解讀Arduino研發思想：製作兒童安全鎖

Nora Gaspar

Published by Nora Gaspar at 2020.11.06

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使用ESP82晶片的IoT 兒童安全鎖

如果您對科技領域有一定瞭解的話，一定聽說過“loT（物聯網）”一詞。其概念是將每個裝置都連接到互聯網上，從而實現裝置與裝置之間、使用者與裝置之間的相互通信。而其中具有突破性的工具之一就是將ESP8266序列至Wi-Fi晶片。今天，我們將透過解讀Arduino的研發思想來製作一個使用該晶片的兒童安全鎖。我稱它為“兒童安全鎖”，但是您可以將其用於任何想要上鎖物件，並且只能在某些特定情況下才能打開。例如，使您的室友（或您自己）無法拿到冰箱裡那些誘人的餅乾。

專案清單：

Arduino UNO 研發板
具有內建電平轉換器和切換的ESP8266-12 模組
LM 7805 5V 穩壓器: https://www.fairchildsemi.com/pf/Lm/LM7805.html
兩個電容（0.1 mF和0.33 mF）
USB串口轉換器（這裡使用的是Prolific PL-2303，推薦使用更新的版本）
一塊小型螺管式電磁鐵
9V的外部電源

該部分代碼可以在https://github.com/gasparnori/iot_lock獲取

連接ESP8266進行程式設計

這種晶片有很多優點，但同時也有很多缺點。它成本低，相對簡單，並且用途十分廣泛，但是在使用的時候很容易遇到一些陷阱。基於板載電平轉換器和切換的模組也許可以説明您避免這些問題，但是請謹記以下幾點：

ESP需要近200 mA的工作電流，Arduino的電源輸出引腳可能無法提供，因此需要使用外部電源和一個穩壓器。對於該項目，您可以使用一個5V的穩壓器（如LM7805）或一個3.3V的穩壓器。
在程式設計或者使用該模組時，需要調整“UART—Programming”切換。請牢記這一點，否則您將收到記憶體異常的資訊。
將USB連接到串口轉換器時，請確保Vcc引腳懸空並確保接地。

圖 1：程式設計設定流程圖

與ESP通信

現在您已經建立了連接，我們來看看您的晶晶片況如何。有幾種Arduino序列通信工具可以使用，其中我認為ESPlorer是最佳選擇。下載後，只需直接運行ESPlorer.jar檔即可。設定好您的埠和通信速率（序列傳輸速率），通常設定為115200，但是可能某些裝置需要設定為其他不同的速率，如果設定為115200無法正常工作，請嘗試其他的值直到找到最佳值為止。首先，為了檢查通信是否正常，請按下重置按鈕，如果能夠看到一條歡迎使用的資訊，證明您可以正常進行下一步操作。然後可以嘗試操作左上角的一些指令，比如簡單的AT指令，或連接到本地的Wi-Fi網路。現在我們可以準備對模組進行程式設計了。

圖 2: ESPlorer

對ESP8266進行程式設計

有兩種控制晶片的方法。可以使用Arduino研發板，透過序列埠進行簡單的AT指令操作實現控制（也就是您剛剛操作過的指令）。或者用一種更簡單的方式：直接上傳代碼到晶片上。在本課程中，我們選擇第二種方式。打開Arduino IDE，進入Tools–>Board–>Board Manager，找到ESP板，然後進行安裝。

圖 3: Board Manager

新建一個草圖，進入Tools–>Board並選擇您的ESP模組。另外，請確保在Tools–>Port中選擇正確的埠。

圖4：選擇埠和研發板

現在，將以下代碼複製到您的草圖中，將晶片轉換為程式設計模式，按下重新開機按鈕，然後開始程式設計。上傳代碼後，再將其調回“uart mode”，再按下重新開機按鈕，然後再次打開ESPlorer，查看模組返回的內容。如果一切正常，您將會看到兩條資訊，一個是您所連接的Wi-Fi，另一個是您的IP位址。在瀏覽器中打開您的IP位址，應該看到以下資訊：

圖5：嘗試點擊打開按鈕

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266WebServer.h>
//Your ssid and password
const char* ssid = "....";
const char* password = ".....";
ESP8266WebServer server(80);
//This form will be sent to your browser, when the device is locked
String form_closed =
  "<html>"
   "<head>"
   "</head>"
   "<body>"
 "<center>"
 "<img width='200px' src='https://www.endlessicons.com/wp-content/uploads/2012/12/lock-icon-614x460.png'>"
 "<form action='msg'> <p>Do you really need that chocolate?</p>"
 "<select name='msg'>"
 "<option value='open'>Yesssssss</option>"
 "<option value='close'>No, I continue my diet...</option>"
 "</select>"
 "<input type='submit' value='Open'></form>"
 "</center>"
 "</body>"
 "</html>";
//this form will be sent to your browser, when the device is open
//there is a redirect link in the html to the main page
String form_open =
 "<html>"
   "<head>"
   "<meta http-equiv='refresh' content='3;url=/' />"
   "</head>"
   "<body>"
     "<center>"
     "<h1>Voillaaaa </h1>"
     "<img width='400px' src='https://www.clipartreview.com/_images_300/A_refrigerator_with_an_open_door_100429-171689-937009.jpg'>"
     "</center>"
    "</body>"
   "</html>";
   
void handleMessage(){
   String state= server.arg("msg");
   Serial.println(state);
   if(state=="close"){
     server.send(200, "text/html", form_closed);
   }    
   else{
       server.send(200, "text/html", form_open);
       //after 3 seconds closes back either way
       delay(3000);
       Serial.println("close");
   }
}
void setup(void){
 //open Serial port
 Serial.begin(115200);
 //open Wifi connection
 WiFi.begin(ssid, password);
 Serial.println("Serial started...");
 // Wait for connection
 while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
   delay(500);
   Serial.print(".");
 }
 Serial.println("");
 Serial.print("Wifi connected to ");
 Serial.println(ssid);
 Serial.print("IP address: ");
 Serial.println(WiFi.localIP());
 //handling the form itself
 server.on("/msg", handleMessage);
 //handling the main site
 server.on("/", [](){
   server.send(200, "text/html", form_closed);
   });
 //handling wrong url
 server.onNotFound([](){
   server.send(404, "text/plain", "File Not Foundnn");
   });
 server.begin();
 Serial.println("HTTP server started");
}
void loop(void){
 server.handleClient();
}

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266WebServer.h>

//Your ssid and password

const char* ssid = "....";

const char* password = ".....";

ESP8266WebServer server(80);

//This form will be sent to your browser, when the device is locked

String form_closed =

"<html>"

"<head>"

"</head>"

"<body>"

"<center>"

"<img width='200px' src='https://www.endlessicons.com/wp-content/uploads/2012/12/lock-icon-614x460.png'>"

"<form action='msg'> <p>Do you really need that chocolate?</p>"

"<select name='msg'>"

"<option value='open'>Yesssssss</option>"

"<option value='close'>No, I continue my diet...</option>"

"</select>"

"<input type='submit' value='Open'></form>"

"</center>"

"</body>"

"</html>";

//this form will be sent to your browser, when the device is open

//there is a redirect link in the html to the main page

String form_open =

"<html>"

"<head>"

"<meta http-equiv='refresh' content='3;url=/' />"

"</head>"

"<body>"

"<center>"

"<h1>Voillaaaa </h1>"

"<img width='400px' src='https://www.clipartreview.com/_images_300/A_refrigerator_with_an_open_door_100429-171689-937009.jpg'>"

"</center>"

"</body>"

"</html>";

void handleMessage(){

String state= server.arg("msg");

Serial.println(state);

if(state=="close"){

server.send(200, "text/html", form_closed);

}

else{

server.send(200, "text/html", form_open);

//after 3 seconds closes back either way

delay(3000);

Serial.println("close");

}

void setup(void){

//open Serial port

Serial.begin(115200);

//open Wifi connection

WiFi.begin(ssid, password);

Serial.println("Serial started...");

// Wait for connection

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

delay(500);

Serial.print(".");

}

Serial.println("");

Serial.print("Wifi connected to ");

Serial.println(ssid);

Serial.print("IP address: ");

Serial.println(WiFi.localIP());

//handling the form itself

server.on("/msg", handleMessage);

//handling the main site

server.on("/", [](){

server.send(200, "text/html", form_closed);

});

//handling wrong url

server.onNotFound([](){

server.send(404, "text/plain", "File Not Foundnn");

});

server.begin();

Serial.println("HTTP server started");

}

void loop(void){

server.handleClient();

}

代碼說明

當您打開網站時，將會看到一個html主頁，如果您想要打開兒童安全鎖，則網站會將您重置向到“/msg?msg=open”或者“/msg?msg=close” URL。在該URL中，您將看到另一個html頁面，並停留3秒鐘，然後會再次跳轉到第一個頁面上。幸運的是，大多數的重置向都是透過html代碼來完成的，伺服器只需要將每個可能的URL與返回的html網站（form_closed 和form_open事件）相關聯即可。為了將html與URL相關聯，我們使用server.on函數（url, handler）。最重要的通信過程在handleMessage函數中實現。伺服器從URL中讀取mag參數，並將其作為打開或者斷路兒童安全鎖的指令在序列埠發送出去。

如果一切運行正常，我們就準備將它連接到一個真正的Arduino裝置上。

Arduino 設定

從Arduino的角度來說，我們所使用的是非常簡單的設定。雖然螺線管的最高工作電壓為12V，但是目前在該應用中，5V的工作電壓以及Arduino的輸出引腳提供的電流已經足以使電磁鐵工作（但是如果您想要一個更高能量的電磁鐵，透過借助電晶體或者繼電器就可以很容易地達到提升的目的）。因此，卸下USB轉換器，並且將序列埠與地面連接在一起，然後，再次由穩壓器向兩個裝置提供Vin。

請謹記以下幾點：

使用Arduino的硬體序列埠（引腳0或1），因為軟體序列埠可能無法在如此高的速率下工作。但是，在進行Arduino項目程式設計時請不要忘記拔下這些引腳，以免發生通信異常。
在進行Arduino程式設計時請拔下Vin引腳，您絕對不會想突然炸了自己的裝置吧。

圖6：Arduino設定

圖7：已完成電路圖

int lock=8;
void setup() {
pinMode(lock, OUTPUT);
digitalWrite(lock, HIGH);
Serial.begin(115200);
}
void loop() {
  while (!Serial.available()) {};
  //reading the answer to a string
  String a= Serial.readString();
  
  if (a=="openrn") {
    digitalWrite(lock, LOW);
  };
  if (a=="closern") {
    digitalWrite(lock, HIGH);
  };
}