基于EMW3080的阿里云物联网智能插座

目录

一、实物展示

二、APP展示

三、服务器端展示

四、项目需求

五、产品需求

六、元器件选型及模块功能说明

七、功能描述

八、布局布线设计

九、大型翻车~~（调试）~~现场

十、在阿里云生活物联网平台创建一个项目

十一、有待改进之处

####十二、小结
####十三、视频演示(4个)

一、实物展示

二、APP展示

三、服务器端展示


四、项目需求

  设计一个能通过手机APP和天猫精灵控制家电及板载LED灯的电路板。

五、产品需求

  5.1 5V给整个系统供电，并利用稳压芯片产生3.3V稳定电压给特定芯片供电；

  5.2  硬件部分包含电源稳压、WIFI模块、OLED、USB转TTL模块、继电器、驱动芯片、单片机、按键、LED等；

  5.3  嵌入式软件编程、手机APP、服务器等。

六、元器件选型及模块功能说明

6.1 主控芯片

  选择型号为STC15W4K56S4，该芯片有56Kb用来存储程序的ROM，4Kb的数据存储器RAM，拥有丰富资源，足以解决本项目的主控问题。

6.2 WIFI模块

  选择庆科生产的EMW3080模组，板载天线，免去外接天线的麻烦，并且它支持阿里云飞燕（ILOP）固件，有官方技术手册可以参考，性能基本能满足本工程，而且价格比较便宜。EMW3080购买地址，固件选择阿里飞燕，型号选择EMW3080V2P（板载天线）

6.3 USB转TTL芯片

  选择CH340E，并在VCC引脚加100uf的去耦合的钽电容，以提供芯片强劲的电流，防止继电器打开瞬间CH340E复位。在TXD端330Ω电阻是防止TXD的电流倒灌到单片机的RXD，使单片机可以正常复位。

6.4 LDO低压差线性稳压器

  选择ME6215C33M5G和AMS1117-3.3分别给单片机和EMW3080模组供电，保证各通信模块正常工作。ME6215C33M5G带有使能引脚，加上一个按键即可实现系统复位。AMS1117-3.3最大可输出电流1A，足以给正常通信时的WIFI模组供电。【AMS1117-3.3的2脚和4脚内部是连在一起的】

6.5 继电器及其驱动电路

  继电器选择汇科的DC5V，由于单片机的普通IO口默认上电输出高电平，但我们希望开始上电时，继电器是关闭的，故给IO口接入一个反相器，并加入一个专用于驱动继电器的NUD3124LT1G芯片，确保继电器可靠驱动。

####  继电器的工作说明：2脚和5脚是常闭端，1脚和5脚是常开端。继电器被打开后，磁力将铁片吸合到1脚，变成1、5导通（即接线端子P2导通），2、5断开：

6.6 OLED显示屏

  选择中景园4脚IIC驱动的OLED,配有详细Demo，便于移植不同的平台。

6.7 温湿度模块

  采用DHT11模块，自带上拉电阻，无需外加。该模块传输距离长，低功耗，体积小，精度足够，价格低廉，发送和读取数据仅占用单片机的一个IO口，占用资源少。

6.8  独立按键

  使用立创商城的3*6*5贴片轻触开关。

  SW2点动用于控制继电器开关状态，长按进入配网模式。另外额外添加2个按键，用于点动控制2个LED的亮灭，需要在程序中将按键的数量改为3，并且增加SW3、SW4点动的业务。

6.9 LED

  使用贴片式的LED，封装为0805，较为好焊。

  LED用途很多，可以在调试过程中与串口printf一起debug。本项目中，4个OLED的作用分别为：

  LED1：慢闪表示程序正常运行；快闪表示正在配网；

  LED2、LED3：用来被按键或APP控制亮灭；

  LED4：快闪表示配网成功。

七、功能描述

7.1 板载4颗轻触按键，对电路进行控制：

  SW1控制系统复位；

  SW2短按控制继电器的开关，并上报继电器的开关状态和DHT11读取到的温湿度给服务器和APP，长按则进行配网；

  SW3控制LED2的亮灭，并把亮灭状态上传到服务器和APP；

  SW4控制LED3的亮灭，并把亮灭状态上传到服务器和APP。

7.2 一键配网

  板子第一次上电前，在阿里云物联网官网产品配网引导设置为一键配网，上电后，板载LED1慢闪表明程序正常执行，长按SW2，LED1快闪，进入配网模式，使用手机APP进行扫码配网即可，成功配网后，LED4快闪，LED1恢复慢闪，此后重新上电时会自动配网，无需长按SW2。

7.3 数据互动

  板子联网成功后，APP、服务器云端、真实设备可实时互动，在服务器网页设置好APP配置面板后，单片机通过DHT11读取到的温湿度可以显示在OLED上，并按时上报温湿度数据、继电器开关状态、2颗LED的亮灭的状态，也可以通过按键触发即时上报。APP和云端会接收到对应的数据进行显示，并且用户可以查看数据表格、图表等进行结果分析。APP也可以控制继电器、LED灯的开关。

7.4 接入天猫精灵控制

  首先从云智能APP删除已绑定设备（长按SW2进入配网模式时，会自动解绑，然后配网），并将EMW3080配置为一键配网模式，天猫精灵也与连接上与前者一样的WIFI。之后通过语音“天猫精灵，找队友”，此时板子同步长按SW2进入配网模式，大概几秒后天猫开始配网，十几秒后配网成功。

####  通过语音“天猫精灵，打开插座”，即可打开小风扇；
####  通过语音“天猫精灵，关闭插座”，即可关闭小风扇。

八、布局布线设计

8.1 强电部分

  强电部分不铺铜，这部分往往是有高的电压，和强的电流，有强的电磁场，容易带来干扰，也容易造成电压击穿，或电流烧毁，是PCB板上的危险部位，高压走线要处理好绝缘及隔离，为防止击穿，有的地方PCB板上可以挖空，挖槽，加长路径，还要考虑爬电等，在电流较大的布线要粗：

                图8-1-1 强电部分注意事项

8.2 USB-Micro接口及CH340E芯片

  采用挖槽型USB口，尽量贴近板子边缘，便于进行插接；USB口和CH340E的D+、D-数据线，须采用差分走线，并走线距离尽量短。在立创EDA中采用差分走线，相邻差分线的命名的后缀需要添加**“+”和“-”或者是xx_N和xx_P**，系统才能识别：

            图8-2-1 差分走线

8.3  滤波电容

  电源VCC要先经过滤波电容再到达需要用到电的模组，否则可能会导致供电不稳定，模组不能正常工作。如下图，从USB口过来的VCC不能直接连绿色的线到达3.3V稳压芯片,要根据橙色的路线连线，电容才可以起到作用，其他部分同理：


                图8-3-1 滤波电容的正确利用

8.4 WIFI模块

  EMW3080附近需要净空区，尽量不要铺铜和放置元器件，并且把板载天线部分伸出板子外面，尽可能降低外部因素对WIFI通信的干扰：


            图8-4-1 WIFI模块在布线时的注意事项

8.5 线宽、铜厚与电流的关系

  设计中需要注意那个部分通过的电流比较大，需要参考下表进行线宽的修改：

                图8-5-1 合理参考电流与线宽、铜厚关系表格

8.6 合理放置丝印，便于后期焊接调试

         图8-6-1 用丝印标注参数

8.7 焊接时，注意芯片的方向的标志，避免焊反

                                图8-7-1 注意防焊反

8.8 PCB的DRC检查

                  图8-8-1 无DRC错误

九、大型翻车~~（调试）~~现场

9.1  测试电源

  画完PCB、嘉立创打样、立创商城BOM表下单后，板子、元器件都到了，第一步先把USB接口、LED灯和它的限流电阻、两个3.3V稳压芯片给焊上，并测试电压值，基本稳在3.3V左右，核心电源部分OK：


                图9-1-1 ME6215C33M5G成功输出3.28V


                图9-1-2 AMS1117-3.3成功输出3.29V

9.2  测试LED及单片机

  把剩余部分焊好，用万用表蜂鸣档测试电路有无短路、虚焊，然后想测试下载进去的程序是否正常运行：

```

    LED1 = 0 ;   LED2 = 0 ;

    LED3 = 0 ;   LED4 = 0 ; //函数主体部分

```

  正常来说，四个灯都会亮，因为LED的正极连到了3.3V，负极连到IO口，IO口给低电平，LED导通，但程序烧录完成后，发现只有LED3和LED4亮， LED1和LED2是熄灭的状态。用万用表检测完LED并没有焊坏后，查看原理图和手册后，发现连在LED1和LED2的两个引脚都是单片机的PWM输出引脚，上电复位后是高阻输入状态，要对外能输出，要软件将其改为强推挽输出或准双向口/弱上拉。


                图9-2-1 LED1、LED2对应的引脚


                图9-2-2 PWM输出引脚默认为高阻输入状态


                图9-2-3 STC15W4K56S4 IO口模式设置

  这里，我将全部IO口初始化为普通IO口（准双向口），重新烧录程序，成功点亮所有LED灯：

```

    P0M1=0;P0M0=0;P1M1=0;P1M0=0;

    P2M1=0;P2M0=0;P3M1=0;P3M0=0;

    P4M1=0;P4M0=0;P5M1=0;P5M0=0;   //上电初始化所有IO口为普通IO

    LED1 = 0 ;   LED2 = 0 ;

    LED3 = 0 ;   LED4 = 0 ;

```

        图9-2-4 成功点灯

9.3 调试串口1

  单片机读取DHT11温湿度数据（测试时将返回值均设为0），并使用串口1发送数据，调试效果如下:

  PS：一定要注意选择IRC频率为22.1184MHz，每次打开软件默认为11.0592MHz，另外串口波特率为115200，若使用默认频率，串口助手会收到乱码！！翻了好几次车！！所以这个频率要根据具体芯片的手册来选择。

                图9-3-1 串口1成功接收数据（注意切换IRC频率）

9.4 调试WIFI串口

  用烧录器直连EMW3080，RX1->TX2 ,TX1->RX2 ,之后利用格西烽火串口调试助手，波特率选择115200，给EMW3080发送模块AT指令，WIFI模组可以返回正确的数据：

                图9-4-1 利用格西烽火执行AT指令，并返回连接成功的数据

9.5 调试OLED

  店家给的4脚IIC的OLED是STM32的例程，故有些地方要稍作修改，比如SDA（P34）和SCL（P35）脚要设为推挽输出模式，按照上面的IO口模式设置表格，即有：P3M1的对应脚设为0，P3M0的对应脚设为1, 即：

    P3M1 = 0000 0000   -> P3M1 = 0

    P3M0 = 0011 0000   -> P3M0 = 0x30

####  但是在编译程序时提示如下错误：

                图9-5-1 编译错误

####  然后去百度，发现128字节的data数据空间已经用完，需要使用xdata数据空间：

                图9-5-2 选择XDATA

  之后成功编译，执行程序，OLED可以正常工作，显示正确的数据，但是将OLED的驱动程序整合到整个工程时，只有OLED屏幕在闪烁，并且之前正常慢闪的LED1熄灭了，后来发现生成的Hex文件已经超过了56Kb，而 STC15W4K56S4的存储程序用的ROM（FLASH）只有56Kb（查阅手册或观察名字可得），注释掉一些用不到的函数后，Hex文件成功降到56Kb以下，重新烧录测试,测试效果如下，成功在指定位置显示指定的字符串：


        图9-5-1 OLED成功显示数据

9.6 调试DHT11模块

  移植对应Demo后，将读到的温度、湿度分别转化为字符串输出给OLED，这里要注意湿度只有整数部分，温度有小数部分并且DHT11的数据引脚Dat必须接上拉电阻（可选为5.1KΩ），增强驱动能力，并在空闲状态下保持高电平，另外VCC和GND之间可以 加一个100nF的电容，用于去耦滤波，使接收到的数据更精确：

  PS：购买的DHT11已自带上拉电阻，故本次不用外加

        图9-6-1 DHT模块原理图


        图9-6-2 成功读取温湿度数据

9.7 调试继电器模块

  为了使继电器更稳定的工作，给它加上了专门的驱动芯片，并希望它在上电时为关闭的状态，故在IO口（P26上电默认为高电平）,加上一个反相器，下面写一个简单的程序测试继电器能否正常工作：

```

......

    #define Relay P26

    void main()

    {

        P2M1=0;P2M0=0;

        while(1)

        {

          delay_ms(3000);

          Relay = ~Relay;    //约3秒翻转一次继电器开关状态

        }

    }

```

  烧录程序后，成功实现3秒翻转一次继电器开关状态。

9.8 调试配网

####  调试配网之前，需要在IAP_EPPROM.c文件中，将自己设备的四元组信息更改。

                图9-8-1 更改四元组信息

  所有模块已调试完毕，目前均可正常工作。利用USB线供电，LED1慢闪，表示程序正在执行，然后长按SW2，进入配网模式，打开云智能APP扫码配网，跟着步骤走后，出现以下情况：

        图9-8-2 无法发现 adh_xxx_xxx WIFI

  然后并没有在WIFI列表找到**_adh_xxx_xxx**，经在群里讨论，发现了不对劲的地方:


                图9-8-3 配网方式默认为设备热点配网


                图9-8-4 程序默认为一键配网模式

  也就是说，两种不同的配网方式混用了，导致无法配网，于是我修改后采用两种方式配网，一种是修改为一键配网，不需要修改程序，设置如下:

            图9-8-5 修改配网方式

  另一种方法是，配网方式仍为设备热点配网，配网的代码改为将设备设置为AP模式的AT指令："AT+ILOPWASAP\r",EMW3080如果配网成功，服务器会向EMW3080发送回应，表示配网成功，到此处配网成功。

            图9-8-6 WIFI模块成功收到连接成功的信息

  配网成功后，可以使用APP控制板子继电器开关、LED亮灭；并且操作板子的状态，也会实时传给APP和服务器网页端。只要板子位于原来配网连接的WIFI范围内，我们就可以通过手机APP全球任意范围内，只要有网络，就可以远程控制板子，并获取其状态信息。若要换一台手机控制，因为我设置的分享方式是授权式，故要先解绑，长按SW2即可先解绑后等待重新配网，使用新手机扫码配网即可。

9.9  调试WIFI模组上报继电器状态和温湿度数据到APP和网页端

  首先标识符要对应，即在网页选的功能定义的标识符要与程序里的一致，位置如下图


                图9-9-1 两者的标识符要一一对应

  做完这一步后，发现按动SW2，继电器的开关状态可以正确的上报到APP和网页，但是APP不能控制继电器的状态，就是说WIFI模组没有收到正确的信息，使单片机执行对应的功能，于是我去检查WIFI接收数据的函数，发现有处标识符没有改动，修正后，成功通过APP控制继电器的开关：

                图9-9-2 接收数据用的标识符均要改成对应的标识符

9.10 增加APP控制LED2、LED3的亮灭功能

  修改按键点动函数，成功使得按下SW3可以翻转LED2的亮灭，按下SW4可以翻转LED3的亮灭（LED初始状态均为熄灭），板子上可以实现该功能，但是不能上传数据到APP和网站；如果用APP执行对应操作，板子会响应，这说明设备数据上传出了问题，设备接收数据正常，当时上报的数据如下：

                图9-10-1 一次性上报5个数据失败

  于是我在想是不是一次不能上报那么多数据，服务器承受不住？本来上报3个数据（继电器状态、温度、湿度）是正常可以互动的，现在5个不行，那4个呢？于是乎我注释掉1个（保留任意4个），重新烧录程序，发现又可以互动了！！经群里老铁点明，可以上报5个数据，但是上报数据用的数组SendBuf和JsonStr要增大才行，我尝试这增大这两个数组，于是乎本来就55KbHex文件，FLASH遭不了重，增大后又超56Kb了。后来我尝试分两次上报，于是再复制一个上报函数，用来上报2个LED灯的状态，继续烧程序，发现5个数据均可上报，互动成功！！！

                图9-10-1 2个函数分开上报【注意在.c文件增加函数时，要在对应的.h文件声明】

                                                                          图9-10-2 服务器网页端接收到的实时数据，经比对，数据正常

        图9-10-3 APP接收到的数据，与服务器网页端一致

9.11 二度调试串口2

  诡异的事情终究还是发生了......前一天板子还能正常上电就自动配网，第二天早上上电后就毫无反应，无法配网，检查完不是路由器网络的问题后，再反复切换一键配网模式和设备热点配网模式后，发现LED4（配网成功的指示灯）始终不闪，于是我用烧录器直连EMW3080进行串口调试，使用AT指令启动一键配网模式，发现WIFI模块能收到服务器发送回来的成功连接信息，并且操控APP的按键，可以上报到服务器日志里，但是APP和板子毫无互动：

图9-11-1 WIFI模块可以连上服务器

                                                                            图9-11-2 网页端日志显示成功收到数据

  这说明WIFI是接收到服务器给它发送的连接成功的信息，但是单片机没有收到，因为如果单片机收到，LED4灯的闪烁标志位会被置1，置完1后就会快速，表示配网成功：

图9-11-3 单片机收到成功配网信息后会将配置闪烁标志位

  所以，我推测，WIFI接收到的表示连接成功的字符串"ILOP,CONNECTED"，单片机并没有通过串口2成功读取，而这两者的RX和TX各通过一个330Ω的限流电阻交叉互连，我了解到这2个电阻是起到防电流倒灌到单片机，从而使单片机可以正常复位的作用，我隐约记得零妖说可以把这两个330Ω电阻给拆掉，于是乎我把这两个电阻换成0Ω电阻，重新上电，一切恢复正常...orz...经群里的老铁反映，有可能是单片机发出去的信号太弱了，电流过小。

9.12 调试小风扇

  由于宿舍没有什么可以改造的电器，搜刮一顿后 ，发现舍友的散热用小风扇，是DC12V/0.09A，由于板子最大能供电5V，尝试用USB口供电，发现电压可以，但是电流不够，小风扇无法转动，故使用烧录器接上充电宝给小风扇供电。

9.13 调试天猫精灵

####  在产品管理中的人机交互设置页面中，发现天猫精灵中的插座品类的状态映射属性只有一个，为开关状态，其标识符为**“powerstate”**，正好对应继电器开关的标识符。

####  长按SW2解绑并进入配网模式，板子会先和云智能APP解绑。天猫精灵接入与前者一样的WIFI，并通过语音**“天猫精灵，找队友”，即可自动配网。后续通过“天猫精灵，打开插座”来打开小风扇，“天猫精灵，关闭插座”**来关闭小风扇。

十、在阿里云平台创建一个项目

10.1 注册阿里云账号，并进行实名认证，登录阿里云生活物联网平台

网址：阿里云官网 、阿里云生活物联网平台

10.2 创建一个新项目


10.3 设置产品的功能定义

10.4 配置人机交互界面

需要注意的是配网模式，要和程序中的配网模式一样，说明如下：

10.5 添加测试设备


  至此，设备添加成功，EMW3080可以在后续操作中连上阿里云生活物联网平台。

十一、有待改进之处

11.1 串口调试方面

  由于本次使用到多个串口，但没有考虑到通过跳线帽来选择串口，导致后期调试困难，需要另外焊接跳线。

####  3-1、4-2 用于下载程序、调试串口1

  3-5、4-6 用于调试WIFI串口

11.2 WIFI模组散热情况

####  当WIFI模组正常工作时，发现模组附近摸上去温度有点高，或许会影响到WIFI模组正常工作，参考其他同学的散热方法，发现可以在其底部挖槽，增大散热面积，能起到一定的作用：

11.3 一路继电器改进为多路继电器

####  弄懂如何控制一路继电器，可以举一反三地设计出多路继电器控制家用电器，实现智能生活。

11.4 电源部分

####  调试中发现USB供电提供的电流不够大，当连接多个用电器时，某些模块无法正常工作。可用220Vac-5Vdc模块给整个板子供电,注意添加保险丝和安规电容。

十二、小结

  说起立创EDA，之前都是用来找给AD封装，那时候还没有发现自己错过了一件大宝贝（手动狗头）。这学期遇上立创EDA是因为立创在线上为我们学校做校赛培训，后续有个基础训练营，但是由于期末考试都堆一起，还有个校赛，所以就很遗憾没有报名。不过后来发现公众号推送进阶班训练营，于是我就报名了~

  之前是没有接触过物联网这方面的，只接触过单片机、嵌入式这些，对自己也是一个全新的挑战，项目实战方面的经验几乎为没有，是一个小白从零开始的过程。然后自己一步一步跟着宋工、周工他们走，第一次真正在立创EDA画板子、第一次在立创商城根据BOM表下单、第一次体验SMT、第N次嘉立创打板，直接一条龙服务，非常方便。板子到了之后，就分模块来焊，焊完一个模块就调试一个，先用万用表检查有没有虚焊、短路之类的，再上电逐一测试。硬件部分头疼完就到软件部分了，指针在大一学完后就忘的七七八八了，读起来还是有点吃力的，听完宋工讲完一遍不懂，自己再看回放，读程序，并修改相关参数，下载到板子来测试，逐渐有点头绪。有很多问题可以在群里提问得到指点，但最终还是得靠自己慢慢调试，硬件和软件一起调，不过主要是硬件的问题，软件要改的地方不多，标识符是其中一点，后面读懂程序后，就自己额外添加业务，成功上报湿度、按键点动控制LED亮灭的信息，并且可以使用APP控制LED的亮灭。天猫精灵到手后，也成功利用天猫配网成功，并控制小风扇开关。

  通过这次训练营实战，自己调代码、调硬件的能力也有一定的提升，通过项目实战，我也一定程度上了解到了物联网的联网、通信、控制过程，以一个商业化的案例，从需求分析开始，再到方案设计、硬件设计、软件设计，一步一步学习解决问题的方法。还有自己不太懂，之前不太想深入了解的指针、结构体，让我重新有了想拾起它们的学习冲动，加油！

####  在此感谢立创EDA举办本次活动，感谢宋工、周工、莫工、叶工等工作人员，为我们提供资金和技术支持。小伙伴们寒假班有缘再见~

十三、视频演示(4个)

####  1、板子与网页端互动
####  2、APP与板子互动
####  3、可视化界面
####  4、天猫精灵控制