作品名称：智能家居及其管理平台的设计与实现
作者姓名：田旭升
班 级：2019级物联网工程5班
指导教师：屈海朋
作品简介：智能家居及其管理平台，智能家居设备通过MQTT协议接入智能家居管理平台，实现对ESP可调光LED灯、ESP远程控制插座、WIFI温湿度传感器、Tasmota智能电表的智能控制和数据动态监测。
该智能家居管理平台具备三个主要功能模块：设备管理、场景自动化和数据可视化。设备管理允许用户自行添加、删除和修改智能家居设备。场景自动化则通过YAML脚本代码实现设备操作和场景切换的自动化执行。数据可视化通过Web仪表盘，方便地监测连接到平台上所有设备的状态和传感器数据信息。此外，该智能家居管理平台支持将不同品牌和类型的智能设备集成到一个中心平台中，从而实现对这些设备的统一控制和管理，并提供了丰富的自动化和可视化功能。
ESP可调光LED灯使用Wemos D1 Mini开发板作为主控制器，LED灯采用多颗高亮度WS2812贴片灯珠焊接而成。实物展示图如图1所示。
图1 ESP可调光LED灯实物图
ESP远程控制插座使用ESP-01S模块作为主控制器，通过ESP-01S的GPIO2引脚来控制继电器的通断来实现远程控制家庭中的电器设备。继电器是一种电控制器件，利用电磁吸引力来控制开关电路。当电流通过继电器的控制线圈时，会在线圈中产生一个磁场，这个磁场会吸引或排斥一个或多个机械开关（称为触点），从而控制电路的通断状态。通过继电器的控制，可以实现高电压、高电流的电路控制，同时还可以将低电平的信号转换为高电平的信号，实现电路的隔离和保护。实物展示图如图2所示。
图2 ESP远程控制插座实物图
WIFI温湿度传感器使用Wemos D1 Mini开发板作为主控制器，温湿度传感器使用DHT11温湿度传感器。DHT11是一种数字式温湿度传感器，采用3.3V电压供电，使用单根总线与单片机进行双向的串行数据传输，信号传输距离可达20m以上。非常适用于对精度和实时性要求不高的温湿度测量场合。当传感器被连接到电源后，即开始自我校准，然后周期性地测量环境温湿度，并将数据以数字信号的形式输出到DATA引脚上。用户可以通过读取DATA引脚上的数据信号，将数字信号转换为温度和湿度值，从而实现对环境温湿度的测量。
WIFI温湿度传感器在硬件电路上使用GPIO2（D4）引脚连接DHT11温湿度传感器的DATA引脚进行数据传输，通过WIFI与MQTT服务器进行通讯，周期性上报当前的温湿度数据。设备物理线路连接图如图3所示。设备实物图如图4所示。
图3 WIFI温湿度传感器线路图 图4 WIFI温湿度传感器实物图
Tasmota智能电表使用NodeMCU开发板作为主控制器，连接培正智能电表（PZEM-004T-100A）模块进行电能数据的计量、采集等工作。PZEM-004T-100A是一款常见的电力监测模块，可测量交流电源的电压、电流、功率等参数，并提供串口输出数据。下面是该模块的一些基本特点：
（1）输入电压范围：80-260VAC
（2）测量电流范围：0-100A
（3）最大功率：22000W
（4）具有电源指示灯和通讯指示灯
（5）具有超载、短路保护功能
（6）数据输出方式：串口通讯
使用PZEM-004T-100A电表模块可以方便地实现家庭电能监测等功能。可以通过NodeMCU开发板等硬件设备读取实时用电数据并且将数据实时上报给MQTT服务器，实现家中实时电能信息的监测作用。
培正智能电表的电源使用了220V转5V/800mA的开关电源，价格便宜，输出稳定，非常适合在电路集成中给单片机等智能设备提供电能。电源模块、PZEM-004T-100A电表模块、交流线圈互感器如图5所示。由于该电表是为了测量家庭整体的用电数据，因此应该将该智能电表安装在家庭电路的入户线路下面，具体安装线路如图6所示。
图5 电表、交流线圈、互感器示图 图6 Tasmota智能电表安装图
智能家居管理平台界面如图7-图16所示。
图7 仪表盘主界面
图8 功率视图仪表盘面板
图9 用电数据信息视图
图10 在家模式 场景效果 图11 离家模式 场景效果
图12 ESP远程控制插座系统测试通电 图13 ESP远程控制插座系统测试断开
图14 WIFI温湿度传感器系统测试温度值 图15 WIFI温湿度传感器系统测试湿度值
图16 Tasmota智能电表系统测试
