及心跳} else                          // 如果開發板未能成功連接服務器{                      connectMQTTserver();        // 則嘗試連接服務器并訂閱主題}if (receive_message_flag == 1) //收到信息但還未處理{     deserializeJson(doc, json);  // 反序列化數據// 解析收到的數據信息curtain_position = doc["curtain"].as<int>();if(curtain_position - curtain_now_position > 0){Serial.print("電機要轉到的位置：");Serial.println(curtain_position);Serial.print("電機現在的位置：");Serial.println(curtain_now_position);int cycle = (int)(curtain_position - curtain_now_position)/10;Serial.println("開始轉動");Serial.println(cycle);for(int i=0; i < cycle; i++){clockwise_turn_one_circle();curtain_now_position += 10;Serial.print("轉過的圈數：");Serial.println(i);} Serial.println("結束轉動");Serial.print("電機現在的位置：");Serial.println(curtain_now_position);Serial.println("");}if(curtain_position - curtain_now_position < 0){Serial.print("電機要轉到的位置：");Serial.println(curtain_position);Serial.print("電機現在的位置：");Serial.println(curtain_now_position);int cycle = (int)(curtain_now_position - curtain_position)/10;Serial.println("開始轉動");Serial.println(-cycle);for(int i=0; i < cycle; i++){anti_clockwise_turn_one_circle();curtain_now_position -= 10;Serial.print("轉過的圈數：");Serial.println(i);} Serial.println("結束轉動");Serial.print("電機現在的位置：");Serial.println(curtain_now_position);Serial.println("");}receive_message_flag = 0;    //已處理接收到的信息}}// 連接MQTT服務器并訂閱主題
void connectMQTTserver()
{// 根據ESP8266的MAC地址生成客戶端ID（避免與其它ESP8266的客戶端ID重名）String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();if (mqttClient.connect(clientId.c_str()))     //如果成功連接MQTT服務器{ Serial.print("MQTT Server Has Connected. ");Serial.print("Server Address: ");Serial.println(mqttServer);Serial.print("ClientId: ");Serial.println(clientId);subscribeTopic(); // 訂閱指定主題} else {Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");Serial.println(mqttClient.state());delay(3000);}   
}// 收到信息后的回調函數
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];   //將收到的信息賦給json，以便后續解析和發射信號}Serial.println("");for (int i = length; i < 15; i++)  //清除掉多余字符{json[i] = '\0';}receive_message_flag = 1;   //表示收到信息但還未處理Serial.print("Message Length (Bytes) :  ");Serial.println(length);Serial.println(" ");
}// 訂閱指定主題
void subscribeTopic()
{String topicString = "deviceControl3/curtain";   // 訂閱主題的名稱char subTopic[topicString.length() + 1];  strcpy(subTopic, topicString.c_str());if(mqttClient.subscribe(subTopic))    //如果成功訂閱主題{Serial.print("Subscrib Topic: ");Serial.println(subTopic);Serial.println("");} else {Serial.print("Subscribe Fail...");}  
}// ESP8266連接wifi
void connectWifi()  
{WiFi.begin(wifiname, password);Serial.println("Connecting to WiFi");while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) //等待WiFi連接,當wifi未連接時,持續輸出".";成功連接后輸出連接成功信息{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);}
}

不足之處

  1. 電機轉速太慢
  2. 缺少獲取窗簾當前位置的功能，無法處理手動和打滑。

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