基于MicroPython 和ESP32 的家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

李東明

（廣西科技職業(yè)學院，廣西 崇左 532200）

目前Python 編程語言是市場較受歡迎的編程語言之一，而MicroPython 是基于Python3 語法實現(xiàn)的一種可以在單片機上運行的Python 語言分支[1]，它擁有獨立的解析器、類庫、編譯器等完全可以實現(xiàn)對單片機底層的訪問與操作，可以輕松實現(xiàn)I2C 讀取數(shù)據(jù)，ADC、DAC 的轉(zhuǎn)換，SD 卡的訪問，對電機的控制等功能。MicroPython 支持的單片機類型有 STM32F4 系列、ESP32、W800、TI CC3200 等[2-3]，它的創(chuàng)始人是一位澳大利亞的程序員、物理學家Damien George。

眾多的通信協(xié)議和云計算數(shù)據(jù)的交換，在智能家居的開發(fā)中給開發(fā)者帶來了更高的門檻和不便[4]，這些問題運用MicroPython 編寫系統(tǒng)可以得到很好地解決。MicroPython 對大部分的通信協(xié)議做了封裝且使其具有良好的二次開發(fā)特性，還具有腳本語言易讀的性質(zhì)[5-9]。因此本設計采用ESP32 作為載體MicroPython 編寫邏輯與通信協(xié)議來實現(xiàn)一種家庭環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)。

1 總體設計

監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示，通信Wi-Fi 模塊集成在ESP32 單片機模塊中，遠程控制運用手機APP 實現(xiàn)，ESP32 模塊通過傳感器獲取室內(nèi)的環(huán)境信息并通過Wi-Fi 上傳到網(wǎng)絡從而傳送到使用者的手機，使用者可以通過手機APP 查看家里的煤氣是否泄漏、環(huán)境質(zhì)量情況和溫濕度等情況，系統(tǒng)會根據(jù)檢測到的環(huán)境值自動驅(qū)動相關設備工作，如有可燃氣體泄漏時會自動實現(xiàn)驅(qū)動外接設備，使用者可以在手機APP控制繼電器外接設備。可在OLED 屏幕顯示可燃氣體與空氣質(zhì)量情況。

圖1 家庭監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件選用及物聯(lián)網(wǎng)平臺的選用

2.1 ESP32 的選用

ESP32 采用兩個哈佛結(jié)構(gòu)Xtensa LX6 CPU 構(gòu)成雙核系統(tǒng)。它將天線開關、RF balun、功率放大器、接收低噪聲放大器、濾波器、電源管理模塊等功能集于一體。ESP32 只需極少的外圍器件，即可實現(xiàn)強大的處理性能、可靠的安全性能和Wi-Fi 及藍牙功能，工作溫度范圍達到-40°C 到+125°C。集成的自校準電路實現(xiàn)了動態(tài)電壓調(diào)整，可以消除外部電路的缺陷并適應外部條件的變化。獨立系統(tǒng)運行應用程序或主機MCU 的從設備，通過SPI/SDIO 或I2C/UART 接口提供Wi-Fi 和藍牙功能。如圖2 所示。此板供電為2.7-3.6V，12 個ADC，2 個 DAC，2 個 I2C。基本參數(shù)如表格 1 所示。

圖2 本設計使用的核心板正（左）反（右）圖

2.2 Blinker 物聯(lián)網(wǎng)平臺的選用

Blinker 物聯(lián)網(wǎng)平臺是由點燈科技（成都）有限責任公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)需求打造的輕量級平臺。適用多種現(xiàn)今市場上熱門智能硬件和多種開發(fā)板的快速接入。

可以在 Windows、Linux、MacOS 系統(tǒng)下開發(fā)設備，使用云服務器進行存儲以及傳輸。手機端提供了Blinker APP，模塊化拼圖的形式對APP 應用界面進行編輯，此功能符合物聯(lián)網(wǎng)設備開發(fā)的特性也為開發(fā)者提供了極大方便。提供了多種SDK 和開發(fā)文檔，簡潔明了的交互界面，升級更新方便等優(yōu)點[10]。

3 MicroPython 的移植

本設計使用的MicroPython 編程語言遵照MIT 許可，由MicroPython.org 組織編寫的支持ESP32 的MicroPython 固件為基礎進行開發(fā)。ESP32 單片機與傳統(tǒng)單片機開發(fā)有所不同，它與計算機的連接只需要運用USB 連接即可。將MicroPython 移植到ESP32 中，具體操作如下：

（1）在 Windows 的環(huán)境下，從 MicroPython 的官網(wǎng)獲取ESP32 的固件。

（2）運用uPyCraft 軟件將ESP32 的固件下載到ESP32 單片機中。

ESP32 的固件下載完成之后，下載由點燈物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的MicroPython 封裝庫實現(xiàn)與Blinker APP通信。

4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

軟件部分設計主要分為五個階段，溫濕度數(shù)據(jù)的采集和處理、可燃氣體的采集和處理、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集和處理、光照強度的采集和上傳處理、數(shù)據(jù)包的上傳。

溫濕度的采集和處理運用DHT11 溫濕度傳感器完成，在處理和采集的階段，在程序中需要調(diào)用固件中自帶的dht 封裝庫，然后在主程序中調(diào)用端口獲取data 數(shù)據(jù)，接下來進行讀取即可獲得溫度與濕度值。在程序中應綁定數(shù)據(jù)組件，將數(shù)據(jù)發(fā)送到Blinker APP，使用者即可在手機上看到溫濕度情況。

可燃氣體的采集和處理在本次設計中以液態(tài)丁烷作為測試對象，運用ESP32 單片機的ADC 口進行電壓數(shù)值的讀取。在程序中將可燃氣體泄漏情況分為三個階段：第一階段無泄漏狀態(tài)，在此情況下程序照常運行。第二階段輕度泄漏，在此情況下，通過程序驅(qū)動IO口從而控制繼電器工作，根據(jù)實際使用需要可使輸出設備揚聲器、警報工作。第三個階段嚴重泄漏，在此情況下，通過程序驅(qū)動IO 口從而控制繼電器工作。根據(jù)實際使用需要外接步進電機、揚聲器等設備。在程序運行后無論是否有可燃氣體泄漏都會在OLED 顯示屏和手機APP 上顯示監(jiān)測狀態(tài)。

運用ESP32 單片機的ADC 口進行電壓數(shù)值的讀取。空氣質(zhì)量值檢測分為四個階段：分別是空氣質(zhì)量優(yōu)、良、中、差。在程序運行后會在OLED 顯示屏和手機APP 上顯示監(jiān)測狀態(tài)。

光照強度值通過ESP32 單片機的I2C 進行數(shù)值的讀取，通過獲取到的數(shù)值程序自動判斷是白天或夜晚，根據(jù)實際使用需要可外接步進電機。

隨后每一分鐘將數(shù)據(jù)寫進心跳包傳輸給Blinker APP，在選擇服務器時選用了阿里云，此平臺提供的云服務器、云平臺、云計算，為海量數(shù)據(jù)計算提供了很好的解決方案。系統(tǒng)軟件流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

5 運行測試結(jié)果

根據(jù)需求列寫清單，購買所需要元器件，測試各元器件本身是否良好，將MicroPython 固件下載到ESP32之中，然后進行調(diào)試。所制作的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)物理樣機如圖4 所示。

圖4 家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)物理樣機

調(diào)試方式如下：通過Blinker APP 界面查看實時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸是否正常，數(shù)據(jù)是否有變化通過將系統(tǒng)斷電之后重啟進行測試，控制指令的測試通過APP界面的按鈕操縱來完成，通過人為干擾的形式來查看溫室度傳感器、繼電器、可燃氣體傳感器等設備是否正常。

圖5 是本次設計正常使用的情況下手機界面，界面分為兩列，從左往右看，第一列第一個模塊是光照度，第二個模塊是溫度，第三個模塊是濕度。第二列第一個模塊是可燃氣體檢測，第二個模塊是空氣質(zhì)量值。其余的兩個按鈕分別可手動控制兩個繼電器。調(diào)試信息位于最下方，可以手動刷新數(shù)據(jù)。

圖5 監(jiān)測手機界面

6 結(jié)束語

本次設計將MicroPython 編程語言與ESP32 單片機應用在家庭環(huán)境監(jiān)測中，系統(tǒng)采用Wi-Fi 方式搭建傳輸網(wǎng)絡，使用手機APP 獲取所采集到的家庭環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠監(jiān)測判斷家庭的可燃氣體、空氣質(zhì)量、溫濕度等情況，可在手機APP 控制相應設備，在較大程度上保障了家庭人員的安全和創(chuàng)建良好的環(huán)境，另外系統(tǒng)所使用的設備成本低、工作可靠、開發(fā)簡單周期短，可以遠程操控，使用簡單方便，并有許多IO 口提供開發(fā)升級拓展使用。