原標題：基于 ESP8266 的適合聽障人士需求的 domotic 系統(tǒng)（代碼）

一、系統(tǒng)概述

該基于ESP8266的智能家居(domotic)系統(tǒng)針對聽障人士的特殊需求進行設計與開發(fā)。整個系統(tǒng)以ESP8266微控制器為核心，結合多種傳感器、通信模塊以及視覺與振動反饋裝置，實現(xiàn)對家庭環(huán)境狀態(tài)的實時監(jiān)測與告警，并在告警發(fā)生時以燈光、OLED顯示屏和振動馬達等方式提醒聽障用戶。同時提供手機App或Web界面，使用戶可遠程查看家中各項數據并進行控制。系統(tǒng)的整體功能包含門窗開關監(jiān)測、煙霧與氣體泄漏檢測、紅外人體感應、室內溫濕度采集、緊急按鈕觸發(fā)等；當出現(xiàn)異常時，通過LED光源閃爍、OLED圖文顯示或小型振動馬達震動，迅速吸引聽障用戶注意。此外，系統(tǒng)支持與手機App進行Wi-Fi通信，可將過往告警記錄存儲在云端服務器，方便用戶隨時查詢歷史警報信息。

本系統(tǒng)設計目標是：硬件成本低廉且易于擴展；對聽障人士友好，采用多種非聲音方式告警；易于組網部署并兼容主流智能家居平臺；具有可靠性、穩(wěn)定性與可維護性。為了滿足上述目標，本文從核心芯片選型、傳感器與執(zhí)行器優(yōu)選、通信模塊與電源設計、軟件架構與代碼實現(xiàn)等方面進行詳細闡述，并給出核心代碼示例與硬件連接示意。

二、核心控制單元：ESP8266微控制器

ESP8266是由樂鑫科技(Espressif Systems)推出的低成本、低功耗Wi-Fi系統(tǒng)級芯片(System on Chip，SoC)，集成了TCP/IP協(xié)議棧及完整的Wi-Fi功能。其典型型號包括ESP-01、ESP-07、ESP-12E/ESP-12F等。其中，ESP-12E模塊擁有8個通用輸入輸出(GPIO)引腳、豐富的SPI、I2C、UART接口，功耗低 (<170mA TX)，價格在10元人民幣左右，國內外均有大量供應，技術資料與社區(qū)支持十分完善。

選擇ESP-12E的原因如下：首先，其具備高性能的32位處理器(基于Tensilica L106架構，80MHz主頻)，可滿足多任務并發(fā)，如傳感器數據采集、Wi-Fi通信、OLED顯示與振動控制等；其次，其封裝精巧(尺寸約為24mm×16mm)，可直接焊接到開發(fā)板或自制PCB上；第三，其配備4MB閃存，足以存儲固件、日志與網頁靜態(tài)資源；第四，電源電壓3.3V，與多數傳感器兼容；最后，Arduino Core for ESP8266開源生態(tài)成熟，開發(fā)者可快速移植Arduino風格代碼，降低開發(fā)難度。

本設計以ESP-12E模塊作為主控芯片，并選用Wemos D1 Mini開發(fā)板作為原型開發(fā)平臺。Wemos D1 Mini的尺寸更小(約34.2mm×25mm)、自帶USB轉串口芯片(CH340G)、提供5V與3.3V穩(wěn)壓輸出，便于通過Micro USB端口供電與固件燒錄。使用Arduino IDE時，只需安裝對應開發(fā)板管理器(Boards Manager)即可像UNO一樣快速編寫、上傳代碼。

三、電源設計與穩(wěn)壓模塊

ESP8266在Wi-Fi通信高峰期工作電流可達300mA左右，建議預留至少500mA的電流裕度。因此，整個系統(tǒng)電源需設計為輸出穩(wěn)定的5V電壓，再通過3.3V穩(wěn)壓器為ESP-12E及其他3.3V傳感器供電。

優(yōu)選元器件型號：

1. AMS1117-3.3V線性穩(wěn)壓器

• 器件作用：將外部5V電源(如手機充電器或充電寶燈座)穩(wěn)定降壓至3.3V，驅動ESP8266與大部分3.3V傳感器。

• 選擇理由：AMS1117-3.3V是一款常見的線性穩(wěn)壓器，輸出電流可達800mA，封裝為SOT-223或TO-252，散熱面積足夠。其輸入最大電壓15V，輸出誤差小(典型100mV)，價格低廉(約1元人民幣)，易于采購。缺點是線性穩(wěn)壓轉化效率較低，但在5V降至3.3V電壓差不大時，功耗損耗可接受，且整體功耗不高于1W。

• 功能：為ESP8266及部分3.3V傳感器(如DHT11、HC-SR501、MQ-2等)提供穩(wěn)定電壓。

2. LM2596S開關穩(wěn)壓模塊(直插式)

• 器件作用：當系統(tǒng)電源為12V電源適配器或車載電源時，將輸入電壓高效轉換至5V，用于為整個系統(tǒng)供電或為5V傳感器供電。

• 選擇理由：LM2596S可支持3A輸出電流，效率可達90%以上，封裝直插，廣泛應用于DIY智能家居；具有過流、過熱保護且價格便宜(約5元人民幣)。對于需要更長供電時間的應用，可接配大容量電池組，使用開關穩(wěn)壓降低功耗。

• 功能：為整體系統(tǒng)(含USB轉串口、5V繼電器模塊、視覺告警燈等)提供高效5V電壓輸出。

3. USB充電模塊(Micro USB口引入)

• 器件作用：使用常見的5V手機適配器供電，直接為Wemos D1 Mini開發(fā)板供電。

• 選擇理由：Wemos D1 Mini自帶Micro USB接口，直接連接即可；節(jié)省設計工時與成本。若產品化可考慮在PCB上直接集成USB接口，并配合AMS1117-5.0V或更高效率的同步升壓模塊。

4. 鈦酸鋰電池與TP4056充電模塊(可選)

• 器件作用：當需要無線便攜或斷電情況下繼續(xù)運行時，可選用鋰電池供電；TP4056模塊負責對鋰電池進行恒流恒壓充電管理。

• 選擇理由：TP4056價格便宜(約3元人民幣)，支持1A充電電流，可通過USB給鋰電池充電；鋰電池容量可根據實際需求選定(如18650 2000mAh)。裝置可實現(xiàn)斷電后持續(xù)工作，提升系統(tǒng)可靠性。

• 功能：為ESP8266與傳感器提供備用電源，實現(xiàn)斷電通知與故障自救。

四、傳感器模塊優(yōu)選

為了滿足聽障人士對家居安全與環(huán)境狀態(tài)的可視化監(jiān)測需求，系統(tǒng)設計中選用多種傳感器模塊，具體如下：

1. PIR人體紅外傳感器 (HC-SR501)

• 器件作用：檢測人體活動，當有人在其監(jiān)測范圍內移動時輸出高電平信號。可用于門廳、臥室、客廳等地點的入侵檢測或人員進出監(jiān)測。

• 選擇理由：HC-SR501具有高靈敏度(可調靈敏度及延遲時間)，輸出信號為TTL電平，工作電壓5V，靜態(tài)功耗低(僅約50μA)，帶有定時器與靈敏度可調電位器，可實現(xiàn)從5秒至5分鐘的延遲時間調節(jié)。其售價便宜(約5元人民幣)，市場應用廣泛，配套資料齊全。

• 功能：在檢測到人體時向ESP8266的GPIO口(3.3V容忍)輸出高電平，觸發(fā)OLED屏顯示“有人活動”或閃爍LED燈并振動馬達提醒聽障者。

2. 煙霧傳感器 (MQ-2煙霧燃氣傳感器模塊)

• 器件作用：檢測空氣中可燃氣體(如天然氣、液化氣、酒精、煙霧)。當濃度超過一定閾值時輸出模擬電壓，可通過ADC口讀取并判斷是否超過告警值。

• 選擇理由：MQ-2傳感器靈敏度高、種類檢測范圍廣(可檢測丙烷、甲烷、丁烷、液化氣、煙霧等)，響應時間短(小于10秒)，使用壽命長(約5年)，標準化模塊中已集成電平輸出和模擬輸出兩種信號，輸出端帶LED指示。其工作電壓為5V(模塊自帶電壓調節(jié))，其價格約10元左右，廣泛應用于DIY煙霧報警系統(tǒng)。

• 功能：當檢測到煙霧濃度超過設定閾值時，通過ESP8266的模擬輸入(A0)讀取電壓值并判斷“煙霧告警”，觸發(fā)OLED顯示“煙霧濃度過高”、LED燈閃爍并通過振動馬達提醒聽障人士，并可發(fā)送告警信息至手機端。

3. 可燃氣體傳感器 (MQ-135空氣質量傳感器模塊)

• 器件作用：檢測空氣中氨氣、硫化物、苯蒸氣、煙霧等多種有害氣體。適用于室內空氣質量檢測與安全告警。

• 選擇理由：在廚房或家中燃氣管道周圍，MQ-135可實時監(jiān)測有毒有害氣體濃度，當濃度超標時發(fā)出告警；相比MQ-2，MQ-135更加靈敏于有害氣體檢測，適配室內空氣質量監(jiān)測需求；價格適中(約15元人民幣)，模塊化方便；工作電壓同樣為5V。

• 功能：將模擬輸出連接至ESP8266的ADC口，對空氣質量進行周期性采樣；當濃度超過設定值時觸發(fā)告警。

4. 溫濕度傳感器 (DHT22/AM2302)

• 器件作用：采集環(huán)境溫度與相對濕度數據，并通過單線協(xié)議將數字量傳輸給ESP8266。

• 選擇理由：相比DHT11(精度較低，濕度±5%，溫度±2℃，測量范圍有限)，DHT22具有更高精度(濕度±2%，溫度±0.5℃)、更寬測量范圍(濕度0100%，溫度-4080℃)、響應速度更快、可靠性更高。價格約25元左右，庫函數成熟，硬件接線簡單，直接連接到ESP8266的3.3V和GPIO引腳，極少占用資源，且功耗低。

• 功能：定時采集室內溫濕度，若溫度異常（如高于設定閾值或過低），可在OLED上顯示相應提示并通過LED燈告知；數據上傳至云端后，可在手機App中查看并進行遠程調控（如啟動空調或加濕器）。

5. 門磁開關 (磁簧開關模塊)

• 器件作用：由磁簧管與磁鐵組成，安置在門框與門扇上，當門打開或關閉時，傳感器開關狀態(tài)變化，輸出數字信號。

• 選擇理由：磁簧開關成本低廉(約3元人民幣)，安裝簡便，可靠性高，抗干擾能力強；只有兩根導線連接，直接接至ESP8266的GPIO口即可讀取高低電平狀態(tài)，形成“門開/門關”邏輯。

• 功能：實時監(jiān)測門窗狀態(tài)，若在特定時間(如夜間)檢測到門窗異常打開，可觸發(fā)提醒，以振動馬達或者LED燈閃爍等方式告知聽障者。

6. OLED顯示屏 (SSD1306 0.96寸 I2C OLED 模塊)

• 器件作用：基于SSD1306控制芯片，分辨率128×64，可通過I2C接口(接SDA、SCL)與ESP8266通信，顯示文字、圖形或圖標。

• 選擇理由：相比LCD，OLED功耗更低、對比度更高、顯示效果更佳，可視角度大，室內光線暗時顯示清晰。0.96寸尺寸適中，可放置于墻面或桌面供聽障者近距離查看。模塊價格約20元人民幣，Arduino庫(如U8g2)支持完善，易于繪制文字和簡單圖形。

• 功能：實時顯示當前系統(tǒng)狀態(tài)文字(如“煙霧正?！?、“人體未檢測到”、“門正常關閉”、“溫度:25℃”等)及告警圖標，當告警發(fā)生時可閃爍顯示“告警”信息，提醒用戶注意。

7. LED指示燈 (WS2812B全彩RGB LED燈帶或簡易單色高亮LED)

• 器件作用：用于視覺告警，通過不同顏色或閃爍頻率表示不同狀態(tài)。例如紅色閃爍表示煙霧告警，黃色閃爍表示可燃氣體告警，綠色常亮表示正常。

• 選擇理由：WS2812B是數字信號控制，可通過單引腳控制多顆燈珠，靈活度高；若項目中需要多點分布式告警，可使用燈帶并通過ESP8266對其進行尋址控制；若僅需單點提示，則選用高亮度單色LED(正向電壓約2V，可限流電阻后直接與ESP8266 GPIO連接)。WS2812B模塊價格在15元/1米左右；普通LED更便宜(幾角到一兩元不等)。

• 功能：在不同告警來源(煙霧、氣體、門窗、人體)下，以不同顏色或者閃爍頻率進行視覺提示。WS2812B還可以顯示漸變動畫，提升提示醒目度。

8. 振動馬達 (直徑8mm偏心振子)

• 器件作用：將電信號轉換為機械振動，貼附于床鋪、桌面或腕帶，當系統(tǒng)檢測到緊急告警時，通過振動方式提醒聽障者。

• 選擇理由：振動馬達體積小功耗低，可由GPIO通過電源驅動并且使用一個小型NPN三極管(如2N2222)做開關即可驅動5V振動馬達；當LED燈或OLED提示不足以引起注意時，振動能確保用戶在睡眠或遠離顯示屏時仍能收到告警。該振動馬達售價僅約5元人民幣，壽命長達數千小時，易于采購。

• 功能：在系統(tǒng)檢測到煙霧濃度過高或可燃氣體泄漏、門窗異常開啟、緊急按鈕按下等情況時，立即以頻閃振動的形式提醒聽障者前往檢查。

9. 緊急按鈕模塊（帶背光指示燈的按鍵開關）

• 器件作用：當聽障者遇到緊急情況(如跌倒、突發(fā)疾病等)需要呼救時，手動按下按鈕，ESP8266檢測到按鍵輸入后，通過Wi-Fi向云服務器或手機App發(fā)送緊急呼叫信號，并觸發(fā)家中視覺與振動告警裝置。

• 選擇理由：選用帶背光的輕觸按鍵(如9mm方形自鎖式帶LED背光的按鍵開關)，可在暗光環(huán)境下仍能定位；開關觸點質量好，可承受大于100萬次按壓。模塊價格約10元人民幣。

• 功能：用戶按下緊急呼叫時，ESP8266檢測到電平變化，將“緊急呼叫”指令發(fā)送至云端，并在本地觸發(fā)振動馬達與LED光源聯(lián)合閃爍，同時OLED屏顯示“緊急呼叫已發(fā)送”。

五、執(zhí)行器與反饋裝置

1. 繼電器模塊 (SRD-05VDC-SL-C繼電器×1路/4路模塊)

• 器件作用：當需要遠程控制高電壓設備(如家用照明、電動門鎖、抽油煙機等)時，通過ESP8266的GPIO信號驅動繼電器線圈，實現(xiàn)對外部高壓(220VAC或直流電路)的通斷。

• 選擇理由：常見的SRD-05VDC-SL-C繼電器價格僅5-10元，支持10A/250VAC或10A/30VDC開關容量，可直接模塊化使用(模塊帶光耦隔離、驅動三極管與指示LED)，充分保證ESP8266安全。模塊采用螺絲端子接線，便于改裝與維護。

• 功能：當用戶通過手機App下達“開燈”“關閉電器”指令時，ESP8266控制繼電器模塊，實現(xiàn)對家中電器的遠程控制；在緊急情況下也可遠程斷電，保證安全。

2. 蜂鳴器(僅作調試時使用，不用于正式告警)

• 器件作用：用于系統(tǒng)調試階段的聲音告警，幫助開發(fā)者了解邏輯流程正常與否；在發(fā)布給聽力正常用戶的場景下可通用。

• 選擇理由：為了專門針對聽障用戶，本系統(tǒng)在正式環(huán)境中并不使用蜂鳴器。但在開發(fā)與調試階段，借助蜂鳴器便于快速定位問題。常見獨立式有源蜂鳴器價格低廉(約2元人民幣)。

• 功能：當系統(tǒng)檢測到異常時，蜂鳴器響起短促音，提示開發(fā)人員檢查系統(tǒng)；產品化時可移除或不焊接蜂鳴器模塊。

3. OLED與LED配合視覺告警

• 器件作用：通過OLED文字與圖標直觀向用戶展示告警類型與狀態(tài)；LED燈可在視線范圍外仍然吸引注意力。

• 選擇理由：視覺顯示與閃爍燈光為聽障者提供最直接、最強烈的告警方式；相比僅靠振動，視覺反饋可以傳遞更多豐富信息(例如“煙霧濃度：876ppm，危險等級高，請立即核實”；“門打開時間：2025-06-03 22:15”）；OLED可持續(xù)顯示信息無需外部背光；LED閃爍速度與顏色可自定義。

• 功能：在靜默環(huán)境中，如果聽障者在書房或臥室未帶設備，可通過窗口或墻面上安裝的LED燈閃爍與門口處的OLED屏體現(xiàn)告警，全方位覆蓋家庭生活空間。

4. 振動提示帶（或腕帶）

• 器件作用：將振動馬達安裝在腕帶中，當系統(tǒng)觸發(fā)緊急告警時，通過腕帶振動讓用戶及時感知。

• 選擇理由：振動腕帶可隨身攜帶，不受房間位置限制，即使身處浴室等聽障者無法靠近主控單元，也能及時收到告警；市場常見振動腕帶的振動強度與功耗均符合ESP8266 5V或3.3V供電需求，價格在20-30元人民幣之間。

• 功能：緊急告警時，ESP8266通過Wi-Fi將信號發(fā)送給腕帶(可集成一個小型另行控制的ESP8266-NORF模塊或使用藍牙模塊ESP32/NRF52832)，觸發(fā)腕帶振動。腕帶可持續(xù)振動10-20秒，直到聽障者查看告警。

六、通信方案與軟件架構

為保證系統(tǒng)在Wi-Fi環(huán)境下的穩(wěn)定性與可擴展性，軟件架構分為以下幾層：

1. 底層驅動層（Sensors & Actuators）

• 包括DHT22、MQ-2、MQ-135、HC-SR501、門磁開關、繼電器、OLED、WS2812B LED燈和振動馬達的底層控制驅動。每個傳感器與執(zhí)行器通過統(tǒng)一的類或函數封裝，實現(xiàn)初始化、讀取/寫入、狀態(tài)更新與告警觸發(fā)。此層代碼基于Arduino庫或自定義驅動函數。

2. 邏輯控制層（Logic）

• 實現(xiàn)對各傳感器數據進行定時采集、預處理與分析。例如，MQ-2的模擬量讀取后需計算與基準值(EEPROM存儲或者云端下發(fā))的比值，判斷是否達到告警閾值；HC-SR501觸發(fā)后，可啟動一個延時定時器，避免誤報；門磁開關狀態(tài)發(fā)生變化時，先對抖動進行軟件消抖后再確認狀態(tài)。邏輯層統(tǒng)一以“事件驅動”方式處理，當某個傳感器狀態(tài)變化超過閾值或出現(xiàn)梯度變化時，生成事件并傳遞至告警層與通信層。

3. 告警與反饋層（Alert & Feedback）

• 緊急級別（如煙霧濃度急劇升高、門窗異常持續(xù)超過1分鐘）：同時觸發(fā)OLED全屏紅色閃爍提示、WS2812B紅燈快速閃爍、振動馬達連續(xù)振動、并向云端發(fā)送告警數據；

• 中等級別（如可燃氣體濃度略高、人體紅外檢測到動態(tài)但在非報警時間段出現(xiàn)異常）：在OLED屏顯示黃色警示圖標，LED燈緩慢閃爍，振動短促一次；

• 信息級別（如正常溫濕度更新、門窗正常打開等）：OLED小窗口滾動顯示狀態(tài)更新，無LED閃爍。

• 根據邏輯控制層傳遞的事件類型，決定告警方式與優(yōu)先級。例如：

• 此層還負責記錄事件日志(時間戳、事件類型、傳感器數據)并寫入EEPROM或SD卡(如ESP8266外接的SPI Flash或通過SPI連接的SD卡)。

4. 通信與遠程控制層（Communication）

• MQTT協(xié)議：輕量級、QoS可定制，適合物聯(lián)網場景，常用開源服務端如Mosquitto；手機App可使用MQTT客戶端訂閱相應主題(Topic)，實時接收告警與數據更新。

• HTTP/RESTful API：ESP8266可搭建簡易Web Server，定義RESTful接口，如GET /status、POST /control，當手機App發(fā)起請求時，ESP8266返回JSON格式數據或執(zhí)行相應命令。

• 利用ESP8266的Wi-Fi功能接入家庭路由器，實現(xiàn)與手機App或云服務器(MQTT Broker或HTTP Server)通信。通信協(xié)議可選：

• 本系統(tǒng)示例中選用MQTT協(xié)議，借助Public MQTT Broker(如test.mosquitto.org)進行測試，正式部署可搭建私有服務器(如樹莓派+Mosquitto)。通信流程如下：

1. ESP8266啟動后，通過Wi-Fi連接到預設SSID，獲取動態(tài)IP；

2. 登錄MQTT Broker，并訂閱主題“home/alert”和“home/control”；

3. 當事件觸發(fā)時，ESP8266將告警信息以JSON字符串形式發(fā)布到主題“home/alert”，內容包括“type”(煙霧/可燃氣/人體/門窗/緊急呼叫)、“l(fā)evel”(0~2)、“value”(傳感器原始數值)、“timestamp”；

4. 手機App或其它客戶端訂閱到該主題后，在界面上彈出告警提示并保存歷史記錄；

5. 當用戶在App上發(fā)送控制指令(如“打開客廳燈”、“關閉繼電器2”)時，以JSON格式發(fā)布至主題“home/control”，ESP8266訂閱到后解析指令并控制繼電器。

5. 人機交互層（HMI）

• 在本地提供OLED顯示以及LED燈光與振動馬達反饋；同時在手機App或Web前端提供界面，顯示實時傳感器數據、告警歷史記錄、遠程控制開關列表。App可采用Android Studio開發(fā)，或使用Blynk、Node-RED等低代碼平臺快速搭建界面，方便聽障用戶遠程查看與控制。

七、電路連接與PCB設計建議

1. 電源部分

• 設計從外部5V電源(如手機充電器、USB插口、DC電源模塊)引入5V，先連接LM2596模塊(若輸入為12V)再輸出5V。將5V分支：一部分輸入至Wemos D1 Mini的USB或5V引腳供電；另一部分通過AMS1117-3.3V降壓至3.3V，再分配給ESP-12E和所有3.3V傳感器(需在每個傳感器模塊上并聯(lián)規(guī)格為0.1μF–10μF電解電容和0.1μF陶瓷電容以濾波)。

2. ESP-12E引腳分配

• GPIO0：連接MQTT配置按鈕(短按進入Wi-Fi AP配置模式)，平常拉高；

• GPIO2：連接OLED的SDA；

• GPIO14：連接OLED的SCL；

• GPIO13：連接DHT22數據線；

• GPIO12：連接MQ-2模塊的模擬輸出(A0僅有一個ADC，不夠時可使用電平轉換或者分時采樣)；若使用電平分壓電路，則ADC0用于MQ-2與MQ-135兼容；

• GPIO5：連接PIR輸出(高電平表示有人移動)；

• GPIO4：連接門磁開關信號(常閉類型，門關時輸出低電平)；

• GPIO15：連接繼電器驅動模塊輸入端(通過光耦隔離)；

• GPIO16：連接MQTT配置指示LED；

• GPIO0/2/15均需正確配置上拉/下拉電阻，保證模塊正常啟動(如GPIO15需下拉至GND，GPIO0和GPIO2需拉高至3.3V)。

3. 傳感器與執(zhí)行器連線

• DHT22：VCC→3.3V，GND→GND，DATA→GPIO13，DATA與VCC之間上拉4.7kΩ電阻；

• MQ-2與MQ-135：模塊VCC→5V，GND→GND，模擬輸出A0接至ESP8266的ADC(僅有一個ADC，如需多路ADC可選購外置ADS1115 I2C ADC模塊，價格約30元)。若使用內置ADC，則在硬件上加裝一個簡單多路模擬開關(如CD4051B，約5元)，由GPIO控制多路切換并串接ADC；

• HC-SR501：VCC→5V，GND→GND，OUT→GPIO5；OUT高電平時GPIO5讀取到3.3V電平(需測試是否直接匹配，若輸出5V則需串聯(lián)一個限流電阻或電平轉換模塊)；

• 門磁開關：常開或常閉輸出端(無源接口)一端接3.3V，另一端接GPIO4和一個10kΩ下拉電阻；不開關時GPIO4讀取低電平，關門時磁鐵吸合GPIO4短接3.3V。

• OLED (SSD1306)：VCC→3.3V，GND→GND，SDA→GPIO2，SCL→GPIO14；

• WS2812B LED：VCC→5V，GND→GND，DIN→GPIO0或任意支持PWM的GPIO；在DIN與GPIO之間串聯(lián)一個330Ω電阻以抑制信號振蕩，LED旁并聯(lián)一個1000μF/6.3V電解電容進行電源濾波；

• 振動馬達：VCC→5V，通過NPN三極管(2N2222)集成到地圖板上，基極接至GPIO12(需加1kΩ限流電阻)，發(fā)射極接GND；這樣當GPIO12輸出高電平時，驅動三極管導通，振動馬達獲得5V電壓；

• 繼電器模塊：VCC→5V，GND→GND，IN→GPIO15，通過模塊上的光耦隔離與三極管驅動實現(xiàn)ESP8266與220VAC/直流設備的安全隔離。

4. PCB設計建議

• 采用雙面板設計，將ESP-12E模塊放置于PCB一側中部，預留USB母座接口區(qū)域，用于固件更新。

• 在ESP8266電源輸入處與AMS1117-3.3V穩(wěn)壓器之間放置輸入電容(10μF)與輸出電容(22μF)以穩(wěn)定電壓；同時在AMS1117輸出端并聯(lián)0.1μF陶瓷電容消除高頻噪聲。

• 將模擬信號(A0)與大功率繼電器、振動馬達等部分隔離布局，防止干擾，模擬信號線盡量走短并靠近接地平面。

• 在繼電器與振動馬達電路部分增加二極管(1N4007)作為線路反向浪涌保護，并且在繼電器驅動腳并聯(lián)0.1μF陶瓷電容抑制電磁干擾；

• 在關鍵傳感器(如MQ-2、MQ-135)模塊附近預留可調電位器空間，以調整靈敏度；在PIR與門磁開關等數字傳感器輸入引腳處并聯(lián)一個104(0.1μF)去耦電容，消除高頻抖動；

• 在PCB邊緣預留2×4針排針，用于連接外部OLED、按鈕與繼電器等，方便拆裝與調試；同時為方便擴展，可預留I2C、UART與SPI接口引出。

八、軟件實現(xiàn)與代碼示例

本節(jié)以Arduino IDE為開發(fā)環(huán)境，使用C++語言編寫ESP8266固件。主要邏輯包含：Wi-Fi與MQTT連接管理、傳感器初始化與讀取、事件觸發(fā)與告警處理、遠程控制命令解析。本示例代碼適用于ESP-12E開發(fā)板(Wemos D1 Mini亦可直接移植，僅需在開發(fā)板選擇中選定“LOLIN(Wemos) D1 R2 & Mini”)。

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 * 文件名：deaf_friendly_domotic.ino
 * 功能：ESP8266實現(xiàn)針對聽障人士的智能家居系統(tǒng)
 * 硬件：ESP-12E (或Wemos D1 Mini)、DHT22、MQ-2、MQ-135、
 *      HC-SR501、門磁開關、SSD1306 OLED、WS2812B RGB LED、
 *      振動馬達、繼電器模塊、緊急按鈕(按鍵) 
 * 開發(fā)環(huán)境：Arduino IDE 1.8.x
 * 依賴庫：ESP8266WiFi.h、PubSubClient.h、Adafruit_SSD1306.h、
 *      Adafruit_GFX.h、DHT.h、FastLED.h 
 **************************************************/

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include "DHT.h"
#include <FastLED.h>

/*-------------------宏定義區(qū)-------------------*/
#define DHTPIN        D1        // DHT22數據引腳連接至GPIO5(D1)
#define DHTTYPE       DHT22     // DHT22型號
#define PIR_PIN       D5        // HC-SR501輸出引腳GPIO14(D5)
#define MAGNET_PIN    D4        // 門磁開關信號GPIO2(D4)
#define RELAY_PIN     D8        // 繼電器輸入GPIO15(D8)
#define VIB_PIN       D6        // 振動馬達驅動GPIO12(D6)
#define BUTTON_PIN    D3        // 緊急按鈕輸入GPIO0(D3)
#define LED_PIN       D7        // WS2812B數據引腳GPIO13(D7)
#define NUM_LEDS      8         // WS2812B燈珠數量
#define SCREEN_WIDTH  128       // OLED寬度
#define SCREEN_HEIGHT 64        // OLED高度
#define OLED_RESET    -1        // OLED重置腳，-1表示無
#define ANALOG_PIN    A0        // ESP8266內置ADC
#define WIFI_SSID     "Your_SSID"    // Wi-Fi名稱
#define WIFI_PASS     "Your_PASS"    // Wi-Fi密碼
#define MQTT_SERVER   "test.mosquitto.org" // 測試MQTT服務器
#define MQTT_PORT     1883
#define MQTT_CLIENTID "DeafDomotic_01"
#define MQTT_ALERT_TOPIC   "home/alert"
#define MQTT_CONTROL_TOPIC "home/control"
#define TEMP_THRESHOLD     30   // 溫度告警閾值(攝氏度)
#define HUM_THRESHOLD      70   // 濕度告警閾值(%)
#define GAS_THRESHOLD      300  // 可燃氣體告警閾值(ADC值)
#define SMOKE_THRESHOLD    300  // 煙霧告警閾值(ADC值)

/*-------------------全局變量區(qū)-------------------*/
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
CRGB leds[NUM_LEDS];

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

bool pirState = false;
bool magState = false;
bool lastPirState = false;
bool lastMagState = false;
bool buttonState = false;
bool lastButtonState = false;

/*-------------------函數聲明區(qū)-------------------*/
void setup_wifi();
void reconnect_mqtt();
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length);
void readSensorsAndUpdate();
void publishAlert(const char* type, int value);
void displayStatus(const char* line1, const char* line2);
void visualAlert(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b, int flashes);
void vibrateAlert(int times, int duration);
int readGasSensor();   // 讀取MQ-2/MQ-135模擬值
void handleControlCommand(char* payload, unsigned int length);

/*-------------------初始化函數-------------------*/
void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(PIR_PIN, INPUT);
    pinMode(MAGNET_PIN, INPUT_PULLDOWN_16);
    pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
    pinMode(VIB_PIN, OUTPUT);
    pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
    digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
    digitalWrite(VIB_PIN, LOW);

    // 初始化WS2812B燈帶
    FastLED.addLeds<NEOPIXEL, LED_PIN>(leds, NUM_LEDS);
    FastLED.clear();
    FastLED.show();

    // 初始化OLED
    if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
        Serial.println("OLED未連接");
        while(true);
    }
    display.clearDisplay();
    display.setTextSize(1);
    display.setTextColor(SSD1306_WHITE);

    // 初始化DHT傳感器
    dht.begin();

    // 連接Wi-Fi與MQTT
    setup_wifi();
    client.setServer(MQTT_SERVER, MQTT_PORT);
    client.setCallback(callback);

    delay(2000);
    displayStatus("系統(tǒng)初始化完成", "等待傳感器數據");
    delay(1000);
}

/*-------------------主循環(huán)函數-------------------*/
void loop() {
    if (!client.connected()) {
        reconnect_mqtt();
    }
    client.loop();

    readSensorsAndUpdate();

    delay(2000); // 每2秒更新一次數據
}

/*-------------------Wi-Fi連接函數-------------------*/
void setup_wifi() {
    delay(10);
    displayStatus("正在連接WiFi", WIFI_SSID);
    WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
    int retry = 0;
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && retry < 20) {
        delay(500);
        Serial.print(".");
        retry++;
    }
    if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
        displayStatus("WiFi已連接", WiFi.localIP().toString().c_str());
        Serial.println("");
        Serial.println("WiFi已連接");
        Serial.print("IP地址: ");
        Serial.println(WiFi.localIP());
    } else {
        displayStatus("WiFi連接失敗", "進入AP配置模式");
        // 可擴展：進入AP模式，提供Web頁面供用戶重新配置Wi-Fi
    }
}

/*-------------------MQTT重連函數-------------------*/
void reconnect_mqtt() {
    while (!client.connected()) {
        Serial.print("正在連接MQTT...");
        if (client.connect(MQTT_CLIENTID)) {
            Serial.println("已連接");
            client.subscribe(MQTT_CONTROL_TOPIC);
            displayStatus("MQTT已連接", "");
        } else {
            Serial.print("失敗, rc=");
            Serial.print(client.state());
            Serial.println(" 嘗試 5 秒后重連");
            displayStatus("MQTT連接失敗", "重連中...");
            delay(5000);
        }
    }
}

/*-------------------MQTT消息回調函數-------------------*/
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
    // 處理遠程控制命令
    handleControlCommand((char*)payload, length);
}

/*-------------------傳感器讀取與狀態(tài)更新-------------------*/
void readSensorsAndUpdate() {
    // 讀取DHT22溫濕度數據
    float h = dht.readHumidity();
    float t = dht.readTemperature();
    if (isnan(h) || isnan(t)) {
        Serial.println("DHT讀取失敗");
    } else {
        char buf1[32], buf2[32];
        sprintf(buf1, "溫度: %.1f C", t);
        sprintf(buf2, "濕度: %.1f %%", h);
        display.clearDisplay();
        display.setCursor(0, 0);
        display.print(buf1);
        display.setCursor(0, 16);
        display.print(buf2);
        display.display();
        Serial.println(buf1);
        Serial.println(buf2);

        // 判斷溫濕度告警
        if (t > TEMP_THRESHOLD) {
            publishAlert("TEMP_HIGH", (int)t);
            visualAlert(255, 0, 0, 5);  // 紅色閃爍5次
            vibrateAlert(3, 200);       // 振動3次, 每次200ms
        }
        if (h > HUM_THRESHOLD) {
            publishAlert("HUM_HIGH", (int)h);
            visualAlert(255, 255, 0, 3); // 黃色閃爍3次
            vibrateAlert(2, 200);
        }
    }

    // 讀取可燃氣體與煙霧模擬值
    int gasVal = analogRead(ANALOG_PIN);  // 單ADC口示例，實際需多路切換
    Serial.print("可燃氣/煙霧 ADC: ");
    Serial.println(gasVal);
    if (gasVal > GAS_THRESHOLD) {
        publishAlert("GAS_HIGH", gasVal);
        visualAlert(255, 165, 0, 5);    // 橙色閃爍5次
        vibrateAlert(4, 150);           // 振動4次
    }
    if (gasVal > SMOKE_THRESHOLD) {     // 若需要區(qū)分可燃氣與煙霧，可用分時采樣或外接多路ADC
        publishAlert("SMOKE_HIGH", gasVal);
        visualAlert(255, 0, 0, 8);     // 紅色閃爍8次
        vibrateAlert(5, 150);          // 振動5次
    }

    // 讀取PIR傳感器
    pirState = digitalRead(PIR_PIN);
    if (pirState && !lastPirState) {
        publishAlert("MOTION_DETECTED", 1);
        displayStatus("檢測到有人移動", "");
        visualAlert(0, 0, 255, 3);      // 藍色閃爍3次
        vibrateAlert(2, 100);
    }
    lastPirState = pirState;

    // 讀取門磁開關
    magState = digitalRead(MAGNET_PIN);
    if (magState != lastMagState) {
        if (magState == HIGH) {
            publishAlert("DOOR_OPEN", 1);
            displayStatus("門已打開", "");
            visualAlert(255, 255, 255, 4); // 白色閃爍4次
            vibrateAlert(3, 100);
        } else {
            publishAlert("DOOR_CLOSED", 0);
            displayStatus("門已關閉", "");
        }
        lastMagState = magState;
    }

    // 檢測緊急按鈕
    buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW; // 按下時為低電平（下拉或上拉視電路而定）
    if (buttonState && !lastButtonState) {
        publishAlert("EMERGENCY", 1);
        displayStatus("緊急呼叫中", "");
        visualAlert(255, 0, 255, 10);    // 紫色閃爍10次
        vibrateAlert(10, 100);           // 持續(xù)振動
    }
    lastButtonState = buttonState;
}

/*-------------------發(fā)布告警至MQTT-------------------*/
void publishAlert(const char* type, int value) {
    char payload[128];
    // 獲取時間戳（此處僅用 millis() 示例，正式需要RTC或NTP同步）
    unsigned long ts = millis() / 1000;
    sprintf(payload, "{"type":"%s","value":%d,"timestamp":%lu}", type, value, ts);
    client.publish(MQTT_ALERT_TOPIC, payload);
    Serial.print("已發(fā)布告警: ");
    Serial.println(payload);
}

/*-------------------OLED顯示狀態(tài)函數-------------------*/
void displayStatus(const char* line1, const char* line2) {
    display.clearDisplay();
    display.setTextSize(1);
    display.setCursor(0, 0);
    display.print(line1);
    display.setCursor(0, 16);
    display.print(line2);
    display.display();
}

/*-------------------視覺告警函數(WS2812B)-------------------*/
void visualAlert(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b, int flashes) {
    for (int f = 0; f < flashes; f++) {
        for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
            leds[i].setRGB(r, g, b);
        }
        FastLED.show();
        delay(200);
        FastLED.clear();
        FastLED.show();
        delay(200);
    }
}

/*-------------------振動告警函數-------------------*/
void vibrateAlert(int times, int duration) {
    for (int i = 0; i < times; i++) {
        digitalWrite(VIB_PIN, HIGH);
        delay(duration);
        digitalWrite(VIB_PIN, LOW);
        delay(duration);
    }
}

/*-------------------處理遠程控制命令函數-------------------*/
void handleControlCommand(char* payload, unsigned int length) {
    // 解析JSON（此處示例簡化，生產環(huán)境推薦使用ArduinoJson庫）
    String cmd = String(payload).substring(0, length);
    Serial.print("收到控制命令: ");
    Serial.println(cmd);

    if (cmd.indexOf("relay_on") >= 0) {
        digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);
        displayStatus("繼電器已開啟", "");
    } else if (cmd.indexOf("relay_off") >= 0) {
        digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
        displayStatus("繼電器已關閉", "");
    }
    // 可擴展：多繼電器、多設備控制等
}

上述代碼實現(xiàn)了：

1. Wi-Fi與MQTT連接管理：在setup_wifi()與reconnect_mqtt()函數中完成Wi-Fi與MQTT Broker的連接與重連；

2. 多傳感器數據采集：在readSensorsAndUpdate()函數中分別讀取DHT22、MQ-2/MQ-135、HC-SR501、門磁開關、緊急按鈕等傳感器的數值；為方MQ-2與MQ-135采用同一模擬輸入時，可在硬件中加裝CD4051B多路開關或使用外置I2C ADC(如ADS1115)；

3. 告警觸發(fā)與反饋：當傳感器數值超過閾值時，通過publishAlert()將告警信息發(fā)布至MQTT主題，并調用visualAlert()與vibrateAlert()函數進行視覺與振動提醒；

4. OLED顯示狀態(tài)：通過displayStatus()函數實時更新OLED屏顯示內容，包括Wi-Fi連接狀態(tài)、傳感器讀數、告警類型等；

5. 遠程控制：通過callback()函數接收來自MQTT主題“home/control”的控制命令(如“relay_on”或“relay_off”)，并通過GPIO控制繼電器模塊；可根據項目需求擴展更多控制指令；

6. 事件去抖動與閾值判斷：對PIR和門磁開關做了狀態(tài)變化檢測，避免抖動誤報；對DHT22采樣值進行合法性判斷(isnan檢查)，防止傳感器讀數失敗時誤觸發(fā)；MQ傳感器部分可根據傳感器預熱時間(約2分鐘)來忽略預熱階段讀數。

九、手機App與云端交互

為了讓聽障用戶能夠遠程查看家中狀態(tài)并控制設備，本設計預留了兩種方案：

1. 基于MQTT的輕量級App

• 使用MIT Blynk或IoT MQTT Panel等開源客戶端配置：輸入Broker地址、端口、Topic與客戶端ID即可；創(chuàng)建虛擬按鈕(Virtual Button)與物理LED或Text Widget關聯(lián)，當收到home/alert主題的消息時，在App中彈出通知并顯示圖標；當觸發(fā)App上的按鈕時，將對應Payload(如“relay_on”)發(fā)布至home/control；

• 優(yōu)點：無需編寫App代碼，配置靈活，適合原型階段；缺點：界面定制性差、專業(yè)度不足；

2. 自定義Android App

• 使用Android Studio結合Paho MQTT Android客戶端庫開發(fā)：界面包含實時數據圖表、告警列表、設備控制面板與歷史記錄查詢等模塊；用戶通過觸摸屏幕即可查看實時溫濕度曲線、當前告警列表，并點擊“開燈”“關燈”“急?！钡劝粹o觸發(fā)遠程命令；

• 優(yōu)點：界面可按聽障用戶需求設計(大字體、高對比度、多彩圖標)，實現(xiàn)多語言切換(如中文、手語插圖等)，易于推廣；缺點：開發(fā)周期長，需要Android開發(fā)經驗。

3. 云端數據持久化與分析

• 在自有服務器或云服務(如AWS、阿里云、騰訊云等)上部署MongoDB或MySQL，將告警日志與傳感器數據存儲；比如，當ESP8266通過MQTT發(fā)布告警時，后端(使用Node.js或Python)接收后寫入數據庫；前端Web頁面通過RESTful API拉取歷史數據并以圖表形式展示(采用Chart.js或Morris.js等庫)，便于用戶回顧長期環(huán)境變化，提前預判風險；

• 結合機器學習(可選)：對收集到的溫濕度與氣體濃度數據進行趨勢分析，如發(fā)現(xiàn)異常漲幅后提前預警；

十、系統(tǒng)功能擴展與優(yōu)化建議

1. 電池備份與節(jié)能模式

• 增加鋰電池與TP4056充電模塊，實現(xiàn)斷電后系統(tǒng)繼續(xù)工作數小時；利用ESP8266深睡眠模式(Deep Sleep)降低空閑時功耗，僅在定時任務或事件觸發(fā)時喚醒；可將睡眠間隔設置為30秒或1分鐘，視對實時性的要求而定；對PIR等數字傳感器，可在硬件上采用中斷喚醒方式，降低睡眠期間功耗并提高響應速度。

2. 多路ADC或外置ADC

• ESP8266僅有一個10位ADC(0~1V)，無法直接連接多個MQ系列模擬輸出；可選擇集成ADS1115(I2C 16位ADC)或MCP3008(SPI 10位ADC)等，實現(xiàn)4或8路模擬輸入；ADS1115支持4路差分/單端測量，精度高達16位，可滿足更精細化氣體濃度檢測需求。

3. 增強安全性與穩(wěn)定性

• 對MQTT通信進行TLS加密(借助ESP8266BearSSL庫)，保證云端與本地通信安全，防止數據被中間人攻擊；

• 在固件中加入OTA功能(Over-The-Air)，允許遠程固件升級；可使用ArduinoOTA庫或MQTT OTA升級方案；

• 對關鍵任務(如告警發(fā)布)實現(xiàn)重試機制，當網絡斷開時，將告警保存至SPIFFS文件系統(tǒng)，待網絡恢復后重新上傳，避免漏報。

4. 更多傳感器與設備擴展

• 增加水浸傳感器、防盜竊磁力傳感器、光線強度傳感器(LDR)、環(huán)境PM2.5傳感器等，實現(xiàn)全屋環(huán)境感知；

• 增加接近傳感器或超聲波測距模塊(HC-SR04)，為聽障用戶提供跌倒監(jiān)測、家中老人行為監(jiān)測等功能。

5. 可視化交互界面與語義提示

• 在OLED基礎上升級為更大尺寸或彩色屏幕(如1.3寸SSD1306升級SSD1309或SSD1331彩屏)，使用圖形與手語圖標相結合的方式，為聽障者提供更友好的視覺提示；

• 增加藍牙或LoRa通信模塊，實現(xiàn)房屋偏遠區(qū)域或室外庭院的設備連接；

十一、總結

本設計基于ESP8266核心控制單元，為聽障人士量身定制了一套智能家居系統(tǒng)，涵蓋多種傳感器(溫濕度、可燃氣體、煙霧、紅外人體、門磁)、執(zhí)行器(繼電器、WS2812B LED、振動馬達)、告警方式(視覺、振動)、通信方案(Wi-Fi+MQTT)、遠程交互(App/云端)等模塊，既保證了系統(tǒng)的低成本與易擴展，又充分考慮聽障用戶對非聲響式告警的需求。文中從硬件選型(ESP-12E、AMS1117、LM2596、HC-SR501、MQ-2、MQ-135、DHT22、SSD1306、WS2812B、振動馬達、繼電器)、軟件架構(底層驅動、邏輯控制、告警反饋、通信、HMI)、PCB與電路布局、核心代碼實現(xiàn)，以及系統(tǒng)優(yōu)化與擴展建議等方面進行了詳盡闡述。

通過本方案，聽障用戶可在各個生活場景中及時獲得安全與環(huán)境狀態(tài)信息，并通過視覺與振動方式得到告警，避免因聽力障礙而錯過重要警示。該系統(tǒng)具有成本低、開發(fā)門檻低、功能豐富、可擴展性強的特點，未來可根據用戶實際需求，提高系統(tǒng)智能化程度（如AI語義識別、數據分析與預測），進一步提升聽障人士的生活質量與居家安全感。