wangbeihong/iot-bedroom-environment-controller
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iot-bedroom-environment-con…/README.md
Wang Beihong a0febb1e5b feat: 智能家居控制系统 v1.0 初始版本 
- 环境监测：温湿度/光照/空气质量传感器采集
- 智能控制：时间段/降温/通风三种自动模式
- 闹钟系统：3个闹钟+温和唤醒功能
- 远程控制：MQTT双向通信
- 本地显示：LVGL图形界面
- 双MCU架构，FreeRTOS 10任务并行
- 完整的1250行README文档
2026-02-07 23:04:28 +08:00

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# IoT-Home 智能家居控制系统
[![ESP-IDF](https://img.shields.io/badge/ESP--IDF-5.5.2-blue.svg)](https://github.com/espressif/esp-idf)
[![ESP32-C3](https://img.shields.io/badge/Chip-ESP32--C3-green.svg)](https://www.espressif.com/zh-hans/products/socs/esp32-c3)
[![License](https://img.shields.io/badge/license-MIT-blue.svg)](LICENSE)
[![Version](https://img.shields.io/badge/version-1.0-orange.svg)](VERSION)
一个基于 ESP32-C3 的完整智能家居控制系统，集成了环境传感器采集、智能自动控制、远程MQTT通信、本地可视化显示等功能。
---
## 目录
- [项目简介](#项目简介)
- [硬件清单](#硬件清单)
- [系统架构](#系统架构)
- [功能特性](#功能特性)
- [快速开始](#快速开始)
- [配置说明](#配置说明)
- [API文档](#api文档)
- [故障排查](#故障排查)
- [技术栈](#技术栈)
---
## 项目简介
### 基本信息
- **项目名称**: IoT-Home 智能家居控制系统
- **目标芯片**: ESP32-C3 (RISC-V 单核 160MHz)
- **开发框架**: ESP-IDF 5.5.2
- **项目类型**: 智能家居控制系统
- **作者**: beihong.wang
- **版本**: 1.0
- **创建日期**: 2026-01-19
### 功能概述
本项目是一个功能完善的智能家居控制系统，主要特性包括：
1. **环境监测**: 集成温湿度、光照强度、空气质量三种传感器
2. **智能控制**: 根据时间段和环境数据自动控制窗帘、照明、风扇
3. **闹钟系统**: 支持多闹钟，具备温和唤醒功能（提前开窗帘）
4. **远程控制**: 基于MQTT协议的云端双向通信
5. **本地显示**: LVGL图形界面，实时显示环境数据
6. **双MCU架构**: ESP32主控 + 副MCU扩展控制能力
7. **持久化配置**: NVS存储所有配置参数
---
## 硬件清单
### 主控芯片
| 参数 | 说明 |
|------|------|
| 芯片型号 | ESP32-C3 |
| 架构 | RISC-V 32位 |
| 运行频率 | 160 MHz |
| Flash | 4 MB |
| SRAM | 400 KB |
| 无线模块 | Wi-Fi 2.4GHz + BLE 5.0 |
### 传感器模块
| 传感器型号 | 功能 | 接口 | GPIO | 说明 |
|-----------|------|------|------|------|
| **AHT30** | 温湿度传感器 | I2C | SCL=5, SDA=4 | 温度-40~85°C，湿度0~100% |
| **BH1750** | 光照强度传感器 | I2C | SCL=5, SDA=4 | 测量范围1~65535 lux |
| **MQ135** | 空气质量传感器 | ADC | ADC1_CH0 (GPIO34) | 有害气体浓度检测 |
### 执行器件
| 设备 | 功能 | 接口 | GPIO | 控制方式 |
|------|------|------|------|---------|
| **SG90舵机** | 窗帘开合控制 | PWM | GPIO10 | 30°=关, 195°=开 |
| **LED灯** | 照明控制 | 串口 | UART1_TX | 亮度0-100% |
| **风扇** | 通风降温 | GPIO | GPIO1 | 高低电平控制 |
| **蜂鸣器** | 声音提示 | 串口 | UART1_TX | 开关控制 |
| **LCD屏幕** | 本地显示 | SPI | GPIO2,3,6,7,8,9 | ST7735S 160x80 |
### 通信接口
| 接口 | 用途 | 配置 |
|------|------|------|
| Wi-Fi | 网络通信 | 2.4GHz, WPA2/WPA3 |
| UART1 | 副MCU通信 | 230400 baud, TX=GPIO21, RX=GPIO20 |
| I2C | 传感器总线 | 100kHz, SCL=GPIO5, SDA=GPIO4 |
| SPI2 | LCD显示 | 40MHz, SPI2_HOST |
---
## 系统架构
### 整体架构图
```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 应用层 │
├──────────────┬──────────────┬──────────────┬───────────────┤
│ 传感器采集 │ 自动控制 │ 设备控制 │ 通信上报 │
│ │ │ │ │
│ - AHT30 │ - 时间段控制 │ - 窗帘控制 │ - MQTT发布 │
│ - BH1750 │ - 降温模式 │ - LED控制 │ - MQTT订阅 │
│ - MQ135 │ - 通风模式 │ - 风扇控制 │ - 命令解析 │
│ │ │ - 蜂鸣器控制 │ │
├──────────────┴──────────────┴──────────────┴───────────────┤
│ FreeRTOS 任务层 (10个任务) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ESP-IDF 组件层 │
├──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────────┤
│ I2C驱动 │ SPI驱动 │ UART驱动 │ MQTT组件 │ NVS组件 │
├──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────────┤
│ 硬件抽象层 (HAL) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ESP32-C3 硬件层 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```
### 任务架构
系统使用 FreeRTOS 多任务架构，10个任务协同工作：
| 任务名称 | 优先级 | 栈大小 | 周期 | 功能描述 |
|---------|--------|--------|------|---------|
| `i2c0_ahtxx_task` | 5 | 4096 | 5秒 | AHT30温湿度采集 |
| `i2c0_bh1750_task` | 5 | 4096 | 5秒 | BH1750光照采集 |
| `mq135_task` | 5 | 4096 | 5秒 | MQ135空气质量采集 |
| `mqtt_publish_task` | 5 | 4096 | 3/50秒 | MQTT数据发布 |
| `peripheral_control_task` | 5 | 4096 | 100ms | 外设控制执行 |
| `alarm_clock_main_task` | 5 | 8192 | 1秒 | 闹钟时间检查 |
| `time_period_task` | 5 | 4096 | 10秒 | 时间段智能控制 |
| `cooling_mode_task` | 5 | 4096 | 5秒 | 降温模式监控 |
| `ventilation_mode_task` | 5 | 4096 | 5秒 | 通风模式监控 |
| `uart_rx_task` | 24 | 4096 | 事件驱动 | UART按键接收 |
### 同步机制
为防止数据竞争，系统使用4个互斥锁保护共享资源：
| 互斥锁 | 保护对象 | 用途 |
|--------|---------|------|
| `xSensorDataMutex` | `g_sensor_data` | 保护传感器数据读写 |
| `xMqttMessageMutex` | `g_device_message` | 保护MQTT消息构建 |
| `xTimePeriodMutex` | `g_day_period`, `g_night_period` | 保护时间段配置 |
| `xControlFlagMutex` | 所有控制标志 | 保护设备控制状态 |
---
## 功能特性
### 1. 环境监测
#### AHT30 温湿度传感器
- **采集周期**: 5秒
- **温度范围**: -40°C ~ 85°C (精度±0.3°C)
- **湿度范围**: 0% ~ 100% (精度±2%)
- **错误处理**: 初始化失败时自动重试，标记数据无效
#### BH1750 光照传感器
- **采集周期**: 5秒
- **测量模式**: 连续测量，1lux分辨率
- **数据范围**: 1 ~ 65535 lux
- **光强状态判断**:
- `BRIGHT` (光照充足): > 500 lux
- `MODERATE` (光照适中): 200-500 lux
- `DIM` (光照不足): < 200 lux
#### MQ135 空气质量传感器
- **采集方式**: ADC1 12位采样
- **测量原理**: Rs/R0 = 116.602 × ppm^(-2.769)
- **动态校准**: 启动后50次采样平均计算R0值
- **数据范围**: 1.0 ~ 1000.0 ppm
- **空气质量等级**:
| 范围 | 等级 | 颜色 |
|------|------|------|
| ≤ 20 ppm | 优秀 (Excellent) | 绿色 |
| 21-100 ppm | 良好 (Good) | 黑色 |
| 101-300 ppm | 轻度污染 (Moderate) | 橙色 |
| > 300 ppm | 中重度污染 (High) | 红色 |
### 2. 智能自动控制
#### 时间段智能控制
系统根据当前时间段和环境光强自动控制窗帘和照明：
**白天模式** (默认 6:00-18:00):
- **光照充足** (>500 lux): 关窗帘 + 关灯
- **光照不足** (<200 lux): 开窗帘 + 开灯(亮度80%)
- **光照适中** (200-500 lux): 开窗帘(利用自然光) + 关灯
**晚上模式** (默认 18:00-6:00):
- 自动关闭窗帘
- 开启照明(亮度50%)
**特性**:
- NVS持久化时间段配置
- 支持跨天时间段配置(如18:00-6:00)
- 10秒检查周期，快速响应光强变化
- 手动控制检测，避免冲突
#### 降温模式
根据室内温度自动控制风扇：
- **温度阈值**: 默认28°C (可通过MQTT配置，范围10-40°C)
- **控制逻辑**:
- 温度 > 阈值: 自动开启风扇
- 温度 < (阈值-1°C): 自动关闭风扇 (1°C滞后防止抖动)
- **高温提醒**:
- 温度 > 35°C: 触发蜂鸣器 + MQTT推送 "温度过高请注意通风"
- 温度恢复正常: 自动关闭提醒
- **配置**: NVS持久化温度阈值
#### 自动通风模式
根据空气质量自动通风：
- **空气质量阈值**: 50 ppm
- **控制逻辑**:
- 空气质量 > 50 ppm: 开启风扇 + 蜂鸣器短促提示(200ms)
- 空气质量 < 40 ppm: 关闭风扇 (10ppm滞后)
- **提醒机制**: MQTT推送 "卧室需要通风" (仅推送一次)
### 3. 闹钟系统
#### 多闹钟支持
- **闹钟数量**: 3个独立闹钟
- **时间格式**: HH:MM:SS
- **触发机制**: ESP定时器每秒检查时间
- **持续时间**: 蜂鸣器响5秒后自动关闭
#### 温和唤醒功能
**闹钟1特有功能**: 提前3分钟自动打开窗帘，让自然光温和唤醒用户
- 前提: 闹钟已启用
- 触发时间: 闹钟时间前3分钟
- 动作: 舵机转到开窗帘位置(195°)
- 标志: 设置`curtain_opened`标志防止重复
#### 配置管理
- NVS自动保存闹钟时间和开关状态
- 支持MQTT远程设置闹钟
- 支持独立启用/禁用每个闹钟
### 4. 设备控制
#### 窗帘控制
- **执行器件**: SG90舵机
- **控制方式**: LEDC定时器0, 50Hz PWM
- **角度范围**: 30°(关) ~ 195°(开)
- **校准**: 支持自定义校准值
#### LED照明控制
- **控制方式**: UART1发送给副MCU
- **亮度范围**: 0-100%
- **控制协议**:
```
帧头: 0x55
命令: 0x01 (LED控制)
数据: 亮度值 (0-100)
```
#### 风扇控制
- **控制方式**: GPIO1直接高低电平
- **状态**: 开/关
- **应用**: 降温模式、通风模式、手动控制
#### 蜂鸣器控制
- **控制方式**: UART1发送给副MCU
- **控制协议**:
```
帧头: 0x55
命令: 0x02 (蜂鸣器控制)
数据: 0(关)/1(开)
```
- **应用场景**: 闹钟、高温提醒、空气质量提醒
#### 屏幕背光控制
- **控制方式**: GPIO6直接高低电平
- **特性**: 根据在家状态自动控制
### 5. MQTT通信
#### 连接配置
- **Broker**: mqtt://beihong.wang:1883
- **认证**: 用户名/密码认证
- **客户端ID**: esp32_+MAC后3位
- **QoS**: 发布QoS0, 订阅QoS2
#### 主题设计
| 方向 | 主题 | 说明 |
|------|------|------|
| 发布 | `topic/sensor/esp32_iothome_001` | 传感器数据上报 |
| 订阅 | `topic/control/esp32_iothome_001` | 控制命令接收 |
#### 上报频率
- **在家模式**: 3秒周期
- **离家模式**: 50秒周期
### 6. 本地显示
#### LVGL图形界面
- **LCD**: ST7735S, 160x80分辨率
- **颜色格式**: RGB565 (16位色)
- **刷新率**: 约30FPS (33ms)
- **特性**: 双缓冲，提高流畅度
#### 界面页面
**时间页面** (默认):
- 日期和星期
- 时间 (HH:MM:SS)
- 大字体显示
**传感器页面**:
- 温度 (保留2位小数)
- 湿度 (保留2位小数)
- 光照强度 (保留2位小数)
- 空气质量指数 + 颜色分级
#### 页面切换
- **触发**: UART按键6 (0xAA 0x06 0x55)
- **显示**: 默认时间页面，按键切换到传感器页面
### 7. MCU间通信
#### UART协议
- **波特率**: 230400
- **数据位**: 8
- **停止位**: 1
- **校验**: 无
#### 接收协议 (副MCU → ESP32)
- **格式**: AA [01-06] 55 (3字节)
- **按键映射**:
| 按键 | 命令 | 功能 |
|------|------|------|
| 按键1 | 0x01 | LED开关 |
| 按键2 | 0x02 | 风扇开关 |
| 按键3 | 0x03 | 窗帘开关 |
| 按键4 | 0x04 | 蜂鸣器开关 |
| 按键5 | 0x05 | 屏幕背光 |
| 按键6 | 0x06 | 页面切换 |
### 8. 时间同步
#### SNTP配置
- **时区**: 北京时间 (CST-8)
- **NTP服务器**:
- cn.pool.ntp.org
- ntp1.aliyun.com
- **协议**: NTP v4 (UDP 123端口)
- **自动同步**: 启动后自动同步
---
## 快速开始
### 环境准备
#### 安装ESP-IDF
```bash
# 克隆ESP-IDF仓库
git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git
cd esp-idf
# 切换到v5.5.2版本
git checkout v5.5.2
git submodule update --init --recursive
# 安装依赖
./install.sh esp32c3
# 激活环境
source ./export.sh
```
#### 依赖组件
本项目使用以下managed components，会自动下载：
- `espp__wifi`: Wi-Fi连接示例组件
- LVGL相关组件: 图形界面库
### 编译与烧录
#### 1. 编译项目
```bash
cd /home/beihong/esp_projects/iot-home
idf.py build
```
#### 2. 烧录到设备
```bash
idf.py flash
```
#### 3. 监控串口输出
```bash
idf.py monitor
```
#### 4. 一键烧录+监控
```bash
idf.py flash monitor
```
### 首次启动流程
#### 系统上电启动详细流程
```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ESP32-C3 上电启动 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. 系统初始化 (app_main) │
│ - 设置日志级别 │
│ - 初始化NVS（非易失性存储） │
│ - 创建事件循环 │
│ - 初始化ESP-NETIF │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 2. Wi-Fi连接 │
│ - 配置Wi-Fi参数 (SSID/Password) │
│ - 扫描并连接到AP │
│ - 最多重试6次 │
│ - 打印AP信息 (MAC, RSSI, 信道) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 3. 硬件外设初始化 │
│ - I2C总线初始化 (100kHz, SCL=GPIO5, SDA=GPIO4) │
│ - 舵机初始化 (GPIO10, LEDC定时器0, 50Hz) │
│ - GPIO输出初始化 (风扇GPIO1) │
│ - UART1初始化 (230400 baud, TX=GPIO21, RX=GPIO20) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 4. LVGL图形界面初始化 │
│ - SPI总线配置 (40MHz, SPI2_HOST) │
│ - LCD驱动初始化 (ST7735S, 160x80) │
│ - LVGL库初始化 │
│ - 创建UI组件 (时间页面、传感器页面) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 5. 串口通信初始化 │
│ - serial_mcu_init() │
│ - 配置UART1接收中断 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 6. MQTT客户端启动 │
│ - 配置MQTT连接参数 │
│ - 启动MQTT客户端 │
│ - 等待连接建立 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 7. 互斥锁创建 │
│ - xSensorDataMutex (传感器数据保护) │
│ - xMqttMessageMutex (MQTT消息保护) │
│ - xTimePeriodMutex (时间段配置保护) │
│ - xControlFlagMutex (控制标志保护) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 8. NVS配置加载 │
│ - 从NVS加载降温模式配置 (温度阈值) │
│ - 从NVS加载时间段配置 (白天/晚上模式) │
│ - 从NVS加载闹钟配置 (3个闹钟时间和状态) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 9. 创建FreeRTOS任务 │
│ 按5级优先级依次创建以下10个任务: │
│ │
│ 优先级24 (最高): │
│ ├─ uart_rx_task [4096字节] 事件驱动 │
│ │
│ 优先级5: │
│ ├─ i2c0_ahtxx_task [4096字节] 5秒周期 │
│ ├─ i2c0_bh1750_task [4096字节] 5秒周期 │
│ ├─ mq135_task [4096字节] 5秒周期 (预热期短) │
│ ├─ mqtt_publish_task [4096字节] 3/50秒周期 │
│ ├─ peripheral_control_task [4096字节] 100ms周期 │
│ ├─ alarm_clock_main_task [8192字节] 1秒周期 │
│ ├─ time_period_task [4096字节] 10秒周期 │
│ ├─ cooling_mode_task [4096字节] 5秒周期 │
│ └─ ventilation_mode_task [4096字节] 5秒周期 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 10. 主循环启动 │
│ 主任务进入while(1)循环，定期打印传感器数据 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────┐
│ 系统运行状态 │
│ (所有任务并行) │
└─────────────────┘
│
┌───────────────────┼───────────────────┐
▼ ▼ ▼
┌─────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
│传感器采集 │ │ 自动控制 │ │MQTT通信 │
│ 任务组 │ │ 任务组 │ │ 任务组 │
└─────────┘ └──────────┘ └──────────┘
```
#### 各任务启动后执行流程
**1. AHT30温湿度采集任务 (i2c0_ahtxx_task)**
```
启动 → 初始化I2C → 等待AHT30就绪 → 读取温湿度数据
↓ (每5秒)
更新g_sensor_data → 更新LVGL显示 → 互斥锁保护 → 循环
```
**2. BH1750光照采集任务 (i2c0_bh1750_task)**
```
启动 → 初始化I2C → 配置连续测量模式 → 读取光照数据
↓ (每5秒)
更新g_sensor_data → 更新LVGL显示 → 判断光强状态 → 循环
```
**3. MQ135空气质量采集任务 (mq135_task)**
```
启动 → 初始化ADC → 预热阶段(100次采样，约8分钟)
↓
校准阶段(100次采样，计算R0) → 温湿度补偿 → 滑动平均滤波
↓ (每5秒)
计算Rs/R0 → 应用MQ135公式 → 异常检测 → 更新数据 → 循环
```
**4. MQTT发布任务 (mqtt_publish_task)**
```
启动 → 等待MQTT连接 → 检查在家/离家状态
↓
在家模式: 每3秒发布传感器数据
离家模式: 每50秒发布传感器数据
↓
构建JSON消息 → 互斥锁保护 → 发布到Broker → 循环
```
**5. 外设控制任务 (peripheral_control_task)**
```
启动 → 读取当前控制标志 → 检测状态变化
↓ (每100ms)
状态变化 → 执行硬件控制 (舵机/风扇/蜂鸣器/LED)
↓
更新遥测数据 → 上报状态 → 记录上次状态 → 循环
```
**6. 闹钟主任务 (alarm_clock_main_task)**
```
启动 → 初始化SNTP → 从NVS加载3个闹钟配置
↓
创建定时器 (每1秒检查) → 等待定时器回调
↓ (每1秒)
检查当前时间 → 对比闹钟时间
├─ 匹配闹钟1: 提前3分钟开窗帘 → 时间到触发蜂鸣器
├─ 匹配闹钟2: 直接触发蜂鸣器
└─ 匹配闹钟3: 直接触发蜂鸣器
↓
更新闹钟触发状态 → 循环
```
**7. 时间段智能控制任务 (time_period_task)**
```
启动 → 获取当前时间 → 判断白天/晚上模式
↓ (每10秒)
读取光照强度 → 判断光强状态 (充足/适中/不足)
↓
根据模式和光强决定控制策略
├─ 白天+光照充足: 关窗帘+关灯
├─ 白天+光照不足: 开窗帘+开灯(80%)
├─ 白天+光照适中: 开窗帘+关灯
└─ 晚上: 关窗帘+开灯(50%)
↓
检查手动控制冲突 → 互斥锁保护 → 执行控制 → 上报状态 → 循环
```
**8. 降温模式任务 (cooling_mode_task)**
```
启动 → 从NVS加载温度阈值 → 初始化高温提醒标志
↓ (每5秒)
读取当前温度 → 与阈值比较
├─ 温度 > 阈值: 开启风扇
├─ 温度 < (阈值-1°C): 关闭风扇 (滞后防抖)
└─ 温度 > 35°C: 触发高温提醒 (蜂鸣器+MQTT推送)
↓
互斥锁保护 → 执行控制 → 更新标志 → 循环
```
**9. 通风模式任务 (ventilation_mode_task)**
```
启动 → 初始化空气质量阈值 → 初始化提醒标志
↓ (每5秒)
读取当前空气质量 → 与阈值比较
├─ 质量 > 50ppm: 开启风扇 + 蜂鸣器短促提示
│ 发送MQTT提醒 "卧室需要通风"
└─ 质量 < 40ppm: 关闭风扇 (滞后防抖) + 重置提醒标志
↓
互斥锁保护 → 执行控制 → 更新标志 → 循环
```
**10. UART接收任务 (uart_rx_task)**
```
启动 → 等待副MCU按键数据
↓ (事件驱动)
接收完整帧 (AA cmd 55)
├─ 0x01: LED开关 → 翻转light_source_control_flag
├─ 0x02: 风扇开关 → 翻转fan_control_flag
├─ 0x03: 窗帘开关 → 翻转servo_control_flag
├─ 0x04: 蜂鸣器开关 → 翻转buzzer_control_flag
├─ 0x05: 背光开关 → 翻转led_backlight_on
└─ 0x06: 页面切换 → 调用ui_toggle_page()
↓
互斥锁保护 → 更新状态 → 上报MQTT → 继续等待
```
#### MQTT事件处理流程
```
MQTT事件回调
│
├─ MQTT_EVENT_CONNECTED:
│ └─ 订阅控制主题 → 准备接收远程命令
│
├─ MQTT_EVENT_DATA:
│ └─ 接收到控制命令JSON
│ │
│ ├─ 解析设备ID和类型 (验证是否匹配)
│ ├─ 解析message_type
│ │
│ └─ 根据controls执行操作:
│ ├─ fan_state: open/close → 设置风扇
│ ├─ curtain_state: open/close → 设置窗帘
│ ├─ led_state: open/close + led_power → 设置LED
│ ├─ buzzer_state: open/close → 设置蜂鸣器
│ ├─ alarm1_time/enable → 配置闹钟1
│ ├─ alarm2_time/enable → 配置闹钟2
│ ├─ alarm3_time/enable → 配置闹钟3
│ ├─ day_period_start/end → 配置白天时间段
│ ├─ night_period_start/end → 配置晚上时间段
│ └─ temperature_threshold → 配置降温阈值
│
└─ MQTT_EVENT_DISCONNECTED:
└─ 等待自动重连
```
#### 系统状态同步流程
```
本地操作 (按键/自动控制)
│
↓
更新控制标志 (互斥锁保护)
│
├─ → 外设控制任务检测到变化
│ ↓
│ 执行硬件控制 (GPIO/UART/PWM)
│ ↓
│ 更新遥测数据
│
└─ → MQTT发布任务周期性上报
↓
发送传感器数据到云端
↓
远程端(小程序/服务器)接收状态
│
↓
用户查看/控制
│
↓
发送MQTT控制命令
│
↓
ESP32接收并执行
│
└─ 循环
```
#### 传感器数据流向
```
┌──────────┐
│ AHT30 │ → 温度/湿度 → g_sensor_data → LVGL显示 + MQTT上报
└──────────┘
┌──────────┐
│ BH1750 │ → 光照强度 → g_sensor_data → LVGL显示 + 时间段控制
└──────────┘
┌──────────┐
│ MQ135 │ → 空气质量 → g_sensor_data → LVGL显示 + 通风控制
│ (预热期)│ → 校准R0 → 温湿度补偿 → 滑动平均滤波
└──────────┘
```
#### 数据存储与恢复
**配置保存 (NVS存储):**
- 降温模式温度阈值 (cooling_mode_namespace)
- 时间段配置 (day_period, night_period)
- 闹钟配置 (3个闹钟的时间和开关状态)
**配置加载:**
- 启动时自动从NVS读取
- MQTT可远程修改并自动保存
- 断电后配置自动恢复
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## 配置说明
### Wi-Fi配置
编辑 `sdkconfig`:
```ini
CONFIG_EXAMPLE_WIFI_SSID="Your_WiFi_SSID"
CONFIG_EXAMPLE_WIFI_PASSWORD="Your_WiFi_Password"
CONFIG_EXAMPLE_WIFI_CONN_MAX_RETRY=6
```
### MQTT配置
编辑 `main/main.c`:
```c
// MQTT Broker地址
#define MQTT_BROKER_URL "mqtt://your-broker.com:1883"
// 认证信息
#define MQTT_USERNAME "your_username"
#define MQTT_PASSWORD "your_password"
// 设备标识
#define MQTT_CLIENT_ID "esp32_your_device_id"
// 主题配置
#define MQTT_PUBLISH_TOPIC_QOS0 "topic/sensor/esp32_your_device_id"
#define MQTT_NOTIFY_TOPIC "topic/control/esp32_your_device_id"
```
### GPIO引脚分配
```c
// I2C总线 (传感器)
I2C_SCL: GPIO5
I2C_SDA: GPIO4
// SPI总线 (LCD屏幕)
SPI_CLK: GPIO2
SPI_MOSI: GPIO3
LCD_CS: GPIO7
LCD_DC: GPIO8
LCD_RST: GPIO9
LCD_BL: GPIO6
// PWM (舵机)
SERVO_PWM: GPIO10
// GPIO控制
FAN_CONTROL: GPIO1
// ADC (空气质量传感器)
MQ135_ADC: ADC1_CH0 (GPIO34)
// UART1 (副MCU通信)
UART_TX: GPIO21
UART_RX: GPIO20
```
### LVGL显示配置
```c
// LCD分辨率
#define EXAMPLE_LCD_H_RES 160
#define EXAMPLE_LCD_V_RES 80
// SPI配置
#define EXAMPLE_LCD_SPI_NUM SPI2_HOST
#define EXAMPLE_LCD_PIXEL_CLK_HZ (40 * 1000 * 1000) // 40MHz
#define EXAMPLE_LCD_BITS_PER_PIXEL 16
// 绘图缓冲
#define EXAMPLE_LCD_DRAW_BUFF_HEIGHT 50
```
### 自动控制阈值
编辑 `main/main.c`:
```c
// 降温模式
float g_temperature_threshold = 28.0f; // 温度阈值
const float HIGH_TEMP_THRESHOLD = 35.0f; // 高温提醒阈值
// 通风模式
#define AIR_QUALITY_THRESHOLD 50.0f // 空气质量阈值
// 光照判断阈值
#define LIGHT_BRIGHT_THRESHOLD 500.0f // 光照充足阈值
#define LIGHT_DIM_THRESHOLD 200.0f // 光照不足阈值
```
### 时间段默认配置
```c
// 白天模式 (默认6:00-18:00)
time_period_config_t g_day_period = {
.start_hour = 6,
.start_minute = 0,
.end_hour = 18,
.end_minute = 0,
.enabled = true
};
// 晚上模式 (默认18:00-6:00)
time_period_config_t g_night_period = {
.start_hour = 18,
.start_minute = 0,
.end_hour = 6,
.end_minute = 0,
.enabled = true
};
```
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## API文档
### MQTT消息格式
#### 传感器数据上报
**发布主题**: `topic/sensor/esp32_iothome_001`
```json
{
"type": "device_message",
"device_id": "esp32_bedroom_001",
"device_type": "bedroom_controller",
"timestamp": 1701234567890,
"message_type": "sensor_data",
"data": {
"state": {
"online": true,
"current_mode": "day_mode",
"standby_mode": false,
"error_code": 0
},
"telemetry": {
"temperature": 25.50,
"humidity": 60.30,
"light_intensity": 350.00,
"air_quality": 45.00,
"curtain_state": "open",
"led_state": "close",
"led_power": 0,
"fan_state": "close",
"buzzer_state": "close"
}
}
}
```
#### 控制命令接收
**订阅主题**: `topic/control/esp32_iothome_001`
```json
{
"type": "control_command",
"device_id": "esp32_bedroom_001",
"device_type": "bedroom_controller",
"message_type": "device_control",
"data": {
"controls": {
"fan_state": "open|close",
"curtain_state": "open|close",
"led_state": "open|close",
"led_power": 0-100,
"buzzer_state": "open|close",
"alarm1_time": "HH:MM:SS",
"alarm1_enable": "on|off",
"alarm2_time": "HH:MM:SS",
"alarm2_enable": "on|off",
"alarm3_time": "HH:MM:SS",
"alarm3_enable": "on|off",
"day_period_start": "HH:MM",
"day_period_end": "HH:MM",
"night_period_start": "HH:MM",
"night_period_end": "HH:MM",
"temperature_threshold": 28.0
}
}
}
```
### MQTT命令示例
#### 控制风扇
```bash
mosquitto_pub -h beihong.wang -t topic/control/esp32_iothome_001 -m \
'{
"type": "control_command",
"device_id": "esp32_bedroom_001",
"device_type": "bedroom_controller",
"message_type": "device_control",
"data": {
"controls": {
"fan_state": "open"
}
}
}'
```
#### 控制窗帘
```bash
mosquitto_pub -h beihong.wang -t topic/control/esp32_iothome_001 -m \
'{
"type": "control_command",
"device_id": "esp32_bedroom_001",
"device_type": "bedroom_controller",
"message_type": "device_control",
"data": {
"controls": {
"curtain_state": "close"
}
}
}'
```
#### 设置LED亮度
```bash
mosquitto_pub -h beihong.wang -t topic/control/esp32_iothome_001 -m \
'{
"type": "control_command",
"device_id": "esp32_bedroom_001",
"device_type": "bedroom_controller",
"message_type": "device_control",
"data": {
"controls": {
"led_state": "open",
"led_power": 80
}
}
}'
```
#### 设置闹钟
```bash
mosquitto_pub -h beihong.wang -t topic/control/esp32_iothome_001 -m \
'{
"type": "control_command",
"device_id": "esp32_bedroom_001",
"device_type": "bedroom_controller",
"message_type": "device_control",
"data": {
"controls": {
"alarm1_time": "07:30:00",
"alarm1_enable": "on"
}
}
}'
```
#### 设置降温阈值
```bash
mosquitto_pub -h beihong.wang -t topic/control/esp32_iothome_001 -m \
'{
"type": "control_command",
"device_id": "esp32_bedroom_001",
"device_type": "bedroom_controller",
"message_type": "device_control",
"data": {
"controls": {
"temperature_threshold": 26.0
}
}
}'
```
#### 设置时间段
```bash
mosquitto_pub -h beihong.wang -t topic/control/esp32_iothome_001 -m \
'{
"type": "control_command",
"device_id": "esp32_bedroom_001",
"device_type": "bedroom_controller",
"message_type": "device_control",
"data": {
"controls": {
"day_period_start": "07:00",
"day_period_end": "19:00",
"night_period_start": "19:00",
"night_period_end": "07:00"
}
}
}'
```
### 本地按键控制
通过副MCU的物理按键控制：
| 按键 | 功能 | 说明 |
|------|------|------|
| 按键1 | LED开关 | 切换照明灯开关 |
| 按键2 | 风扇开关 | 切换风扇开关 |
| 按键3 | 窗帘开关 | 切换窗帘开/合 |
| 按键4 | 蜂鸣器开关 | 切换蜂鸣器开关 |
| 按键5 | 背光开关 | 切换屏幕背光 |
| 按键6 | 页面切换 | 切换时间/传感器页面 |
### 监听传感器数据
```bash
mosquitto_sub -h beihong.wang -t topic/sensor/esp32_iothome_001
```
---
## 故障排查
### 传感器初始化失败
**现象**: 日志显示 "AHTxx初始化失败" 或 "BH1750初始化失败"
**解决方案**:
1. 检查I2C接线 (SCL=GPIO5, SDA=GPIO4)
2. 确认I2C总线上有上拉电阻 (通常4.7kΩ)
3. 检查I2C地址冲突 (AHT30: 0x38, BH1750: 0x23)
4. 确认传感器供电 (3.3V)
5. 使用I2C扫描工具检测设备
### MQTT连接失败
**现象**: 日志显示 "MQTT_EVENT_ERROR"
**解决方案**:
1. 检查Wi-Fi连接状态
2. 验证Broker地址和端口 (mqtt://beihong.wang:1883)
3. 检查用户名密码是否正确
4. 确认防火墙允许1883端口
5. 使用 `mosquitto_sub` 测试Broker连接
### 显示异常
**现象**: 屏幕无显示或花屏
**解决方案**:
1. 检查SPI接线 (CLK, MOSI, CS, DC, RST, BL)
2. 验证LCD供电 (3.3V或5V，根据模块规格)
3. 检查背光控制GPIO6连接
4. 确认LCD型号为ST7735S
5. 检查SPI时钟频率 (40MHz可能过高，尝试降低到20MHz)
### 舵机不工作
**现象**: 窗帘无法开合
**解决方案**:
1. 检查GPIO10连接
2. 确认舵机供电 (需要5V, ESP32的3.3V可能驱动不足)
3. 检查PWM配置 (50Hz, 脉宽1-2ms)
4. 校准角度范围 (30°-195°)
5. 确认舵机型号为SG90或兼容型号
### 风扇不工作
**现象**: 风扇无法开启
**解决方案**:
1. 检查GPIO1连接
2. 确认风扇供电 (通常5V或12V)
3. 检查风扇驱动电路 (可能需要晶体管驱动)
4. 使用万用表测试GPIO1电平变化
5. 确认风扇控制逻辑 (高电平开/低电平关)
### MQ135读数异常
**现象**: 空气质量读数过大或过小
**解决方案**:
1. 确认传感器预热时间 (MQ135需要预热24-48小时)
2. 检查ADC连接 (ADC1_CH0 / GPIO34)
3. 确认负载电阻RL=10kΩ连接正确
4. 在干净空气中重启设备进行R0校准
5. 调整初始R0值 (代码中的R0变量)
### 时间同步失败
**现象**: 时间显示不正确
**解决方案**:
1. 检查网络连接
2. 确认NTP服务器可访问 (cn.pool.ntp.org)
3. 检查防火墙是否允许UDP 123端口
4. 查看日志中的SNTP同步结果
5. 手动设置时区代码 (当前为CST-8)
### NVS存储失败
**现象**: 配置无法保存或启动时丢失
**解决方案**:
1. 检查分区表是否包含NVS分区
2. 使用 `idf.py erase-flash` 擦除Flash后重新烧录
3. 检查NVS分区大小 (至少需要4KB)
4. 查看日志中的NVS初始化信息
5. 使用 `nvs_partition_generator` 工具重新生成NVS分区
---
## 技术栈
| 类别 | 技术栈 | 说明 |
|------|--------|------|
| **芯片平台** | ESP32-C3 | RISC-V架构，160MHz |
| **操作系统** | FreeRTOS | 实时操作系统 |
| **开发框架** | ESP-IDF 5.5.2 | 乐鑫官方开发框架 |
| **通信协议** | MQTT 3.1.1 | 物联网通信协议 |
| **网络协议** | TCP/IP (LwIP) | 轻量级TCP/IP协议栈 |
| **无线协议** | Wi-Fi 802.11 b/g/n | 2.4GHz无线网络 |
| **时间同步** | SNTP (NTP v4) | 网络时间协议 |
| **图形库** | LVGL 9.4.0 | 轻量级图形库 |
| **数据格式** | JSON (cJSON库) | 数据交换格式 |
| **存储** | NVS | 非易失性存储 |
| **编译器** | GCC (RISC-V) | RISC-V交叉编译器 |
| **构建系统** | CMake + Ninja | 跨平台构建系统 |
---
## 项目结构
```
iot-home/
├── main/ # 主程序目录
│ ├── main.c # 主程序文件 (3025行)
│ ├── CMakeLists.txt # 构建配置
│ └── idf_component.yml # 组件依赖
├── components/ # 自定义组件
│ ├── lvgl_st7735s_use/ # LVGL显示组件
│ ├── serial_mcu/ # 串口通信组件
│ ├── ahtxx/ # 温湿度传感器组件
│ ├── bh1750/ # 光照传感器组件
│ └── iot_servo/ # 舵机控制组件
├── managed_components/ # 管理组件 (自动下载)
│ └── espp__wifi/ # Wi-Fi连接组件
├── build/ # 编译输出目录
├── sdkconfig # ESP-IDF配置文件
├── partitions.csv # 分区表
└── README.md # 本文档
```
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## 许可证
MIT License
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## 作者
**beihong.wang**
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## 更新日志
### v1.0 (2026-01-19)
- 初始版本发布
- 完整的智能家居控制功能
- MQTT远程控制
- LVGL本地显示
- 多闹钟系统
- 自动通风和降温模式
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## 贡献
欢迎提交Issue和Pull Request！
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## 联系方式
如有问题或建议，请通过以下方式联系：
- 提交Issue
- 发送邮件
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**文档生成时间**: 2026年2月7日
**文档版本**: 1.0
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