智能家居监测系统

原始需求

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

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。

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”。

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。

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

硬件需求

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) 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

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

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

JSON 消息格式

// 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

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
核心状态机设计

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

ESP32 上电 → 自动开启【WiFi 热点】(名称如：卧室智能设备_配网)
手机/电脑连接这个 WiFi 热点（无密码）
打开手机/电脑浏览器 → 输入地址：192.168.4.1 → 弹出配置网页
网页填写：WiFi 名称、WiFi 密码、MQTT 服务器地址、MQTT 端口
点击【保存配置】，配置自动写入 ESP32 闪存，永久保存
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
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] │ └────────────────────────────────────────┘

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