基于阿里云生活物聯網平臺的智能臺燈設計

張艷萍

（海南省技師學院，海南海口，571100）

0 引言

隨著科技的發展，物聯網技術也快速滲入到日常生活的方方面面，臺燈是人們居家生活常見的一個簡單家電，本次設計就是將物聯網技術應用于日常家用的臺燈，使其更加方便和智能。

1 系統總體方案

■1.1 功能介紹

本次設計的智能臺燈功能簡單，旨在通過阿里云生活物聯網平臺讓臺燈實現遠程控制，是一個小的物聯網系統的構建，具體功能如下：

（1）傳統的手動開關控制，通過一個按鈕開關來控制臺燈的亮和滅。

（2）遠程開關控制，利用智能手機通過云智能APP 控制界面實現對臺燈的遠程狀態監控和遠程開關控制，可實現進屋前開燈，從而避免摸黑開燈，同時通過APP 可看到燈狀態并對其遠程開關控制，從而避免長明燈造成的資源浪費。

（3）在臺燈底座上的液晶顯示屏可顯示年月日、星期、時間及環境溫度，滿足人們對于這些常用信息的方便獲得的需求，且年月日、星期和時間可調。

系統構成框圖如圖1所示。

圖1 系統構成圖

■1.2 工作原理

該智能臺燈設計以單片機模塊為主控模塊，實時從時鐘模塊DS3231 讀取年月日及時間信息，從溫度傳感器DS18B20 讀取溫度數據，并將這些信息依次顯示在液晶顯示屏上，同時對按鍵開關狀態進行掃描，當掃描到按鍵開關有動作時，輸出信號控制LED 燈狀態取反。同時，單片機會實時將LED 燈的狀態和從溫度傳感器采集的溫度信息通過串口發送給WiFi 模塊，WiFi 模塊再將信息通過WiFi 發送出去，經過阿里云及其他網絡傳送，智能手機通過云智能APP 搜索連接WiFi 模塊所對應的設備，即可在手機界面顯示LED 燈的狀態及溫度信息。同時，當通過點擊手機界面的LED 燈開關，智能手機將信號發出，通過網絡、阿里云、WiFi，由WiFi 模塊接收，WiFi 模塊再將信號通過串口傳遞給單片機，單片機接收識別后，發出信號控制LED 燈的亮滅。

2 硬件設計

■2.1 硬件選擇

(1)主控模塊：選用51 單片機最小系統開發板，IO口引出，P0口上拉電阻，符合本次設計需求，單片機選用STC12C5A60S2（5V 單片機）。

(2)通訊模塊：選用Nodemcu 開發板，該開發板配備樂鑫ESP8266 WiFi 模組，3.3V 供電，自帶CH340，支持C 語言開發，且該模塊是阿里云生活物聯網平臺認證模組，可以直接連接云端，符合本次設計需求。

(3)電源模塊：根據整個系統所有的模塊的供電需求，選用了兩塊電源轉換模塊，分別是AC-DC 12V/1A 和DC(12V)-DC(3.3V、5V)，兩塊連接使用，用于給單片機、WiFi 模塊、時鐘模塊、液晶顯示屏、LED 燈等提供穩定的3.3V、5V、12V 直流電源。

(4)按鍵模塊：選用普通輕觸按鍵開關。

(5)顯示模塊：選用LCD12864 液晶屏，帶中文字庫，5V 直流供電，具有4位/8位并行、2 線或3 線串行多種接口方式。可顯示8X4 行（32個）漢字。本設計中將模塊設置為8位并行接口方式。

(6)時鐘模塊：選用DS3231時鐘模塊，其在-40 ℃~+85 ℃溫度范圍內，計時精度保持在±5ppm，自帶為連續計時提供的電池備份，低功耗，時鐘日歷功能包括秒、分、時、星期、日、月和年計時，+2.3V~+5.5V 電源電壓。根據本設計需求，采用5V 供電，主要實現對該時鐘模塊進行日歷時間信息的設置和獲取。

(7)溫度傳感器：由于DS3231 時鐘模塊中自帶的數字溫度傳感器精度為±3℃，不太適合用于家庭及辦公環境溫度的檢測，所以選擇了更常用的數字溫度傳感器DS18B20，其精度高，且具有體積小，抗干擾能力強的特點，同時具有獨特的單線接口方式，在與單片機連接時僅需要一條口線即可實現單片機DS18B20的雙向通訊。

(8)LED 燈：選用普通LED 燈，12V 供電。

■2.2 硬件電路設計

該設計使用到的外圍設備不多，單片機I/O口相對充足，除了 外部中 斷0，K1 按鍵要接P3.2口，ES8266 模塊與單片機通過串口通訊需接P1.2 和P1.3口（也可使用P3.0 和P3.1口）外，其他外設如按鍵、DS3231 時鐘模塊、DS18B20 模塊及12864 液晶屏等可根據畫圖線路布局等需求分配I/O口，具體系統接線圖如圖2所示。

圖2 系統接線圖

3 軟件設計

■3.1 阿里云生活物聯網平臺產品設計

阿里云生活物聯網平臺是一款針對智能生活領域的物聯網云平臺。在阿里云的IaaS 和PaaS 層云產品的基礎上，搭建了一套完整的、更貼近智能家電領域的公有云平臺。它是一個提供可開發、易調試、更好運維及方便管理等功能的智能IoT 設備開發管理平臺，為開發者提供了設備接入能力、移動端的軟件工具開發包以及免開發的云智能App 和界面，更適用于消費級的智能設備開發者，開發門檻較低，可以快速實現消費級設備的智能化，如智能家電、穿戴、家裝領域等，與我們的設計需求符合。

具體操作是在阿里云生活物聯網平臺創建項目，新建產品，根據實際需要對產品進行設計，其中包括進行功能定義、人機交互設計（此處使用公版APP 控制產品，即使用阿里云生活物聯網平臺提供的免開發云智能APP 控制產品，APP 控制界面可根據自行需要進行設計）、設備調試和產品發布。此操作的目的是為我們的智能臺燈設計一個與之匹配的物聯網產品，并會得到與我們的智能臺燈匹配的設備證書（ 包 括ProductKey、DeviceName、DeviceSecret） 和ProductSecret，將設備證書和ProductSecret 燒錄到智能臺燈的WiFi 模塊后，WiFi 模塊便可通過聯網接入阿里云生活物聯網平臺，我們就可以通過智能手機上的云智能APP搜索到在阿里云生活物聯網平臺上創建的產品名稱相同的設備，添加設備后，即可通過在阿里云生活物聯網平臺上產品設計過程中設計的人機交互界面與WiFi 模塊進行通信，如可看到WiFi 模塊發送過來的LED的狀態及溫度信息等，也可通過點擊界面的LED 燈開關按鈕，將開或關燈的指令通過網絡發送給WiFi 模塊。

■3.2 云智能APP 下載、安裝、使用

云智能APP 是阿里云生活物聯網平臺提供的一款免開發智能家居控制軟件，與我們在阿里云生活物聯網平臺上創建的產品配合使用，通過云智能APP，可以便捷地添加我們設計的臺燈，實現對臺燈的遠程控制，還可以共享設備，使所有家庭成員對臺燈實現控制。

■3.3 單片機控制程序設計思路及流程圖

3.3.1 DS3231 時間調整功能實現

時鐘的走時和調整狀態由外部中斷實現轉換，使用外部中斷0，由按下開關K1 實現中斷，硬件上開關K1 接在P3.2口，程序中設置一個走時/調整狀態標志位，每次按下開關K1，取反走時/調整狀態標志位，從而達到走時和調整兩種狀態的轉換。當需要調整時，按下K1，進入調整狀態，K2實現調整對象的選擇，即選擇調整年月日、星期、時分秒，K3 鍵實現加1 調整，調整后結果放入對應緩沖變量，調整結束后再按K1 鍵改變走時/調整狀態標志位進入走時狀態。

3.3.2 串口通訊部分功能實現

串口通訊部分程序主要包括數據接收部分和數據發送部分。其中數據接收部分采用定時器0 中斷，每100μs 判斷串口是否有數據接收，如果有數據在數據接收完畢后，將數據接收完畢標志位置1，用于云端下控部分程序，在該部分程序中，當數據接收完畢標志位為1 時，對接收數據進行識別，并控制燈的亮滅。

3.3.3 按鍵掃描（燈硬件開關K 掃描）

按鍵掃描部分是對按鍵K 狀態進行掃描，按鍵K 是臺燈硬件開關，該部分程序也使用定時器0 中斷，每100μs掃描一次，若按鍵按下，則控制燈改變狀態，并通過串口上傳燈狀態信息。

3.3.4 主程序功能思路

主程序中通過判斷走時/調整狀態標志位進入相應的程序，當為走時狀態時，則依次讀取時間信息、溫度信息并顯示在12864 液晶屏上，同時掃描按鍵K 控制燈的亮滅，并通過串口上傳燈的狀態和溫度信息。當為調整狀態時，進入調整程序，并將調整結果存入對應緩沖變量，然后再對走時/調整狀態標志位進行判斷，直至調整結束再次按下K1鍵改變走時/調整狀態標志位進入走時狀態，在調整狀態時，顯示屏走時停止，溫度值不變，串口不上發信息，對于串口接收信息也不處理等，直至進入走時狀態。

流程圖如圖3所示。

圖3

4 系統功能調試

■4.1 時鐘功能和12864 液晶屏顯示功能調試

該部分功能包括年月日時分秒信息讀取、溫度讀取、年月日時分秒及溫度顯示在液晶屏上，同時可通過按鍵調整年月日時分秒信息。

此部分功能測試時，使用的硬件分別是KST-51 開發板、DS3231 時鐘模塊、KST-51 開發板上的DS18B20、以及12864 液晶屏，KST-51 開發板上雖然不帶12864 液晶屏，但預留了12864 液晶屏擴展端口，使用較方便，從圖4 可見，液晶屏按設計要求正確顯示年月日、星期、時間及溫度信息，且年月日信息已調整至實際調試日期，可見該部分功能完整實現。

圖4

圖5

■4.2 通訊功能測試

該部分功能包括溫度讀取、按鍵對燈的控制、溫度信息和燈實時狀態信息上傳手機、手機對燈的控制等。

首先測試單片機上傳給WiFi 模塊的信息是否正確，這部分功能我們主要通過STC-ISP 燒錄軟件中的串口助手監測單片機通過串口上傳的信息，看當按下按鍵開關K和觸摸DS18B20 改變溫度時單片機通過串口上傳信息是否及時更新。如圖4所示，是對功能測試的部分數據截圖，從數據可見，當臺燈開關按鍵K 有動作時，上傳信息PowerSwitch_1的值從1 變化到0，當用手觸摸DS18B20 時，上傳的溫度信息，即ctemp的值有上升變化，說明單片機上傳給WiFi 模塊的信息會根據實際情況，實時更新。

其次測試WiFi 模塊能否正常發送信息，同時手機通過云智能APP 是否能接收并正確顯示信息。如圖6所示，在連接上WiFi 模塊，并且在WiFi 模塊聯網成功后，手機通過云智能APP 可以搜索到該設備并正確顯示信息，燈的狀態為打開，當前溫度為26℃，同時在此部分功能測試時，用開發板上的LED 燈代替設計中的臺燈測試功能，圖6 中可見LED 燈亮，與手機APP 界面顯示燈狀態一致。

圖6