基于ESP32的掌上网关智能家居控制设备:集成MQTT、后端Node.js、MongoDB、React(代码示例)

embedded/2024/9/23 6:28:12/

一、项目概述

本项目旨在设计并实现一个基于ESP32的掌上网关智能家居控制设备。该设备可以作为智能家居系统的核心控制单元,实现对家庭中各种智能设备的集中管理和控制。用户可以通过手机APP或Web界面远程操控家中的智能灯、空调、窗帘等设备,还可以设置自动化场景和定时任务,打造一个智能、便捷、舒适的家居环境。

二、系统架构

基于项目需求,我们设计了如下系统架构:

ESP32掌上网关
WiFi模块
蓝牙模块
ZigBee模块
MQTT客户端
MQTT服务器
后端服务器
手机APP
Web界面

主要组件说明:

  1. 核心控制器:ESP32单片机,集成WiFi和蓝牙功能

  2. 通信协议:WiFi、蓝牙、ZigBee用于与各种智能设备通信

  3. 消息队列:MQTT协议用于设备与服务器之间的通信

  4. 后端服务:Node.js实现业务逻辑和数据处理

  5. 数据库:MongoDB存储设备信息和用户数据

  6. 前端界面:React Native开发跨平台手机APP,React开发Web管理界面

三、环境搭建

  1. ESP32开发环境:
  • 安装Arduino IDE

  • 添加ESP32开发板支持

  • 安装必要的库文件(WiFi、BLE、ZigBee等)

  1. MQTT服务器:
  • 安装Mosquitto MQTT Broker

    sudo apt-get install mosquitto mosquitto-clients
    
  1. Node.js后端环境:

    npm init
    npm install express mongoose mqtt
    
  • 安装Node.js和npm

  • 创建项目并安装依赖

  1. MongoDB数据库:
  1. 前端开发环境:
  • 安装React Native CLI

  • 安装React开发工具

四、代码实现

4.1 ESP32固件

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <ArduinoJson.h>const char* ssid = "YourWiFiSSID";
const char* password = "YourWiFiPassword";
const char* mqtt_server = "YourMQTTServerIP";WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);void setup_wifi() {delay(10);Serial.println("Connecting to WiFi..");WiFi.begin(ssid, password);while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {delay(500);Serial.print(".");}Serial.println("WiFi connected");
}void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {StaticJsonDocument<200> doc;deserializeJson(doc, payload, length);String device = doc["device"];String action = doc["action"];if (device == "light") {if (action == "on") {digitalWrite(LED_PIN, HIGH);} else if (action == "off") {digitalWrite(LED_PIN, LOW);}}// 处理其他设备...
}void reconnect() {while (!client.connected()) {Serial.print("Attempting MQTT connection...");if (client.connect("ESP32Client")) {Serial.println("connected");client.subscribe("home/devices/#");} else {Serial.print("failed, rc=");Serial.print(client.state());Serial.println(" try again in 5 seconds");delay(5000);}}
}void setup() {Serial.begin(115200);setup_wifi();client.setServer(mqtt_server, 1883);client.setCallback(callback);
}void loop() {if (!client.connected()) {reconnect();}client.loop();float temperature = readTemperature();float humidity = readHumidity();StaticJsonDocument<200> doc;doc["temperature"] = temperature;doc["humidity"] = humidity;char buffer[256];serializeJson(doc, buffer);client.publish("home/sensors", buffer);delay(5000);
}

代码说明:

  1. 首先引入必要的库:WiFi、PubSubClient(MQTT客户端)和ArduinoJson。

  2. 定义WiFi和MQTT服务器的连接信息。

  3. setup_wifi()函数用于连接WiFi网络。

  4. callback()函数处理接收到的MQTT消息,解析JSON数据并执行相应的操作。

  5. reconnect()函数用于重新连接MQTT服务器。

  6. setup()函数初始化串口、WiFi连接和MQTT客户端。

  7. loop()函数中持续检查MQTT连接,读取传感器数据并发布到MQTT主题。

4.2 Node.js后端服务

const express = require('express');
const mongoose = require('mongoose');
const mqtt = require('mqtt');const app = express();
const port = 3000;mongoose.connect('mongodb://localhost/smart_home', { useNewUrlParser: true, useUnifiedTopology: true });const Device = mongoose.model('Device', {name: String,type: String,status: String
});const client = mqtt.connect('mqtt://localhost');client.on('connect', () => {console.log('Connected to MQTT server');client.subscribe('home/sensors');
});client.on('message', (topic, message) => {console.log(`Received message on topic ${topic}: ${message.toString()}`);if (topic.startsWith('home/devices/')) {const deviceName = topic.split('/')[2];const status = JSON.parse(message.toString()).status;updateDeviceStatus(deviceName, status);} else if (topic === 'home/sensors') {const data = JSON.parse(message.toString());saveSensorData(data);}
});async function updateDeviceStatus(name, status) {try {await Device.findOneAndUpdate({ name }, { status }, { upsert: true });console.log(`Updated status for device ${name}`);} catch (error) {console.error('Error updating device status:', error);}
}function saveSensorData(data) {// 实现数据保存逻辑,例如存入数据库console.log('Sensor data received:', data);
}app.use(express.json());app.get('/devices', async (req, res) => {try {const devices = await Device.find();res.json(devices);} catch (error) {res.status(500).json({ error: 'Error fetching devices' });}
});app.post('/control', (req, res) => {const { device, action } = req.body;const message = JSON.stringify({ device, action });client.publish(`home/devices/${device}`, message);res.json({ success: true, message: 'Command sent' });
});app.listen(port, () => {console.log(`Server running on port ${port}`);
});

代码说明:

  1. 使用Express框架创建Web服务器。

  2. 通过Mongoose连接MongoDB数据库,并定义Device模型。

  3. 连接MQTT服务器并订阅相关主题。

  4. 实现MQTT消息处理逻辑,包括更新设备状态和保存传感器数据。

  5. 定义API路由:

  • GET /devices:获取所有设备信息

  • POST /control:发送控制命令到指定设备

  1. 启动服务器监听指定端口。

4.3 React Native移动应用

import React, { useState, useEffect } from 'react';
import { View, Text, FlatList, TouchableOpacity, StyleSheet } from 'react-native';
import axios from 'axios';const API_URL = 'http://your-backend-url:3000';const App = () => {const [devices, setDevices] = useState([]);useEffect(() => {fetchDevices();}, []);const fetchDevices = async () => {try {const response = await axios.get(`${API_URL}/devices`);setDevices(response.data);} catch (error) {console.error('Error fetching devices:', error);}};const controlDevice = async (device, action) => {try {await axios.post(`${API_URL}/control`, { device, action });fetchDevices(); // 刷新设备列表} catch (error) {console.error('Error controlling device:', error);}};const renderDevice = ({ item }) => (<View style={styles.deviceItem}><Text>{item.name} - {item.status}</Text><View style={styles.buttonContainer}><TouchableOpacitystyle={styles.button}onPress={() => controlDevice(item.name, 'on')}><Text>开启</Text></TouchableOpacity><TouchableOpacitystyle={styles.button}onPress={() => controlDevice(item.name, 'off')}><Text>关闭</Text></TouchableOpacity></View></View>);return (<View style={styles.container}><Text style={styles.title}>智能家居控制</Text><FlatListdata={devices}renderItem={renderDevice}keyExtractor={item => item.name}refreshing={false}onRefresh={fetchDevices}/></View>);
};const styles = StyleSheet.create({container: {flex: 1,padding: 20,backgroundColor: '#f5f5f5',},title: {fontSize: 24,fontWeight: 'bold',marginBottom: 20,textAlign: 'center',},deviceItem: {backgroundColor: 'white',padding: 15,borderRadius: 10,marginBottom: 10,elevation: 3,},buttonContainer: {flexDirection: 'row',justifyContent: 'space-around',marginTop: 10,},button: {backgroundColor: '#007AFF',padding: 10,borderRadius: 5,width: 80,alignItems: 'center',},
});export default App;

代码说明:

  1. 使用React Hooks(useState和useEffect)管理组件状态和副作用。

  2. fetchDevices函数从后端API获取设备列表。

  3. controlDevice函数发送控制命令到后端。

  4. renderDevice函数渲染每个设备项,包括设备名称、状态和控制按钮。

  5. 使用FlatList组件高效渲染设备列表,支持下拉刷新功能。

  6. 使用StyleSheet创建样式,使界面美观易用。

4.4 React Web管理界面

import React, { useState, useEffect } from 'react';
import axios from 'axios';
import './App.css';const API_URL = 'http://your-backend-url:3000';function App() {const [devices, setDevices] = useState([]);const [sensorData, setSensorData] = useState(null);useEffect(() => {fetchDevices();fetchSensorData();const interval = setInterval(fetchSensorData, 5000);return () => clearInterval(interval);}, []);const fetchDevices = async () => {try {const response = await axios.get(`${API_URL}/devices`);setDevices(response.data);} catch (error) {console.error('Error fetching devices:', error);}};const fetchSensorData = async () => {try {const response = await axios.get(`${API_URL}/sensors`);setSensorData(response.data);} catch (error) {console.error('Error fetching sensor data:', error);}};const controlDevice = async (device, action) => {try {await axios.post(`${API_URL}/control`, { device, action });fetchDevices();} catch (error) {console.error('Error controlling device:', error);}};return (<div className="App"><h1>智能家居管理系统</h1><div className="device-list"><h2>设备列表</h2>{devices.map(device => (<div key={device.name} className="device-item"><span>{device.name} - {device.status}</span><div className="device-controls"><button onClick={() => controlDevice(device.name, 'on')}>开启</button><button onClick={() => controlDevice(device.name, 'off')}>关闭</button></div></div>))}</div>{sensorData && (<div className="sensor-data"><h2>传感器数据</h2><p>温度: {sensorData.temperature}°C</p><p>湿度: {sensorData.humidity}%</p></div>)}</div>);
}export default App;

CSS样式(App.css):

.App {max-width: 800px;margin: 0 auto;padding: 20px;font-family: Arial, sans-serif;
}h1, h2 {text-align: center;
}.device-list {margin-bottom: 30px;
}.device-item {display: flex;justify-content: space-between;align-items: center;background-color: #f0f0f0;padding: 10px;margin-bottom: 10px;border-radius: 5px;
}.device-controls button {margin-left: 10px;padding: 5px 10px;background-color: #007bff;color: white;border: none;border-radius: 3px;cursor: pointer;
}.sensor-data {background-color: #e9ecef;padding: 15px;border-radius: 5px;
}

代码说明:

  1. 使用React Hooks管理组件状态和副作用。

  2. fetchDevices函数获取设备列表,fetchSensorData函数获取传感器数据。

  3. 使用useEffect在组件挂载时获取数据,并设置定时器定期更新传感器数据。

  4. controlDevice函数发送控制命令到后端。

  5. 渲染设备列表,每个设备项显示名称、状态和控制按钮。

  6. 显示最新的传感器数据(温度和湿度)。

  7. 使用CSS样式美化界面,提高用户体验。

五、项目总结

本项目成功设计并实现了一个基于ESP32的掌上网关智能家居控制设备。通过整合多种技术和组件,我们构建了一个功能完整、灵活可扩展的智能家居系统。以下是项目的主要成果和特点:

  1. 核心功能实现:
  • 设备控制:用户可以通过移动应用或Web界面远程控制家中的智能设备。

  • 状态监控:实时显示各设备的当前状态。

  • 环境感知:通过传感器采集并展示温度、湿度等环境数据。

  1. 技术栈整合:
  • 硬件层:采用ESP32作为核心控制器,集成WiFi、蓝牙等通信模块。

  • 通信协议:使用MQTT实现设备与服务器之间的高效通信。

  • 后端服务:基于Node.js构建,处理业务逻辑和数据管理。

  • 数据存储:使用MongoDB存储设备信息和传感器数据。

  • 前端应用:开发了React Native移动应用和React Web管理界面,提供直观的用户交互。

  1. 可扩展性:
  • 模块化设计使得系统易于扩展,可以方便地添加新的设备类型和功能。

  • 采用标准化的通信协议,便于与其他智能家居系统集成。

  1. 用户体验:
  • 提供了移动应用和Web界面两种交互方式,满足不同场景的使用需求。

  • 实时更新设备状态和环境数据,确保用户随时掌握家居情况。

  1. 未来展望:
  • 增强安全性:实现端到端加密和用户认证机制。

  • 智能化提升:引入机器学习算法,实现智能场景联动和个性化推荐。

  • 语音控制:集成语音识别技术,支持语音命令控制设备。

  • 能源管理:添加能耗监测和分析功能,助力节能减排。

通过本项目,我们不仅实现了一个功能完备的智能家居控制系统,还积累了物联网、嵌入式系统、Web开发等多个领域的实践经验。这个项目为今后开发更复杂、更智能的家居系统奠定了坚实的基础。


http://www.ppmy.cn/embedded/92335.html

相关文章

iOS学习笔记总结版

iOS学习笔记 文章目录 iOS学习笔记Xcode环境配置基础语法.h 声明文件.m 实现文件WKScriptMessageHandler实现js调用原生方法修饰符语法NSString常用操作NSMutableNStringNSDictionaryNSMutableDictionaryNSArrayNSMutableArrayNSUserDefault 全局变量常用方法dispatch_async 功…

2.如何定制 Dcat-admin list 中显示的信息

操作在xxxController.php文件中的 protected function grid() 中进行 定制显示的内容 protected function grid(){return Grid::make(new Robot(), function (Grid $grid) {// ->sortable() 新增一个排序的按钮在列标题中$grid->column(id)->sortable();// 正常字符…

# 基于MongoDB实现商品管理系统(2)

基于MongoDB实现商品管理系统&#xff08;2&#xff09; 基于 mongodb 实现商品管理系统之准备工作 1、案例需求 这里使用的不是前端页面&#xff0c;而是控制台来完成的。 具体的需求如下所示&#xff1a; 运行 查询所有 通过id查询详情 添加 - 通过id删除 2、案例分析 程…

[Git][多人协作][下]详细讲解

目录 1.不同分支下多人协作2.远程分⽀删除后&#xff0c;本地git branch -a依然能看到 1.不同分支下多人协作 ⼀般情况下&#xff0c;如果有多需求需要多⼈同时进⾏开发&#xff0c;是不会在⼀个分⽀上进⾏多⼈开发&#xff0c;⽽是⼀个需求或⼀个功能点就要创建⼀个feature分…

科普文:万字细说微服务及其框架Netflix,Spring Cloud,Spring Cloud Alibaba梳理

概叙 微服务&#xff08;Microservices&#xff09;是一种软件架构风格&#xff0c;它将单一的应用程序拆分为多个小的服务&#xff0c;每个服务都是独立运行和部署的。每个微服务通常只专注于一个业务功能&#xff0c;具有自己的数据存储&#xff0c;并且通过轻量级的通信机制…

线性代数课程介绍

一、课程概述 线性代数课程内容丰富&#xff0c;主要围绕向量、矩阵和线性变换等核心概念展开&#xff0c;旨在培养学生的空间直观和想象能力、抽象思维和逻辑推理能力。线性代数是理工科大学生必修的数学基础课之一&#xff0c;也是硕士研究生入学全国统一考试中必考的数学…

Ubuntu文件操作(文件系统结构、磁盘管理)

一、文件系统结构 1、根目录“/” 根目录&#xff08;Root Directory&#xff09;是计算机文件系统中的顶级目录&#xff0c;位于文件系统的树形结构的最上层。在Linux系统中&#xff0c;根目录的路径是“/”&#xff0c;是整个文件系统的起始点。所有的目录都是由根目录衍生…

「测试线排查的一些经验-上篇」 后端工程师

文章目录 端口占用脚本失灵线上部署项目结构模版配置文件生效 一般产品研发过程所使用的环境可分为&#xff1a; 研发环境-dev测试环境-test生产环境-prod 软件开发中&#xff0c;完整测试环境包括&#xff1a;UT、IT、ST、UAT UT Unit Test 单元测试 IT System Integration …