4.3　功能及總體設(shè)計

本作品主要分為三部分進行設(shè)計：網(wǎng)絡(luò)控制模塊、顯示模塊和振動開門模塊。

4.3.1　功能介紹

本開門裝置可通過網(wǎng)絡(luò)控制一個繼電器來實現(xiàn)振動傳感器的開關(guān)，即決定是否啟用振動開門方式。啟動振動傳感器，進入游戲狀態(tài)后，開門者根據(jù)顯示屏提供的開門提示敲擊對應歌曲旋律，由固定在門上的振動傳感器感受兩次敲擊之間的時間間隔，在誤差允許范圍內(nèi)敲擊旋律正確則啟動直流電機拉開門鎖。若開門者敲擊節(jié)奏錯誤則更換歌曲，可以繼續(xù)驗證，從安全方面考慮，總嘗試次數(shù)有限，無論驗證成功還是失敗，均會亮起對應的提示燈。

4.3.2　總體設(shè)計

本項目開關(guān)部分選用ESP8266 WiFi模塊與單路繼電器模塊來控制振動傳感器的狀態(tài)；顯示部分選用12864液晶屏顯示開門提示；主程序部分采用振動傳感器感應敲門的節(jié)奏頻率。若開門節(jié)奏正確，則驅(qū)動直流電機，門成功打開，同時接入1個RGB三色燈來對應是否成功開啟。

1．整體框架圖

項目的整體框架如圖4-1所示。

2．系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)的流程如圖4-2所示。

接通電源以后，服務器發(fā)送指令“on”，使繼電器處于閉合狀態(tài)，振動傳感器開始工作，顯示屏顯示開門提示，開門者需按一定頻率敲門，振動傳感器感受振動頻率。頻率正確，驅(qū)動模塊驅(qū)動直流電機，開門成功，RGB三色燈的綠燈亮；否則開門失敗紅燈亮；開門次數(shù)超過3次后，需等待10min后才有開門機會。

3．總電路圖

系統(tǒng)總電路及Arduino UNO開發(fā)板引腳如圖4-3所示。

本電路圖較為復雜，下面分模塊說明各元器件間的引腳連線。

LCD顯示模塊：12864液晶顯示屏采用SPI接線方式。其D/I口、R/W口、E口分別與開發(fā)板的數(shù)字I/O端10、11、13相連，K（-）、CS1及VSS與開發(fā)板GND相連，A（+）、VDD與+5V端口相連。

網(wǎng)絡(luò)控制模塊：ESP8266的VCC端連接Arduino開發(fā)板的3.3V來通電，CH_PD通過10kΩ的電阻連接到Arduino開發(fā)板的3.3V電源上，模塊上的RX、TX作為通信端口，RX接Arduino上的TX，TX接Arduino開發(fā)板上的RX端口，兩元件的地線相連即可；繼電器接通電源，IN端接開發(fā)板數(shù)字信號I/O口5，COM端接+5V，NC端與振動傳感器正極相連，振動傳感器負極接地。

開門模塊：振動傳感器的DO口與開發(fā)板數(shù)字I/O端2相連；小直流電機與直流電機驅(qū)動板OA1、OB1相連，2個引腳無方向；電機驅(qū)動板的A-IA、A-IB口與開發(fā)板數(shù)字I/O端3、4相連，VCC和GND端分別接+5V和地；RGB三色燈的GND端口接地，R、G、B端分別接數(shù)字I/O口7、6、8。

4.3.3　模塊介紹

本項目主要包括三個模塊：網(wǎng)絡(luò)控制模塊、主程序模塊和LCD顯示模塊。下面分別給出各部分的功能、元件、電路圖和相關(guān)代碼。

1．網(wǎng)絡(luò)控制模塊

1）功能介紹

Arduino通過ESP8266連接貝殼物聯(lián)網(wǎng)服務，實現(xiàn)遠程控制繼電器的閉合斷開狀態(tài)，并將結(jié)果反饋至控制界面。

選用貝殼物聯(lián)網(wǎng)，通過ESP8266-01S、Arduino開發(fā)板與PC連接。以AT指令將WiFi模塊與物聯(lián)網(wǎng)連接，并將其設(shè)置為透傳模式，使其達到通電自動連接的功能；將WiFi模塊通過Arduino開發(fā)板與繼電器、振動傳感器連接，進而通過控制繼電器的閉合開關(guān)狀態(tài)，控制傳感器的工作。

所用元器件：1個Arduino UNO R3，1只繼電器，1只振動傳感器，1只ESP8266-01S，1只10kΩ電阻，1塊面包板，若干杜邦線；ESP8266需先進行透傳設(shè)置。電路如圖4-4所示，元件間的連線如表4-1和表4-2所示。

繼電器線圈沒有電壓時，繼電器沒有吸合，公共端與常閉端接通；當有電壓時，繼電器吸合，公共端與常開端接通。在這里采用繼電器接常閉端法，如圖4-5所示。

（1）ESP8266的透傳設(shè)置。硬件包括USB轉(zhuǎn)TTL模塊，ESP8266-01S。軟件包括網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手。接線實物如圖4-6所示，接線如表4-3所示。

（2）串口調(diào)試工具及AT指令調(diào)試示例。在串口調(diào)試工具中選擇正確的串口及波特率，本項目采用的波特率為115200，打開“計算機”→“設(shè)備管理器”→“端口”，設(shè)置如圖4-7所示。

打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，設(shè)置ESP8266的波特率，如圖4-8所示。

（3）AT指令。

①查看版本號（這個非常重要），不同的版本AT指令的操作不太一樣。

②V1.0+固件命令如下：

第一步：關(guān)閉回顯功能ATE0。第二步：重啟AT+RESTORE。第三步：連接WiFi。

第四步：ESP8266設(shè)備連接服務器。

需要注意：在連接WiFi的AT指令中，必須使用字符串輸入名稱和密碼，因此需要使用雙引號；通過串口發(fā)送AT指令時，一定要回車換行，若沒有回車換行，會導致發(fā)送和返回是一樣的，同時串口也不承認＂\r\n＂指令，只能通過鍵盤來操作。

至此，ESP8266已經(jīng)成為一個透傳模塊，只要給ESP8266通上電，它即可連上WiFi，最終顯示結(jié)果如圖4-9所示。

（4）ESP8266與服務器的通信。

①打開貝殼物聯(lián)網(wǎng)，注冊1個賬號并創(chuàng)建1個設(shè)備，將會得到設(shè)備ID（DEVICEID）、設(shè)備密碼（APIKEY），記錄下來，此時設(shè)備不在線。

②將設(shè)置好的ESP8266與Arduino、繼電器、振動傳感器按上面所描述的接線方式連接。

③燒錄代碼，上傳程序。

④刷新貝殼物聯(lián)網(wǎng)的界面，這時設(shè)備顯示在線，如圖4-10所示；需要注意的是，如果設(shè)備不在線，請檢查透傳是否正確、設(shè)備ID及設(shè)備密碼是否正確。

⑤點開智能設(shè)備中的設(shè)備對話，選擇上線設(shè)備后，命令發(fā)送目標選擇“設(shè)備ID”，發(fā)送框內(nèi)“play”，可觀察到振動傳感器的指示燈亮了，說明此時振動傳感器在工作狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)控制模塊運行成功。運行過程如圖4-10所示。輸入和反饋結(jié)果如下：

命令輸入欄里，輸入：play。

命令記錄欄里，反饋：sensor on——振動傳感器工作。

命令輸入欄里，輸入：stop。

命令記錄欄里，反饋：sensor off——振動傳感器不工作。

2）相關(guān)代碼

2．LCD顯示及振動模塊

由于液晶屏顯示文字與振動傳感器獲取的游戲者驗證情況有關(guān)，代碼連續(xù)，故將兩模塊合寫。

1）功能介紹

主程序模塊：繼電器開關(guān)閉合使振動傳感器接通電源后，振動傳感器感受振動頻率并與代碼內(nèi)設(shè)頻率相比較。若敲擊次數(shù)及時間間隔在容錯范圍內(nèi)測試為驗證成功，則綠色LED亮，直流電機轉(zhuǎn)動拉動門鎖開門；否則紅色LED亮，換下一首歌，繼續(xù)驗證。連續(xù)錯3次后，RGB三色燈閃爍，開門者被禁止繼續(xù)嘗試，10min后可進行下一輪驗證。

顯示屏模塊：每次驗證時顯示內(nèi)設(shè)歌曲名稱，并在驗證后顯示驗證成功或失敗信息。

所用元件包括：1個Arduino UNO R3、1個振動傳感器、1個普通小直流電機、1個12864LCD液晶屏、1個直流電機驅(qū)動板、1個面包板、若干杜邦線。

（1）振動傳感器SW-1801P。

基本原理：振動傳感器SW-1801P基于彈簧擺動原理，如圖4-11所示。塑料管里有一個軟彈簧圍繞著中心的金屬桿，兩者平時互不接觸，當受到一定外界振動時，就會令彈簧搖晃并碰到金屬桿，輸出一個接通信號。在靜止時任何角度都為開路OFF狀態(tài)，當受到外力碰撞或者大力晃動時，彈簧變形和中心電極接觸導通使兩個引腳瞬間為ON狀態(tài)，當外力消失時，電路恢復為開路OFF狀態(tài)。

對于該振動傳感器模塊來說，無振動或者振動強度達不到設(shè)定閾值時，D0口輸出高電平；當外界振動強度超過設(shè)定閾值時，模塊D0輸出低電平。由于導通時間和彈簧的剛性有關(guān)，所以該振動傳感器的輸出帶寬很窄，在使用Arduino讀取時，使用外部中斷功能，如圖4-11所示。

振動模塊VCC接開發(fā)板VCC，GND接開發(fā)板GND，連接正常，模塊電源指示燈會亮。將模塊輕放桌面上，調(diào)節(jié)板上藍色電位器，直到開關(guān)指示燈亮，然后稍微回調(diào)電位器，讓開關(guān)指示燈滅，再用手敲打桌面，使振動傳感器有震感，此時，開關(guān)指示燈再回到亮狀態(tài)。振動停止，開關(guān)指示燈也會滅。即振動可以觸發(fā)模塊，從而使開關(guān)指示燈點亮，如圖4-12所示。

示例程序如下：

串口輸出部分數(shù)據(jù)舉例如下：

     1023
     1023
     1023
     1023
     1023
     1023
     1023
     67
     257
     1023
     1023
     1023
     1023

通過串口監(jiān)視器，觀察敲擊振動傳感器使其靜止時的數(shù)據(jù)變化，大致確定該振動傳感器能否正常工作。可以看到，當傳感器感受到振動時，數(shù)字會變小。

另外，由于傳感器本身質(zhì)量問題，金屬棒可能不在彈簧正中間，此時傳感器放置在不同方向（例如豎直和平放）時串口輸出數(shù)據(jù)也不同，所以也要測試一下傳感器向不同方向傾斜時的情況，以尋找擺放傳感器的合適角度。

（2）12864LCD液晶顯示屏（帶字庫）。

硬件連接：SPI連接方式如總電路所示，漢字內(nèi)碼轉(zhuǎn)換軟件、LCD12864RSPI庫文件可從網(wǎng)絡(luò)獲取。如果12864庫文件適用版本低，需要修改文件。操作如下：Arduino UNO的SPI為10（SS），11（MOSI），12（MISO），13（SCK）。所以，把LCD12864RSPI.h頭文件中的

     Static const int latchPin = 8;
     Static const int clockPin = 3;
     Static const int dataPin = 9;

修改為

     Static const int latchPin = 10;
     Static const int clockPin = 13;
     Static const int dataPin = 11;

同時，將“LCD12864RSPI.cpp”中的開始部分修改為

（3）普通小直流電機＋直流電機驅(qū)動板。

L9110 S橋兩路直流電機驅(qū)動板，如果要將裝置應用在真實的房門上，需要動力更大的直流電機，本項目的示意模型只用一個小直流電機即可實現(xiàn)。在后續(xù)測試中發(fā)現(xiàn)，直流電機驅(qū)動板在與其他元件接同一個5V電源時，容易出現(xiàn)問題，所以用另一塊開發(fā)板單獨給它供電。

①模塊接口說明。

6P黑色彎排針說明：

1引腳VCC外接2.5～12V電壓；

2引腳GND外接GND；

3引腳IA1外接單片機I/O口；

4引腳IB1外接單片機I/O口；

5引腳IA2外接單片機I/O口；

6引腳IB2外接單片機I/O口。

4P綠端子說明：

1引腳OA1 OB1接直流電機2個引腳，無方向；

2引腳OA2 OB2接直流電機2個引腳，無方向。

②模塊使用說明。

接通VCC，GND模塊電源指示燈亮；

IA1輸入高電平，IA1輸入低電平，【OA1 OB1】電機正轉(zhuǎn)；

IA1輸入低電平，IA1輸入高電平，【OA1 OB1】電機反轉(zhuǎn)；

IA2輸入高電平，IA2輸入低電平，【OA2 OB2】電機正轉(zhuǎn)；

IA2輸入低電平，IA2輸入高電平，【OA2 OB2】電機反轉(zhuǎn)。

測試程序如下，將電機驅(qū)動板的A-IA、A-IB口與開發(fā)板數(shù)字I\O端3、4相連，OA1、OB1接直流電機兩個引腳，無方向，VCC外接5V電壓，GND接地。

     #define MOTO_A 3
     #define MOTO_B 4
     void setup()
     {
     pinMode(MOTO_A，OUTPUT);
     pinMode(MOTO_B，OUTPUT);
     }
     void loop()
     {
     digitalWrite(MOTO_A，LOW);
     digitalWrite(MOTO_B，HIGH);
     delay(2000);
     digitalWrite(MOTO_A，HIGH);
     digitalWrite(MOTO_B，LOW);
     delay(2000);
     }

（4）RGB三色燈。

RGB三色燈原理和一般的LED不同的是，在RGB LED封裝內(nèi)有3個LED，分別為紅色、綠色和藍色。通過控制各個LED的亮度，可以混合幾乎任何顏色。實驗中用到的是共陰極RGB LED，1個引腳接地，另外3個引腳分別接到Arduino UNO開發(fā)板，注意顏色對應。下面是測試程序，這里用到了Arduino開發(fā)板的D6、D7、D8引腳。

程序下載好后，就可以看到顏色的依次循環(huán)變化。顯示固定顏色的代碼則更簡單，下面以紅燈閃爍為例，紅燈對應腳與Arduino開發(fā)板D6相連，GND腳接地。

     #define red_led 6
     void setup()
     {
     pinMode(6，OUTPUT);
     }
     void loop()
     {
     digitalWrite(6，LOW);
     delay(1000);
     digitalWrite(6，HIGH);
     delay(1000);
     }

（5）歌曲旋律的設(shè)置。

①按如下步驟連接好測試電路。12864液晶顯示屏：其D/I口、R/W口、E口分別與Arduino開發(fā)板的數(shù)字I/O端10、11、13相連，K（-）、CS1及VSS與開發(fā)板GND相連，A（+）、VDD與+5V端口相連；振動傳感器：DO口與開發(fā)板的數(shù)字I/O端口2相連，VCC接5V，GND接地；小直流電機與直流電機驅(qū)動板OA1、OB1相連，兩個引腳無方向；電機驅(qū)動板的A-IA、A-IB口與開發(fā)板的數(shù)字I/O端3、4相連，VCC和GND引腳分別接+5V和地；RGB三色燈的GND端口接地，R、G、B引腳分別接數(shù)字I/O口7、6、8。

②在Arduino IDE中寫入該模塊整體代碼。

③修改測試程序。將代碼內(nèi)設(shè)置每兩拍時間間隔的數(shù)組（這個數(shù)組同時確定了每首曲子的總拍數(shù)）設(shè)到足夠大，以統(tǒng)計足夠的拍數(shù)。以設(shè)置三首歌為例：

     int SingGameArr0[] = {100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100
     100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100};
     int SingGameArr1[] = {100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100
     100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100};
     int SingGameArr2[] = {100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100
     100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100};

④將程序下載到Arduino UNO開發(fā)板上，打開串口監(jiān)視器和音樂播放軟件，選一首節(jié)奏感比較強的歌，選一段旋律，一邊聽一邊敲振動傳感器，如果熟悉要設(shè)置的歌，并且能保證每次敲的節(jié)奏快慢都一樣，那么就不用播放音樂了。

但是，出于準確性的考慮，代碼中設(shè)置每兩拍的時間間隔只有50ms的容錯，總錯拍數(shù)不超過兩個，要求精確度高，所以建議在設(shè)置節(jié)奏時還是聽著歌敲擊。

⑤觀察記錄串口輸出數(shù)據(jù)，對同一段旋律進行多次試驗，對每段旋律統(tǒng)計每兩拍間隔的平均值，記錄的數(shù)據(jù)如表4-4所示。

⑥如果出現(xiàn)只敲一下卻出現(xiàn)一串數(shù)據(jù)的情況，導致每次敲同一段旋律時得到的拍數(shù)不一致，說明這個地方的閾值需要再調(diào)大一點，如圖4-13所示。

⑦統(tǒng)計出全部所需旋律后，修改代碼，將它們填入數(shù)組。

⑧重新下載新代碼，敲擊嘗試。因為有誤差存在，不能每次都驗證成功也是正常的。

一般來說，設(shè)置代碼的人更容易開門成功，因為不同的人對同一段旋律的把握也會有差別，就算敲門的人所敲擊的節(jié)奏實際上是準確的，只要設(shè)置旋律的人聽的旋律節(jié)奏有偏差，即使旋律正確也無法驗證成功。

⑨電路圖。電路圖如圖4-14所示。

2）相關(guān)代碼

3．主程序代碼