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相关资料/系统设计.md

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+# 智能家居监测系统
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+## 原始需求
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+硬件部分：ESP32 开发板、温湿度传感器 DHT22、光敏电阻、舵机、蜂鸣器、OLED 显示器、LED 灯、空气质量传感器
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+软件部分：使用微信小程序平台对智能卧室环境监测系统进行应用开发，构建用户交互界面（UI），提供与硬件通信的 API，ESP32 设备端通过 WiFi 连接到云平台，手机端 APP 直接与云平台通信，查询设备状态和发送指令，实现远程监控和智能联动。
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+功能设计：
+当用户回家，连接上家里 WiFi 后，系统触发“到家状态”；当监测不到用户连接到 WiFi 时，暂停当前模式的继续运行，进入“待机状态”。
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+ESP32 在传感器数据发生 ​​ 变化时 ​​ 或 ​​ 达到阈值时 ​​ 主动上报数据到云平台，获取当前环境监测数据，执行对应的模式。当该系统正在运行的模式与当前监测环境相符时，不会中断模式继续运行，直到接收到下一信号。
+每次手机端 APP 发送指令后，APP 应等待 ESP32 通过云平台返回的“执行成功”确认消息，再更新 UI 状态，避免误操作。
+
+到家状态：激活“到家状态”会进行 5000ms 的入户等待时间，然后在进行模式判断。
+待机状态：每经过 500ms 会监测用户是否通过手机控制端进行远程操控。
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+1. 起床模式：用户可以在移动控制端设置起床时间，舵机会在用户预设时间的前 3 分钟打开窗帘，到了起床时间蜂鸣器会发出声音提醒用户起床。初始值设置在早上 8 点。
+2. 白天模式：在早上六点到晚上六点之间，光敏电阻获取当前光照强度判断是否关闭窗帘和是否打开 LED 灯。用户可以在手机控制端进行时间设置。
+3. 夜间模式：在晚上六点到早上六点之间，舵机控制窗帘关闭，并且打开 LED 灯进行照明。用户可以在手机控制端进行时间设置。
+4. 降温模式：用户可以设置预期的开启降温模式的温度，通过温湿度传感器获取当前环境温度，读取到的当前温度与用户设定的目标温度进行比较，当温度不在预期范围内，自动打开风扇进行降温。如果当前温度高于 ​​ 目标温度，ESP32 会发送开启降温指令给风扇，风扇开启吹风模式进行物理降温。
+5. 高温提醒模式：当温湿度传感器监测到室内温度高于 35°C 时，手机端 APP 弹出室内高温警告，并且蜂鸣器发出提示音。
+6. 显示屏常亮模式：当在“回家状态”时打开显示屏，在“待机模式”时关闭显示屏。屏幕里实时显示温度、湿度、空气质量和当地时间。触发某种模式的时候，屏幕出现三秒钟模式名称。
+7. 自动通风控制模式模块：空气质量检测 CO2>1000ppm 时，ESP32 上报事件，触发自动通风控制模式，打开风扇转动进行空气流通，蜂鸣器发出轻微提示音，小程序发送通知告诉用户卧室需要通风。
+
+手机控制端：实时显示卧室参数，如温度、湿度、光照强度、空气质量等，用户可以对不同的模式进行私人设置。手机端 APP 小程序可以远程操控窗帘开关、灯光开关和亮度百分比（小程序用滑块）、风扇开关、蜂鸣器闹钟开关和可设置蜂鸣器闹钟时间。功能模块的都有开关按钮和可以设置时间。
+物理端：需要按钮对硬件控制器进行物理开关。
+OLED 显示器：屏幕里实时显示温度、湿度和当地时间。触发某种模式的时候，屏幕出现三秒钟模式名称。
+
+网络断开时，ESP32 应能依靠本地传感器继续执行部分核心自动化，按钮开关。
+每种模式都互不冲突。
+判断窗帘当前状态：每次舵机运行前进行读取控制角度判断窗帘开关状态。
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+## 硬件需求
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+| 组件名称                     | 数量 | ESP32 连接引脚                         | 通信协议/类型 | 电源需求 | 备注                         |
+| ---------------------------- | ---- | -------------------------------------- | ------------- | -------- | ---------------------------- |
+| **ESP32 开发板**             | 1    | -                                      | -             | 5V/1A    | 主控制器                     |
+| **DHT22 温湿度传感器**       | 1    | **GPIO 4**                             | 单总线        | 3.3V     | 需 4.7KΩ 上拉电阻            |
+| **光敏电阻**                 | 1    | **GPIO 34**                            | ADC 输入      | 3.3V     | ADC1_CH6，配合 10KΩ 分压电阻 |
+| **舵机（窗帘控制）**         | 1    | **GPIO 13**                            | PWM           | 5V       | 频率 50Hz，需外部供电        |
+| **蜂鸣器（有源）**           | 1    | **GPIO 12**                            | 数字输出      | 3.3V     | 高电平触发                   |
+| **OLED 显示屏**              | 1    | **GPIO 21 (SDA)**<br>**GPIO 22 (SCL)** | I2C           | 3.3V     | 地址 0x3C，SSD1306           |
+| **LED 灯（PWM 调光）**       | 1    | **GPIO 14**                            | PWM           | 3.3V     | 频率 1000Hz，串联 220Ω 电阻  |
+| **空气质量传感器（MQ-135）** | 1    | **GPIO 32**                            | ADC 输入      | 5V       | ADC1_CH4，需加热电压         |
+| **物理按钮 1（窗帘控制）**   | 1    | **GPIO 25**                            | 数字输入      | 3.3V     | 内部上拉，按下接地           |
+| **物理按钮 2（灯光控制）**   | 1    | **GPIO 26**                            | 数字输入      | 3.3V     | 内部上拉，按下接地           |
+| **物理按钮 3（风扇控制）**   | 1    | **GPIO 27**                            | 数字输入      | 3.3V     | 内部上拉，按下接地           |
+
+- 测量时 I2C 频率在 10K~400KHz 之间，不宜过高，且采集数据周期应大于 1 秒/1 次
+- 1，要接外部 32.768khz 晶振，否则系统不会进入 stop 状态，省电效果不大
+- 2，在 config 中，要把 freertos 的时基调整到 1000，开启 rtos， 还要开启 32.768khz
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+## 软件架构设计
+
+### 整体架构
+
+┌─────────────────────┐
+│ 第一层：微信小程序 │
+│ （用户交互层） │
+│ 功能：控制/展示 │
+└──────────┬──────────┘
+│ MQTT/HTTP
+┌──────────▼──────────┐
+│ 第二层：物联网云平台 │
+│ （核心中转层） │
+│ 功能：转发/存储 │
+└──────────┬──────────┘
+│ MQTT
+┌──────────▼──────────┐
+│ 第三层：ESP32 设备 │
+│ （感知执行层） │
+│ 功能：采集/执行 │
+└─────────────────────┘
+
+### 通信协议设计
+
+1. MQTT 主题设计
+
+home/bedroom/state # 设备状态上报
+home/bedroom/command # 设备指令下发
+home/bedroom/sensor # 传感器数据
+home/bedroom/response # 执行响应
+
+2. JSON 消息格式
+
+```json
+// 传感器数据上报
+{
+  "device_id": "bedroom_001",
+  "timestamp": 1640995200,
+  "temperature": 25.5,
+  "humidity": 60,
+  "light": 300,
+  "air_quality": 800,
+  "curtain_position": 90
+}
+
+// 指令下发
+{
+  "cmd_id": "CMD_001",
+  "command": "set_mode",
+  "mode": "daytime",
+  "params": {
+    "curtain_auto": true,
+    "light_threshold": 200
+  }
+}
+```
+
+## ESP32 固件设计
+
+1. 程序结构
+
+   1. WiFi 管理模块
+   2. MQTT 通信模块
+   3. 传感器读取模块
+   4. 执行器控制模块
+   5. 状态机管理模块
+   6. OLED 显示模块
+   7. 本地存储模块
+
+2. 核心状态机设计
+
+```C
+enum SystemState {
+  STATE_HOME,      // 到家状态
+  STATE_STANDBY,   // 待机状态
+  STATE_MORNING,   // 起床模式
+  STATE_DAYTIME,   // 白天模式
+  STATE_NIGHT,     // 夜间模式
+  STATE_COOLING,   // 降温模式
+  STATE_VENT       // 通风模式
+};
+
+enum DeviceState {
+  CURTAIN_OPEN,
+  CURTAIN_CLOSED,
+  LIGHT_ON,
+  LIGHT_OFF,
+  FAN_ON,
+  FAN_OFF
+};
+```
+
+## 微信小程序设计
+
+### 界面布局
+
+首页（仪表盘）：
+├── 顶部：房间名称、网络状态
+├── 中部：环境数据卡片（温度、湿度、光照、空气质量）
+├── 底部：模式切换卡片
+└── 浮动按钮：设备控制面板
+
+控制面板：
+├── 窗帘控制：开关、百分比滑块
+├── 灯光控制：开关、亮度滑块、色温选择
+├── 风扇控制：开关、风速档位
+├── 蜂鸣器：开关、闹钟设置
+└── 模式设置：各模式的参数配置
+
+设置页面：
+├── WiFi 配置
+├── 设备管理
+├── 时间设置
+└── 阈值配置
+
+## 配网
+
+1. ESP32 上电 → 自动开启【WiFi 热点】(名称如：卧室智能设备\_配网)
+2. 手机/电脑 连接这个 WiFi 热点（无密码）
+3. 打开手机/电脑浏览器 → 输入地址：192.168.4.1 → 弹出配置网页
+4. 网页填写：WiFi 名称、WiFi 密码、MQTT 服务器地址、MQTT 端口
+5. 点击【保存配置】，配置自动写入 ESP32 闪存，永久保存
+6. ESP32 自动重启 → 读取配置 → 自动连接家里的 WiFi → 自动接入填写的 MQTT 服务器
+7. 完成！后续上电全自动化运行，想换参数/服务器，重复 1-5 步即可
+
+- 大概界面
+  ┌────────────────────────────────────────┐
+  │ ESP32 智能卧室 配置页面 │
+  │ （无需登录，连接热点即可访问 192.168.4.1）│
+  ├────────────────────────────────────────┤
+  │ WiFi 配置： │
+  │ WiFi 名称(SSID) ：□**\*\*\*\***\_\_\_\_**\*\*\*\*** │
+  │ WiFi 密码(PWD) ：□**\*\*\*\***\_\_\_\_**\*\*\*\*** │
+  ├────────────────────────────────────────┤
+  │ MQTT 服务器配置：(自由填写任意服务器) │
+  │ 服务器地址 ：□**\*\*\*\***\_\_\_\_**\*\*\*\*** │
+  │ 服务器端口 ：□ 1883 │
+  │ 用户名 ：□**\*\*\*\***\_\_\_\_**\*\*\*\*** │
+  │ 密码 ：□**\*\*\*\***\_\_\_\_**\*\*\*\*** │
+  ├────────────────────────────────────────┤
+  │ [保存配置] [重启设备] │
+  └────────────────────────────────────────┘