M-Design设计竞赛-ESP32-S3阿里云温湿度光照系统

项目背景

本次我选择的任务是方向三：无线通信、物联网，我选择这个项目来作为实现方向。

在日常生活中，我们需要检测周围的环境情况，在电子世界中，环境的数据就是通过一个一个传感器来获取的，这里通过传感器来搭建属于我们自己的传感器系统，想做一个小巧又可以随时安放的开发板，可以随时检测当前环境的情况，也希望代码量少一点，方便更多人能及时上手。

项目功能

1. 环境监测
2. • 温湿度检测：通过NSHT30传感器实时检测环境中的温度和湿度，并将数据发送到阿里云平台。
   • 光照强度检测：使用BH1750传感器测量环境光照强度，并将数据上传至云端。
2. 无线通信与物联网连接
3. • 利用ESP32-S3-WROOM-1-N16R8作为主控芯片，支持Wi-Fi连接，确保设备可以稳定地与阿里云IoT平台进行通信。
   • 实现了MQTT协议的集成，使得设备能够订阅和发布消息，便于远程监控和控制。
3. 智能响应机制
4. • 根据光照强度自动调整LED状态（开/关），当环境光低于一定阈值时开启辅助照明。
   • 支持接收来自阿里云平台的指令，如手动调节LED状态或设置温度报警阈值等。
4. 移动端应用
5. • 开发了Android应用程序，用于展示温湿度、光照强度等环境参数的实时数据。
   • 提供了简洁直观的用户界面(UI)，让用户可以方便地查看环境信息，并能接收到来自设备的状态更新通知。

项目材料

主控芯片：ESP32­S3­WROOM­1­N16R8

温湿度芯片：NSHT30

光照传感器：BH1750

串口芯片：CH340N

使用平台：Arduino和阿里云的云平台和Android

流程图

硬件部分

原理图

PCB

焊接完成图

软件部分

Arduino

这次的代码只是裸机实现，后期可以修改为操作系统或者时间片轮询

引入的头文件

#include <Wire.h>
#include <DHT11.h>
#include <BH1750.h>
#include "SHTSensor.h"
#include <WiFi.h>          // 引入 WiFi 模块
#include <AliyunIoTSDK.h>  // 引入阿里云 IoT SDK

这里的SDK需要做一些修改与我们的阿里云进行json解析适配

在AliyunIoTSDK.cpp，替换这个函数进行解析

static void parmPass(JsonVariant parm)
{
    // 遍历回调函数数组
    for (int i = 0; i < DATA_CALLBACK_SIZE; i++)
    {
        if (poniter_array[i].key) // 如果当前回调数组元素的 key 不为空
        {
            // 检查传入的 JSON 中是否包含 "items" 部分，并且检查 "items" 中是否包含要查找的 key
            bool hasKey = parm["items"].containsKey(poniter_array[i].key);
            if (hasKey) // 如果存在该 key
            {
                // 调用与该 key 绑定的回调函数，传递 items 部分的数据
                poniter_array[i].fp(parm["items"]);
            }
        }
    }
}

初始化代码

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(1, 2);
  Wire1.begin(21, 20);
  sht.init(Wire);
  sht.setAccuracy(SHTSensor::SHT_ACCURACY_MEDIUM); // 设置传感器精度
  lightMeter.begin(BH1750::CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE,0x23,&Wire1);
  wifiInit(WIFI_SSID, WIFI_PASSWD);
  AliyunIoTSDK::begin(espClient, PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME, DEVICE_SECRET, REGION_ID);
  if(AliyunIoTSDK::subscribe(topic_Set,0))Serial.println("订阅成功");
  pinMode(5,OUTPUT);
  pinMode(4,OUTPUT);
}
​

主循环

void loop() {
  // 读取SHT传感器的数据
  if (sht.readSample()) {
    humi = sht.getHumidity();
    temp = sht.getTemperature();
  }
  mlux = lightMeter.readLightLevel();
​
  if(mlux<10)
  {
    light = 1;
  }else{
    light = 0;
  }
  digitalWrite(4, light);
  AliyunIoTSDK::bindData("templight", handleItemData);
  AliyunIoTSDK::send("templight", temp1);
  AliyunIoTSDK::send("light", light);
  AliyunIoTSDK::send("mlux", mlux);
  AliyunIoTSDK::send("EnvironmentTemperature", temp);
  AliyunIoTSDK::send("EnvironmentHumidity", humi);
  AliyunIoTSDK::loop();
  // 等待1秒后继续下一次读取
  delay(1000);
}
// WiFi连接初始化
void wifiInit(const char *ssid, const char *passphrase) {
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, passphrase);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.println("WiFi not connected");
  }
  Serial.println("Connected to AP");
}
​
void handleItemData(JsonVariant items) {
    // 获取 "templight" 项的数据
    int value = items["templight"]["value"];
    if (value == 1)
    {
      temp1 = 1;
      digitalWrite(5,LOW);
        // 启动设备
    } else{
      temp1 = 0;
      digitalWrite(5,HIGH);
    }
}

阿里云部分

这里需要我们创建一个阿里云，物联网平台的账号，创建我们的产品，设备，配置好云产品转流。

Android部分

消息解析显示

            public void handleMessage(Message msg) {
                super.handleMessage(msg);
                switch (msg.what) {
                    case 1: //开机校验更新回传
                        break;
                    case 2:  // 反馈回传
                        break;
                    case 3:  //MQTT 收到消息回传   UTF8Buffer msg=new UTF8Buffer(object.toString());
                        String message = msg.obj.toString();
                        Log.d("nicecode", "handleMessage: "+ message);
                        try {
                            JSONObject jsonObjectALL = null;
                            jsonObjectALL = new JSONObject(message);
                            JSONObject items = jsonObjectALL.getJSONObject("items");
​
                            JSONObject obj_temp = items.getJSONObject("EnvironmentTemperature");
                            JSONObject obj_humi = items.getJSONObject("EnvironmentHumidity");
                            JSONObject obj_light = items.getJSONObject("mlux");
                            JSONObject obj_templight = items.getJSONObject("templight");
                            temp = obj_temp.getInt("value");
                            humi = obj_humi.getInt("value");
                            light = obj_light.getInt("value");
​
                            Temp.setText(temp + "");
                            Humi.setText(humi + "");
                            Light.setText(light + "");
                            Log.d("nicecode", "temp: "+ temp);
                            Log.d("nicecode", "humi: "+ humi);
                            Log.d("nicecode", "light: "+ light);
                        } catch (JSONException e) {
                            e.printStackTrace();
                            break;
                        }
                    case 30:  //连接失败
//                        Toast.makeText(MainActivity.this, "连接失败", Toast.LENGTH_SHORT).show();
                        connect.setText("服务器连接失败");
                        break;
                    case 31:   //连接成功
//                        Toast.makeText(MainActivity.this, "连接成功", Toast.LENGTH_SHORT).show();
                        connect.setText("服务器连接成功");
                        try {
                            client.subscribe(sub_topic, 1);
                        } catch (MqttException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        break;
                    default:
                        break;
                }
            }
        };
    }

MQTT初始化

private void mqtt_init() {
    try {
​
        String clientId = "k1pkwhcnphr.Android";
        Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(16);
        params.put("productKey", productKey);
        params.put("deviceName", deviceName);
        params.put("clientId", clientId);
        String timestamp = String.valueOf(System.currentTimeMillis());
        params.put("timestamp", timestamp);
        // cn-shanghai
        String host_url ="tcp://"+ productKey + ".iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com:1883";
        String client_id = clientId + "|securemode=2,signmethod=hmacsha1,timestamp=" + timestamp + "|";
        String user_name = deviceName + "&" + productKey;
        String password = com.example.iotandroid.AliyunIoTSignUtil.sign(params, deviceSecret, "hmacsha1");
​
        //host为主机名，test为clientid即连接MQTT的客户端ID，一般以客户端唯一标识符表示，MemoryPersistence设置clientid的保存形式，默认为以内存保存
        System.out.println(">>>" + host_url);
        System.out.println(">>>" + client_id);
​
        //connectMqtt(targetServer, mqttclientId, mqttUsername, mqttPassword);
​
        client = new MqttClient(host_url, client_id, new MemoryPersistence());
        //MQTT的连接设置
        options = new MqttConnectOptions();
        //设置是否清空session,这里如果设置为false表示服务器会保留客户端的连接记录，这里设置为true表示每次连接到服务器都以新的身份连接
        options.setCleanSession(false);
        //设置连接的用户名
        options.setUserName(user_name);
        //设置连接的密码
        options.setPassword(password.toCharArray());
        // 设置超时时间 单位为秒
        options.setConnectionTimeout(10);
        // 设置会话心跳时间 单位为秒 服务器会每隔1.5*20秒的时间向客户端发送个消息判断客户端是否在线，但这个方法并没有重连的机制
        options.setKeepAliveInterval(60);
        //设置回调
        client.setCallback(new MqttCallback() {
            @Override
            public void connectionLost(Throwable cause) {
                //连接丢失后，一般在这里面进行重连
                System.out.println("connectionLost----------");
            }
​
            @Override
            public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {
                //publish后会执行到这里
                System.out.println("deliveryComplete---------" + token.isComplete());
            }
​
            @Override
            public void messageArrived(String topicName, MqttMessage message)
                    throws Exception {
                //subscribe后得到的消息会执行到这里面
                System.out.println("messageArrived----------");
                Message msg = new Message();
                //封装message包
                msg.what = 3;   //收到消息标志位
                msg.obj =message.toString();
                //发送messge到handler
                handler.sendMessage(msg);    // hander 回传
            }
        });
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

显示界面

效果展示

手机端展示

实物效果展示

总结与收获

感谢M-Design设计竞赛提供的活动资金，可以为自己设计资源提供了很大帮助，也通过这次的活动也了解到自己从硬件设计到软件开发，最后到实现也有所进展。后面可以改进的地方有很多，如温度传感器不能距离MCU太近，在连接网络MCU发热严重会影响采集的温度效果，适当也可以加算法，对我们的温湿度光照进行滤波处理，让我们的采集到的数据更加准确，可以优化一下UI，将arduino代码从裸机移植到操作系统当中。