基于ESP32的远程开关灯控制(ESP32+舵机+Android+物联网云平台)

材料+环境准备

本身这个东西不难做，网上也有了很多的实现案例，没什么技术难度，但是有一定的实用效果。
本设计分为三个部分：ESP32（硬件）、Android、阿里云

物理材料

esp32开发板：控制核心、网络连接
舵机（SG90-180°）：用于控制拨动开关实现开关灯
杜邦线：连接模块或者进行跳线接线
供电部分：考虑供电部分的话，需要锂电池、充放电模块、电烙铁等焊接工具。
扩展：超声波模块，用于检测是否有人进入，或者实现夜间回家自动开灯等。

软件环境

esp32 arduino开发环境，需要设置首选项，json、下载esp32开发板的包（耗时长，可能失败），网上有一些离线安装的方法教程可以参考。
esp32 esp-idf框架，这个也是一个esp32的开发环境，可以在vscode上集成，听说用起来很方便，和arduino二选一即可，我目前用的arduino，配置好了esp-idf框架还未使用（感觉编译要太长的时间了。。。。）
android studio：用于开发android软件，方便调试，自己开发具有更高的扩展性，方便连接到云平台，这个需要一定的基础，最好以前弄过，不然搭环境下软件也挺费时间。
阿里云：主要也是为了实现无距离限制控制，这就是上云的好处，此外也可以实现，如果不在家，有人进了房子配合超声波或者激光实现提醒入侵检测的功能。此外也许也可以通过其他的物联网平台和对应的app实现远程控制，比如电灯科技还可以加入米家，实现小爱语言远程控制，但是相对而言可扩展性小。

物联网平台配置（MQTT）

首先要介绍云平台是因为其他两个部分都需要连接到云平台，所以这里的配置有限，另外就是介绍mqtt协议进行介绍，方便理解后续代码的含义。

MQTT

八股文我就不说了，直接说大概实现的原理和通讯的过程。
条件：设备联网可以使用mqtt协议、云平台（中间做消息流转）
云平台首先要创建产品、创建设备，产品可以理解为一个类，设备是实现的子类，这些子类可以有一些共同的特性，这是产品里面定义的。一个设备就是对应实际的一个物理设备，创建好设备后，会有对应的密码、设备名称、ID之类的一些标志，用来将你的设备连接到云平台。这应该就是mqtt协议中规定好的。
MQTT是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议。发布就是指发布消息，你发布消息给云平台，或者云平台发布给你。订阅就是你订阅某一个主题（topic），这样云平台就可以通过这个主题来给你发布消息。
消息流转：设备和云平台可以通过订阅和发布的方式进行消息传递，但是设备和设备之间无法直接进行通讯，需要通过云平台来进行中间消息转发。这个是通过云平台实现的，云平台设置即可，无需代码实现。

阿里云平台配置

本次设计是通过阿里云物联网平台实现相应的功能。
阿里云物联网平台
注册登录，阿里云物联网平台提供免费的公共实例可以试用。

创建产品

产品创建

添加设备

然后为对应产品添加设备，需要添加两个设备，一个是esp32的，一个是手机app的。
在这里插入图片描述
创建好设备后可以查看设备，里面有相关的连接信息。
mqtt连接信息
这些信息都需要在后续中使用，届时进行查看复制进入对应代码区即可。

自定义topic

注：产品可以设置物理模型，设置一些共有属性，这样物联网平台也可以进行控制和查看对应的属性，设置好物理模型后，会有专门对应的topic进行发送相关属性的消息，但同样也包含了一些其他无关信息，为了方便我可以可以自定义topic，这些操作都需要在产品中区定义实现。
定义topic类可以自己命名topic，并选择类型，发布还是订阅，或者两个都选，订阅的话表示这个主题是用来订阅的，也就是设备订阅了这个主题后，可以从云台中看到，并通过这个订阅发布消息。
发布的主题指的就是设备用来发布消息的，将消息传递至云平台的topic。
如果不需要向云平台发布消息，可以不进行定义，产品中需要手机向云平台发布开灯消息，所以需要进行定义。
我定义了两个主题一个是舵机的，一个是超声波，主要是想实现两个功能，都是基于发布和订阅的，这有利有弊，比较方便吧。

区别可以从下面的例子中看出来
我的设备定义了三个topic，分别是物理模型，自带的一个属性设置的topic，两个自定义topic
在这里插入图片描述
产品物理模型自带的topic
默认属性主题
可以看到自带的主题的操作权限，只有订阅，也就是设备用来订阅，无法进行发布，这样在设备列表中订阅的topic中无法实现发布消息功能，而另外两个自定义主题由于设置了发布和订阅，所以订阅后，同时也可以进行消息发布。

本节的主要目的创建产品，创建对应的自定义主题，创建两个设备获取连接信息，用于设备进行mqtt通讯连接。

esp32配置

本节主要介绍esp32的配置和物理设备的接线。

接线

首先看接线，由于用到超声波，需要的也是5v的电压供电，但是开发板只有一个5V口，此外还要和充放电模块接线，所以这里肯定需要将几根线剪开连接起来，并用电工胶带绑好。
如果你只有一个就直接用杜邦线就可以，但是考虑供电也需要接线，或者找一个带usb口的充放电模块，这样直接用usb供电给开发板也可以。
如果自行设计PCB自然就会更方便，初步测试时就没有打板。

代码

现阶段，代码非常简单，因为有很多的封装库实现，所以控制代码调用函数就可以，设置都不用去管什么pwm控制，设置占空比什么什么的，非常方便，esp32和esp8266这些arduino的都是一样的，确实是加快了开发进程。
控制代码非常简单，主要就是上云，连接到阿里云了。
以下就是完整代码
主要包含功能：
ESP32连接wifi
初始化舵机（控制信号线），控制舵机(设置角度)
超声波测距，并自动开关灯（根据时间） getDistance()
上报（到云）人员经过超声波检测的时间，可以进行记录查看到有人进出房间的时间
(超声波这部分代码注销了，原因有很多，一个是不便调试，另外超声波的布置位置很不方便，也容易导致误触，线长的问题，另外就是房间的问题，不便部署，激光模块效果更优)
阿里云mqtt通讯连接的代码，回调处理代码，就是接收到云平台的订阅消息时做出的逻辑处理
aliyun_callback()
还有连接和订阅操作，这些都比较简单调用函数即可，这里的回调中实现了两种方式，一种是基于产品的物理模型提供的topic进行订阅和操作，一个是自定义的进行操作，自定义的topic相对比较简单。

#include <WiFi.h>
#include <ESP32Servo.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <ArduinoJson.h>

#include <NTPClient.h>
#include <WiFiUdp.h>
#include <time.h> // 用于时间处理

// 定义 NTP 客户端
WiFiUDP ntpUDP;
NTPClient timeClient(ntpUDP, "pool.ntp.org", 8 * 3600, 60000); 
// 使用 pool.ntp.org 服务器，时区偏移为 8 小时（东八区）

// WiFi配置
const char* ssid = "*****";//wifi名称
const char* password = "******";//wifi密码

// 阿里云物联网平台配置
const char* mqtt_server = ""; // 替换为你的阿里云IoT endpoint
const char* mqtt_username = ""; // 替换为你的设备名称和产品Key
const char* mqtt_password = ""; // 替换为你的设备密钥
const char* mqtt_client_id = ""; // 替换为你的客户端ID
// esp32_601
// MQTT主题
const char* servo_topic = ""; // 替换为你的舵机控制主题
const char* person_detected_topic = ""; // 替换为你的人员检测主题

WiFiClient espClient;               //创建网络连接客户端
PubSubClient mqttClient(espClient); //通过网络客户端连接创建mqtt连接客户端

// 舵机引脚
const int servoPin = 27;
Servo myServo;

//调试后的固定开关等角度值
const int light_off = 112;
const int light_on = 72;
// 这两个值需要自己进行调试，此外我设置的是90°的时候舵机是横向的
// 超声波引脚
const int trigPin = 25;
const int echoPin = 26;

// led引脚
const int led0Pin = 2;
//板载led可以用来调试观察现象
// 初始化LED
void setupLED() {
  pinMode(led0Pin, OUTPUT);
  digitalWrite(led0Pin, LOW);  // 初始状态为关闭
}

// 初始化舵机
void setupServo() {
  myServo.attach(servoPin); // 将舵机连接到指定引脚
  myServo.write(90);        // 初始角度设为90度
}

// 初始化超声波传感器
void setupUltrasonic() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

// 超声波测距函数
float getDistance() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH); // 读取回波时间
  float distance = duration * 0.034 / 2;  // 计算距离（单位：厘米）
  return distance;
}

//初始化连接wifi
void setup_wifi() {
  delay(10);
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }

  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

void aliyun_callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message arrived [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();
  //上面是打印接收到的订阅信息，调试用
  // 处理舵机控制消息 --- 物理模型版本
  // if(strcmp(topic, "/sys/${}/${设备名}/thing/service/property/set")== 0){
  //   // 将 payload 转换为字符串
  //   char message[length + 1];
  //   memcpy(message, payload, length);
  //   message[length] = '\0'; // 添加字符串结束符
  //   Serial.println(message);
  //   // 解析 JSON 数据
  //   StaticJsonDocument<200> doc; // 根据 JSON 数据大小调整缓冲区大小
  //   DeserializationError error = deserializeJson(doc, message);
  //   // 检查解析是否成功
  //   if (error) {
  //       Serial.print("Failed to parse JSON: ");
  //       Serial.println(error.c_str());
  //       return;
  //   }
  //   // {"method":"thing.service.property.set","id":"1107300794","params":{"servo":1},"version":"1.0.0"}   这是物理模型消息模板，真正需要的数据就是{"servo":1}
  //   // 提取 JSON 字段
  //   int servo_angle = doc["params"]["servo"]; // 获取 command 字段
  //   // int angle = doc["angle"];             // 获取 angle 字段
  //   // int duration = doc["duration"];       // 获取 duration 字段
  //   myServo.write(servo_angle);//设置角度
  // }
  // 处理舵机控制消息  自定义模型，自己定义主题topic和解析，比较简单方便，不需要多余的处理
  if (strcmp(topic, servo_topic) == 0) {
    //获取消息  获取设置值
        // 将字节数组转换为字符串
    char payloadStr[length + 1];  // 加1是为了加上字符串结束符 '\0'
    memcpy(payloadStr, payload, length);
    payloadStr[length] = '\0';  // 确保字符串结束
    // 假设 payloadStr 是一个整数的文本格式  消息体内容只有舵机的设置参数为纯数字
    int intValue = atoi(payloadStr);
    Serial.print("Received integer value: ");
    Serial.println(intValue);
    if(intValue>=0 && intValue<=180){
      myServo.write(intValue); // 控制舵机转动到90度
      delay(500);
      myServo.write(90);//设置完后自动调整为90,这样不会卡住手动拨动灯开关
    }
      
  }
}

void reconnect() {
  while (!mqttClient.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    if (mqttClient.connect(mqtt_client_id, mqtt_username, mqtt_password)) {
      Serial.println("connected");
      mqttClient.subscribe(servo_topic);
      mqttClient.subscribe(person_detected_topic);//连接成功后订阅主题，这样才能接收到消息
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(mqttClient.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      delay(5000);
    }
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  setupLED();
  setupServo();          // 初始化舵机
  setupUltrasonic();     // 初始化超声波传感器
  setup_wifi();         //初始化连接wifi
  // 初始化 NTP 客户端
  timeClient.begin();
  timeClient.update(); // 获取时间
  //mqtt 初始化配置
  mqttClient.setServer(mqtt_server, 1883);
  mqttClient.setCallback(aliyun_callback);
}

void loop() {
  if (!mqttClient.connected()) {
    reconnect();
  }
  mqttClient.loop();

  // 主循环中可以添加其他逻辑
  // 固件升级  先不考虑
  // 检测到有人进入 --两种情况，无人，报警
  // 检测有人进入，上报时间，获取时间并上报，同时根据时间判断是否开灯
  // float distance = 0;
  // distance = getDistance();未进行测量似乎结果为不确定的？不为0，不对可能为0
  // Serial.println("当前距离: " + String(distance));
  // if(distance < 50 && distance > 0){ //超声波
  //   //有人经过
  //   //获取时间
  //   // 更新 NTP 时间
  //   timeClient.update();
  //   // 获取当前小时数（24小时制）
  //   int currentHour = timeClient.getHours();
  //   if(currentHour >= 18 || currentHour < 7) { // 如果是18点（即下午6点）以后或早上6点之前
  //     myServo.write(light_on);
  //     Serial.println("It's evening or night, turning the light on.");
  //     delay(500);
  //     myServo.write(90);
  //   } else {
  //     // digitalWrite(ledPin, LOW); // 关灯
  //     myServo.write(light_off);
  //     Serial.println("It's daytime, turning the light off.");
  //     delay(500);
  //     myServo.write(90);
  //   }

  //   //上报消息
  //   unsigned long epochTime = timeClient.getEpochTime();
  //   // 将 Unix 时间戳转换为格式化字符串时间
  //   time_t rawTime = (time_t)epochTime;
  //   struct tm *ptm = gmtime(&rawTime);
  //   char timeStr[30];
  //   strftime(timeStr, sizeof(timeStr), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", ptm);  
  //   // 打印完整的时间字符串
  //   Serial.print("Current date and time: ");
  //   Serial.println(timeStr);
  //   // 发布人员检测消息
  //   String message = "Person detected at " + String(timeStr);
  //   mqttClient.publish(person_detected_topic, message.c_str());
  // }

  delay(200); // 延时20m秒
}

代码中都有详细的注释，不懂可以评论区留言。

// 阿里云物联网平台配置
const char* mqtt_server = ""; // 替换为你的阿里云IoT endpoint
const char* mqtt_username = ""; // 替换为你的设备名称和产品Key
const char* mqtt_password = ""; // 替换为你的设备密钥
const char* mqtt_client_id = ""; // 替换为你的客户端ID
// esp32_601
// MQTT主题
const char* servo_topic = ""; // 替换为你的舵机控制主题
const char* person_detected_topic = ""; // 替换为你的人员检测主题

这些就是上一节提到的创建设备时，可以查阅的相关连接参数，以及创建产品的时候自定义的消息topic

注意、踩坑： 这里有一个需要注意的地方就是主题这里，从云平台复制出来的主题，往往包含${deviceName}这个部分，这里需要替换为你对应的设备名称，记住是设备名称别复制错了。

/*********/${deviceName}/user/person_detect
假如你的设备名称是esp32
替换为
/*********/esp32/user/person_detect

另外回调函数中的处理

  // 处理舵机控制消息  自定义模型，自己定义主题topic和解析，比较简单方便，不需要多余的处理
  if (strcmp(topic, servo_topic) == 0) {

这里就是判断，到来的消息是哪个主题的，是否为舵机控制主题的，是才进入舵机主题消息的解析，因为发布的消息可能有别的主题的消息，不判断直接解析可能会出错，不同的topic的解析也不一样，因为数据内容可能不一样。

Android部分和云平台数据流转

剩下的部分就下一篇再介绍吧，码字不易，点个赞吧，有什么问题欢迎评论区留言。
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