基于ESP8266與OneNet的電子工藝實習套件的設計

馮 偉, 肖永松, 王 琳, 彭 力

(江南大學 物聯網工程學院， 江蘇 無錫 214122)

0 引 言

培養具有創新意識、實踐能力和具有工程素養的復合型人才，對于提高國家的科技競爭力和制造業的水平，以及學生的就業和入職工作的適應能力，都具有重要的意義[1]。電子工藝實習作為學生接觸電子電路及培養創新思維的啟蒙課程，在提升學生工程實踐能力、培養良好的科學素質和創新意識方面所起的作用不容忽視[2]。

傳統電子工藝實習課程注重對單純的電子套件進行焊接，這類套件可以使學生認識電子元器件、鍛煉學生的焊接能力，但也具有不可忽視的缺點：只側重鍛煉學生的焊接能力，不具備編程功能、無法擴展，課程結束后無法繼續使用，不具備創新價值[3-5]；開設這門課程的學生處于低年級，很多專業課程還沒有開設，學生被動接受知識，沒有自主性，不利于培養創新思維。

針對上述缺點，有些高校也在對電子工藝實習套件進行探索和改革，最常見的就是基于89C51單片機的電子工藝實習套件。這類套件已經具有了簡單的編程能力和擴展性，但89C51本身性能有限、不具備聯網功能，限制了套件的擴展性；編程語言限定C語言，專業性和年級性限制了套件的推廣。為了滿足培養學生動手能力、創新意識的要求，設計了一種電子工藝實習套件，它的硬件基于ESP8266，軟件基于Arduino，它還具有WiFi聯網功能，云平臺則基于中移物聯網的OneNet物聯網公共平臺[6-8]。

1 系統整體設計

電子工藝實習套件整體系統如圖1所示，分為硬件、云平臺、客戶端。

圖1 系統框圖

硬件采用電子積木的連接方式，分為核心底板、傳感器、交互、控制和創意等擴展板。核心底板的處理器模塊為基于ESP8266的可編程WiFi模塊，具有可編程能力和WiFi聯網功能，有很好的擴展性。傳感器擴展板可焊接常用的傳感器。交互擴展板集成了4位1體共陰極數碼管和4個獨立按鍵，可以實現簡單的人機交互。控制擴展板集成了繼電器控制電路，可通過云平臺實現簡單的遠程控制。創意擴展板為具有與核心底板接口的標準2.54 mm孔距的空白通用板，學生可以根據自己的思路自主發揮創意。核心底板和傳感器、交互、控制、創意等擴展板之間采用2排8腳的長腳排母連接，可以實現上下層疊的電子積木式連接，學生也可以自主設計擴展PCB，并不局限于現有的板卡和連接方式。各板上體積較小的貼片器件預先使用貼片機焊接，較大的貼片器件和插接件留空不焊接，留作上課時給學生焊接，以鍛煉學生的焊接能力。

云平臺采用中開放物聯網云平臺OneNET。客戶端則分為Web和APP，通過瀏覽器、手機可以查看硬件上傳到云平臺的數據，也可以控制硬件。

課程內容設置方面保留了電子元器件的識別、測量儀器的使用、電路繪制軟件的使用等傳統電子工藝實習課程的內容，動手實踐部分則圍繞此套件展開，除了焊接之外，基于現成的傳感器、交互和控制等擴展版采用固定題目的項目式教學，課程考核則基于創意擴展板或學生自主設計的擴展板進行創新設計。

2 核心底板的設計

核心底板集成了ESP8266 12N最小系統模塊與程序燒寫、通信模塊。ESP8266 12N模塊的最小系統如圖2所示。

圖2 核心底板最小系統

ESP8266 12N繼承了ESP8266EX芯片，具有完整且自成體系的WiFi網絡功能，具有GPIO、UART、ADC、SPI、IIC等完整外設，還集成了天線開關、射頻、功放、低噪放大器、濾波器及電源管理模塊，使用時僅需要少量的外部器件即可，非常適合物聯網應用[9-10]。ESP8266EX芯片可以運行Lua、Arduino、MicroPython等語言，開發方便，無需專用仿真器，通過芯片的UART即可下載程序。UART通信及程序燒寫電路如圖3所示。

圖3中P1為Micro USB接口，可以作為核心底板的供電、UART通信、程序燒寫接口。ME6211為低壓差LDO芯片，提供ESP8266需要的3.3V直流電源，因為是低壓差芯片，故核心底板也支持鋰電池供電。CH340C芯片為一款USB轉串口芯片，用于UART通信和燒寫程序，它片內集成了晶振，可有效減小電路板面積。Q1、Q2為2個NPN三極管，它們與CH340C可以實現代碼的一鍵下載，即無需硬件做任何操作，只需要燒寫軟件點擊一次下載就可以完成ESP8266的復位及代碼燒寫。

核心底板通過2組8腳的2.54 mm長腳排母將D0-D8、電源、UART的端口引出與其它擴展板通信。

3 傳感器擴展板的設計

傳感器擴展板預設了幾個比較常用的傳感器，用于課程進行過程中實施項目化教學。考慮到電子工藝實習課程的特點，器件特意選用了插接件的封裝方式，便于學生動手焊接，以鍛煉實際動手能力。傳感器擴展板的電路如圖4所示。

圖3 UART通信、程序燒寫電路

圖4 傳感器擴展板電路

P4接口為DHT11溫濕度傳感器和DS18B20溫度傳感器的一體化接口，這兩種傳感器都是單總線協議的傳感器，故將它們設計于一個接口之上，根據課程實施需要選擇即可。P5為IIC接口的高精度溫濕度傳感器SHT20。R15為3950型號的NTC熱敏電阻，通過A/DC獲取分壓值即可換算得到溫度值。上述傳感器的選擇盡量考慮了焊接的可實施性及外設接口的多樣化，可通過項目化教學鍛煉學生的動手能力、編程能力，開拓學生視野[11]。

4 控制擴展板的設計

控制擴展板主要是繼電器控制電路，可以實現簡單的遠程控制，以滿足教學及學生創意需要。電路圖如圖5所示，Q1為三極管，用于增強I/O口的驅動能力，二極管D1做續流二極管，用于保護繼電器。

圖5 控制擴展板電路

5 交互擴展板的設計

交互擴展板集成了4位1體共陰極數碼管及4個按鍵，可以實現簡單的人機交互。電路圖如圖6所示。

圖6 交互擴展板電路

U4為IIC接口的鍵盤數碼管驅動芯片TM1650，它最多可以驅動4位8段數碼管及28個按鍵。TM1650與核心底板間的通信只占用2個I/O口，封裝為SOP16小體積封裝，具有良好的擴展性。

6 軟件設計

套件有2部分涉及軟件設計：硬件、云平臺。

硬件部分為核心底板需要編程來實現功能。核心底板的ESP8266 12N模塊支持Lua、Arduino、MicroPython語言，考慮到電子工藝實習課程的對象為低年級本科生，故采用了相對簡單的Arduino語言。套件的開發環境為Arduino 1.8.0版本，從Arduino官方網站下載安裝并安裝Java插件即可使用，外設函數可以直接使用Arduino庫，可以迅速掌握編程方法。硬件與云平臺的通信采用http協議，代碼中上傳傳感器值的代碼需要發送以下字符串：

POST /devices/4656380/datapoints?type=3 HTTP/1.1

Host: 183.230.40.33:80

api-key: JM1EG2H05b4tfmrnZq8mlty5jdM=

Cache-Control: no-cache

{

"tempvalue" : "24",

"humvalue" : "45"}

}

字符串符合http協議POST請求方法的協議規范，其中第1行的“devices”“datapoints”為OneNET平臺要求的協議內容，分別代表類型為設備、數據內容為JSON格式。“4656380”為在OneNET平臺添加設備時分配的設備ID。第2行“Host”為OneNET平臺的服務器IP地址和端口號。第3行“api-key”為OneNET平臺分配的用戶密鑰，每個用戶的api-key都是唯一的。第6、7行的“tempvalue”“humvalue”為用戶添加傳感器時設置的傳感器名稱，也稱為數據流，“24”“45”為傳感器采集的值。

云平臺使用開放物聯網云平臺OneNET，它支持多種網絡協議，能夠輕松的實現設備接入、設備管理。OneNET的Web界面編程采用控件拖拽式編程，耗費極短的時間即可實現比較理想的效果；APP直接下載登錄即可在移動設備端界面查看、管理接入的設備[12-13]。設計界面時只要將選用的控件與需要顯示的數據流綁定即可，Web界面示例如圖7所示。

圖7 云平臺Web界面

7 結 語

基于ESP8266與OneNET的電子工藝實習套件解決了傳統電子工藝實習套件注重焊接而忽視創意的問題。它采用電子積木的連接方式，各板之間任意搭配疊加，具有較強的擴展性、創意性；它采用項目化課程設置，增加了編程內容，可以培養學生分析、解決問題的能力，增強對專業的興趣[14]；它還具有WiFi聯網功能，并接入了物聯網云平臺，使套件具有了智能化潛力，增強了創意性。

基于ESP8266與OneNET的電子工藝實習套件成本低廉，擴展性、創意性強，可適用于高校電子工藝實習課程、創新創業比賽、創客教育，甚至在中小學STEAM教育中也具有推廣價值[15]。