物联网项目开发实战-第3章-自动浇花项目迭代1
本章以一个自动浇花项目为例，通过逐步迭代的方式实现所有需求。每个迭代都设置一个能正常工作的实现目标，通过对目标分析和功能分解，逐步掌握完成目标需要的知识点，最终完成一个能达到产品级的项目。
3.1项目需求
自动浇花项目的核心功能需求包括：
1. 能通过物理按键直接手动浇水；
2. 通过传感器收集土壤湿度数据；
3. 当土壤相对湿度低于一个阀值时（如40%）要能自动浇水；
4. 能通过物联网平台手动控制浇水；
5. 能通过物联网平台实现自动灌水；
6. 能通过物联网平台查看相关数据及图表；
7. 要尽可能的省电；
8. 提供WiFi连接信息设置界面；
3.2迭代一：手动控制浇水
3.2.1迭代目标
本节我们实现一个基本能工作的手动浇水装置，即通过按下按键来闭合继发器让小水泵进行浇水。
3.2.2需求分析
针对本节的目标，分析如下：
1. 需要通过I/O端口输出信息控制闭合继电器让小水泵工作；
2. 需要通过I/O端口获取按键按下的状态；
3.2.3知识点
知识点3-1：ESP32的GPIO
ESP32共有34个物理GPIO管脚，序号为：0-19,21-23,25-27,32-39。其中GPIO34-39仅用作输入管脚，其他的既可以作为输入又可以作为输出管脚，GPIO2为启动引脚，最好不要接东西。
ESP32芯片通过内部的GPIO交换矩阵，使每个GPIO引脚可以配置成GPIO功能或连接内部信号以实现特定功能，简单来讲就是每个GPIO管脚可以根据需要来配置以满足不同项目的需要。
更详细的GPIO信息可参考官方的ESP32芯片手册。
本书使用的ESP32主控板提供的GPIO引脚说明如下图
知识点3-2：通过输出数字信号控制继电器
在2.2小节我们通过控制GPIO输出点亮了一个LED，但在实际应用场景中，我们并不能通过GPIO的输出来直接控制负载，如功率要求大的外设（电灯），电感类外设（电机，充电器）等。因为GPIO通常是用来做控制信号处理的，它的负载驱动能力很弱（即允许通过的电流很小）。
要驱动负载，可以使用使用信号放大类器件和继电器
信号放大类器如三极管和CMOS管等，一般以基极为控制端，发射极为负载端，通过在基极施加微小信号（小电流）以实现控制发射极的导通（大电流），示意电路图如下：
在许多电机驱动芯片（如L298、TB6612等）中就是使用信号放大类电路组成桥式电路来驱动电机。
继电器模块
继电器是通过以微小信号（小电流）使控制线圈产生磁场，从而闭合开关来控制负载电路导通（大电流），示意电路图如下：
从上图可以看到，控制电路和负载电路在电源层面是完全隔离的，这在控制不同电源的负载时是非常重要的！如在智能家居中控制各类电器、工业制造环境中控制各类设备等。
实例4：用继电器控制小水泵浇水5秒
本实例需要使用套件中的断电器模块（S引脚接GPIO12）、小水泵和电源模块。
电路图如下
代码如下：
const int RELAY_PIN = 12;
// 浇水子程序
void watering(int seconds) {
digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);
delay(seconds * 1000);
digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
Serial.printf("浇水 %d秒。\n", seconds);
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
// 浇水5秒
watering(5);
}
void loop() {
}本例中，使用digitalWrite函数来输出数字信号，其他程序在调用浇水子程序时，必须给出浇水时长。
知识点3-3：通过GPIO获取按键状态
当把GPIO设置为INPUT模式时，可通过引脚输入的电平来获得信号，对于ESP32芯片，引脚可获取信号分为数字信号和模拟信号，这里只介绍数字信号输入，当引脚输入电平为3.3V左右时，数字信号检测为1，当引脚输入电平为0V左右时，数字信号检测为0。
为了获取按键在断开和按下时的状态，需要设计一个电路让按键在断开和按下时能给出对应的高/低电平，若反之。下图是一个常见的开关电路
按键K断开时，GPIO输入为高电平；按键K合上后，GPIO接地，输入为低电平。
ESP32的GPIO引脚内置了上拉电阻和下拉电阻，可以通过设置引脚模式为INPUT_PULLUP/INPUT_PULLDOWN来简化电路。
实例5：获取按键状态
本实例需要使用按键模块（S引脚接GPIO13）
const int BUTTON_PIN = 13;
boolean button_pressed = 0;
boolean buttonClicked() {
// 检测按钮是否已按下
if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) { // 已按下
delay(10); // 延时10ms，用于防止机械抖动
if (digitalRead(BUTTON_PIN)==LOW) { // 再次读取
button_pressed = 1;
Serial.print(“按键已按下。”);
}
}
// 检测按键是否已释放
if (button_pressed==1 && digitalRead(BUTTON_PIN) == HIGH) { // 已释放
delay(10); // 延时10ms，用于防止机械抖动
if (button_pressed==1 && digitalRead(BUTTON_PIN) == HIGH) {
button_pressed = 0;
Serial.print(“按键已释放。”);
Serial.print(“按键单击。”);
return true;
}
}
return false;
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); // 使用引脚内置上拉电阻
}
void loop() {
if (buttonClicked()) {
// 业务代码
}
delay(10);
}本例中，通过digitalRead函数来获取输入信号，因为机械按键存在物理抖动，即在按下和释放瞬间，按键状态是不稳定的，故使用两次读取来简单防止机械抖动。
3.2.4实现
掌握了控制继电器和获取按键状态的知识点后，我们来实现迭代一的目标。
1.流程图
迭代一的程序流程图如下：
2.电路搭建
3.程序开发
const int RELAY_PIN = 12;
const int BUTTON_PIN = 13;
boolean button_pressed = 0;
// 浇水子程序
void watering(int seconds) {
digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);
delay(seconds * 1000);
digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
Serial.printf("浇水 %d秒。\n", seconds);
}
boolean buttonClicked() {
// 检测按钮是否已按下
if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) { // 已按下
delay(10); // 延时10ms，用于防止机械抖动
if (digitalRead(BUTTON_PIN)==LOW) { // 再次读取
button_pressed = 1;
Serial.print("按键已按下。");
}
}
// 检测按键是否已释放
if (button_pressed==1 && digitalRead(BUTTON_PIN) == HIGH) { // 已释放
delay(10); // 延时10ms，用于防止机械抖动
if (button_pressed==1 && digitalRead(BUTTON_PIN) == HIGH) {
button_pressed = 0;
Serial.print("按键已释放。");
Serial.print("按键单击。");
return true;
}
}
return false;
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); // 使用引脚内置上拉电阻
}
void loop() {
if (buttonClicked()) {
// 浇水5秒
watering(5);
}
delay(10);
}程序合并了知识点的实例代码，没有特殊的地方，就不细述了。
4.测试
程序编译通过后，就可以上传到开发板进行测试了，在通电前，一定要检查各外设的电源正负极接线是否正确，以免烧坏器件。
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