一洪囤、背景
智能家居行業(yè)經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，就現(xiàn)在而言，還稱得上是方興未艾。在互聯(lián)網(wǎng)巨頭的介入下后得到快速提升，智能家居概念在市場中得到廣泛普及掏缎，而多項(xiàng)輔助技術(shù)也借此機(jī)會(huì)發(fā)展起來。
在許多行業(yè)都將目光投向智能化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的時(shí)候煤杀，不能忽視的是眷蜈，相關(guān)的技術(shù)必定是取得一定突破，才使智能化成為可能沈自。
物聯(lián)網(wǎng)酌儒，指利用各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別裝置酥泛、紅外傳感器今豆、光掃描等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)嫌拣。它可以利用信息傳感設(shè)備將家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，并與互聯(lián)網(wǎng)連接起來呆躲，進(jìn)行監(jiān)控异逐、管理信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)家居智能化插掂。
一個(gè)最常見的物聯(lián)網(wǎng)場景：
遠(yuǎn)在家里的硬件灰瞻，要發(fā)一個(gè)信息給我的手機(jī)。 實(shí)現(xiàn)方案是辅甥，硬件和手機(jī)連接同一個(gè)MQTT 代理服務(wù)器(mqtt broker)酝润，手機(jī)根據(jù)MQTT協(xié)議，注冊(cè)一個(gè)話題A璃弄，硬件根據(jù)MQTT協(xié)議要销，向代理服務(wù)器發(fā)送話題A，附上信息夏块。代理服務(wù)器疏咐，會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給手機(jī)，至此完成物聯(lián)網(wǎng)通信,硬件就是NodeMCU脐供。
本大作業(yè)是基于MQTT協(xié)議的手機(jī)客戶端控制NodeMcu模塊的一個(gè)小鋼琴的實(shí)現(xiàn)。
基本上能夠?qū)崿F(xiàn)控制政己，通訊功能酌壕，由于其他同學(xué)做出的各種監(jiān)測溫濕度，燈泡控制的比較多歇由，所以我在上學(xué)期大作業(yè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了衍生卵牍，做到了通過APP中的鋼琴鍵來控制蜂鳴器發(fā)出不同的音符，而產(chǎn)生美妙的音樂印蓖，看起來也很酷炫辽慕。
二京腥、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
APP界面：
主要功能：
手機(jī)APP上點(diǎn)擊鋼琴鍵1（do），2（re）公浪，3（mi）他宛，4（fa），5（sol）欠气，6（la）厅各，7（si），NodeMcu則控制蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)预柒，并且燈泡會(huì)在鋼琴鍵按下的時(shí)候閃爍一下队塘，可以根據(jù)給出的《兩只老虎》的簡譜來彈奏袁梗。
界面上下方已有曲目中，點(diǎn)擊《葫蘆娃》或者《天空之城》的按鈕憔古，蜂鳴器會(huì)發(fā)出一段完整的
曲子遮怜，并且在Oled顯示屏上顯示這首曲子的英文名。
1鸿市、選擇的協(xié)議：MQTT
Android端實(shí)現(xiàn)消息推送的協(xié)議有很多種锯梁，而MQTT是一個(gè)輕量級(jí)的消息發(fā)布/訂閱協(xié)議，它是實(shí)現(xiàn)基于手機(jī)客戶端的消息推送服務(wù)器的理想解決方案焰情。
MQTT的優(yōu)點(diǎn)：
客戶機(jī)較小并且 MQTT 協(xié)議 高效地使用網(wǎng)絡(luò)帶寬陌凳，在這個(gè)意義上，其為輕量級(jí)内舟。MQTT 協(xié)議支持可靠的傳送和即發(fā)即棄的傳輸合敦。 在此協(xié)議中，消息傳送與應(yīng)用程序脫離验游。 脫離應(yīng)用程序的程度取決于寫入 MQTT 客戶機(jī)和 MQTT 服務(wù)器的方式蛤肌。脫離式傳送能夠?qū)?yīng)用程序從任何服務(wù)器連接和等待消息中解脫出來。 交互模式與電子郵件相似批狱，但在應(yīng)用程序編程方面進(jìn)行了優(yōu)化裸准。
協(xié)議具有許多不同的功能：
它是一種發(fā)布/預(yù)訂協(xié)議。
除提供一對(duì)多消息分發(fā)外赔硫，發(fā)布/預(yù)訂也脫離了應(yīng)用程序炒俱。對(duì)于具有多個(gè)客戶機(jī)的應(yīng)用程序來說，這些功能非常有用爪膊。
它與消息內(nèi)容沒有任何關(guān)系权悟。
它通過 TCP/IP 運(yùn)行，TCP/IP 可以提供基本網(wǎng)絡(luò)連接推盛。
它針對(duì)消息傳送提供三種服務(wù)質(zhì)量：
“****至多一次” 消息根據(jù)底層因特網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)盡最大努力進(jìn)行傳遞峦阁。 可能會(huì)丟失消息。 例如耘成，將此服務(wù)質(zhì)量與通信環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)一起使用榔昔。 對(duì)于是否丟失個(gè)別讀取或是否稍后立即發(fā)布新的讀取并不重要。
“****至少一次” 保證消息抵達(dá)瘪菌，但可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)撒会。
“****剛好一次” 確保只收到一次消息。 例如师妙，將此服務(wù)質(zhì)量與記帳系統(tǒng)一起使用诵肛。 重復(fù)或丟失消息可能會(huì)導(dǎo)致不便或收取錯(cuò)誤費(fèi)用。
它是一種管理網(wǎng)絡(luò)中消息流的經(jīng)濟(jì)方式默穴。 例如怔檩，固定長度的標(biāo)題僅 2 個(gè)字節(jié)長度褪秀，并且協(xié)議交換可最大程度地減少網(wǎng)絡(luò)流量。
它具有一種“遺囑”功能薛训，該功能通知訂戶客戶機(jī)從 MQTT 服務(wù)器異常斷開連接溜歪。請(qǐng)參閱“最后的消息”發(fā)布。
因此许蓖，我們使用MQTT作為本次大作業(yè)通信協(xié)議蝴猪，基本實(shí)現(xiàn)過程在后面的部分會(huì)詳細(xì)介紹。
MQTT服務(wù)器的搭建在后面部分詳細(xì)介紹膊爪。
2自阱、硬件單元
硬件單元由NodeMcu，蜂鳴器米酬，Oled顯示屏沛豌，燈泡組成。
NodeMcu為主控設(shè)備赃额，其他模塊接在NodeMcu上加派，由NodeMcu來控制其他模塊。
各個(gè)模塊的控制方法在后面的部分有詳細(xì)介紹跳芳。
3芍锦、軟件單元
可自動(dòng)連上MQTT服務(wù)器的APP。
APP連接服務(wù)器的方法在后面部分介紹飞盆。
4娄琉、整個(gè)框圖：
由上圖可知手機(jī)APP和NodeMcu通過MQTT服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了相互通信吓歇。
實(shí)現(xiàn)方式：
硬件和手機(jī)連接同一個(gè)MQTT 代理服務(wù)器(mqtt broker)孽水，手機(jī)根據(jù)MQTT協(xié)議，注冊(cè)一個(gè)話題A城看，硬件根據(jù)MQTT協(xié)議女气，向代理服務(wù)器發(fā)送話題A，附上信息测柠，代理服務(wù)器炼鞠，會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給手機(jī)。相反鹃愤，硬件部分可以訂閱一個(gè)話題B簇搅，手機(jī)向代理服務(wù)器發(fā)送信息到話題B完域，代理服務(wù)器软吐，會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給硬件，至此完成物聯(lián)網(wǎng)通信,硬件就是NodeMCU吟税。
蜂鳴器等部分：
由NodeMcu控制凹耙，在不同的消息下產(chǎn)生不同的反應(yīng)姿现，比如發(fā)出不同音符，顯示曲子名等肖抱。
三备典、硬件設(shè)計(jì)
1、 主要模塊介紹：
1) OLED顯示屏
使用此模塊需要安裝以下的庫：
安裝方法：在Arduino IDE中添加意述，項(xiàng)目->加載庫->管理庫->搜索上面兩個(gè)庫提佣，并下載：
首先調(diào)用前面下載的庫文件：
再定義接口：
Void Setup（）中初始化：
實(shí)際使用的方法，此部分顯示了當(dāng)前播放的歌曲的名字：
2) 蜂鳴器模塊
將蜂鳴器VCC和GND口直接接入正負(fù)極荤崇，I/O信號(hào)口接入NodeMCU的D4接口
讓蜂鳴器響起來拌屏，以下的函數(shù)pin表示引腳，frequency表示頻率
停止發(fā)聲：
當(dāng)然不同的樂音有著不同的頻率术荤，下面貼出對(duì)應(yīng)的樂音頻率表：
實(shí)現(xiàn)音樂有兩個(gè)基本的要素倚喂，第一是音符，上面已經(jīng)給出瓣戚；第二是節(jié)奏端圈，也就是拍子，或者說音符時(shí)值子库。那么delay()函數(shù)可以用于延長這個(gè)音舱权，因此我們?nèi)绻?guī)定四分音符的時(shí)延，編寫一個(gè)時(shí)延數(shù)組就可以控制延長的時(shí)間仑嗅。這些在代碼中都運(yùn)用到了刑巧。
3) NodeMCU
NodeMcu是一款開源快速硬件原型平臺(tái)，包括固件和開發(fā)板无畔，用幾行簡單的Lua腳本就能開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用啊楚。
特點(diǎn)：開源，交互式浑彰，可編程恭理，低成本，簡單郭变，智能颜价，WI-FI硬件。
基于樂鑫esp8266的NodeMcu開發(fā)板诉濒，具有GPIO周伦、PWM、I2C未荒、1-Wire专挪、ADC等功能，結(jié)合NodeMcu 固件為您的原型開發(fā)提供最快速的途徑。
使用方法：
首先在Arduino IDE中安裝固件寨腔，這樣可以直接用c++來編程：
將NodeMcu用usb數(shù)據(jù)線接在電腦上速侈，并且在“工具“中選用NodeMcu開發(fā)板，這樣就可以進(jìn)行開發(fā)迫卢。
2倚搬、整個(gè)系統(tǒng)介紹
1、電路圖：
2乾蛤、模塊之間的聯(lián)系：
將硬件代碼燒錄在NodeMcu板上每界，NodeMcu利用WiFi功能連上手機(jī)熱點(diǎn)或者無線網(wǎng)，再通過MQTT協(xié)議的功能來訂閱某一個(gè)特定的topic家卖，從而做到能從其他設(shè)備中（本項(xiàng)目中是我的手機(jī)）受到消息盆犁，根據(jù)收到的消息的不同，從而來控制蜂鳴器發(fā)出的聲音的音調(diào)不同篡九，燈泡的亮滅和顯示屏是否顯示數(shù)據(jù)谐岁。
3、實(shí)物圖：
四榛臼、軟件設(shè)計(jì)
1伊佃、 主要通訊協(xié)議之MQTT
1)MQTT
服務(wù)器搭建
.在http://activemq.apache.org/apollo/download.html下載Apollo服務(wù)器，解壓后安裝沛善。
.命令行進(jìn)入安裝目錄bin目錄下（例：E:>cd E:\MQTT\apache-apollo-1.7.1\bin）航揉。
.輸入apollo create XXX（xxx為創(chuàng)建的服務(wù)器實(shí)例名稱，例：apollo create mybroker）金刁，之后會(huì)在bin目錄下創(chuàng)建名稱為XXX的文件夾帅涂。XXX文件夾下etc\apollo.xml文件下是配置服務(wù)器信息的文件。etc\users.properties文件包含連接MQTT服務(wù)器時(shí)用到的用戶名和密碼尤蛮，默認(rèn)為admin=password媳友，即賬號(hào)為admin，密碼為password产捞，可自行更改醇锚。
.進(jìn)入XXX/bin目錄，輸入apollo-broker.cmd run開啟服務(wù)器坯临，看到如下界面代表搭建完成
之后在瀏覽器輸入http://127.0.0.1:61680/焊唬，查看是否安裝成功
輸入：username：admin； password：password進(jìn)入下面的界面：
2）MQTT安卓客戶端的具體實(shí)現(xiàn)
基本概念：
導(dǎo)入jar包到安卓目錄下的libs：
給軟件添加權(quán)限：
連接設(shè)置（IP為本機(jī)的IP地址看靠，在cmd中ipconfig/all中獲得）：
對(duì)于安卓連接MQTT服務(wù)器的方法以及代碼在以下網(wǎng)址中有詳細(xì)介紹：
http://blog.csdn.net/qq_17250009/article/details/52774472
一旦連接上服務(wù)器后赶促，安卓端就可以向服務(wù)器中的topic發(fā)送消息了
下圖為發(fā)送消息到topic-“l(fā)xr“的代碼，修改msg的內(nèi)容即可實(shí)現(xiàn)發(fā)送不同的控制信息
舉一個(gè)例子：在布局文件中有1（do）按鈕挟炬，設(shè)置點(diǎn)擊事件鸥滨，當(dāng)按下1時(shí)嗦哆，將msg=“a“，再發(fā)送到topic-“l(fā)xr”爵赵，那么所以訂閱了 “l(fā)xr”的設(shè)備均可以接受到“a”,從而產(chǎn)生不同的音調(diào)吝秕。
安卓中代碼（D1為按鈕1的id）：
Arduino端的代碼：
連上MQTT的時(shí)候訂閱 topic “l(fā)xr”：
Void loop()****中調(diào)用****callback****：
之后會(huì)不停的調(diào)用下圖的函數(shù)泊脐，對(duì)收到的信息做出判斷：
2空幻、主要功能之蜂鳴器播放天空之城（葫蘆娃）
如下圖，按照本報(bào)告中的硬件設(shè)計(jì)中的音調(diào)部分把每個(gè)需要的音符和頻率值對(duì)應(yīng)起來：
節(jié)拍部分：
這里定義一個(gè)變量容客，后面用來表示共有多少個(gè)音符
整首曲子的音符的排列順序單獨(dú)放在一個(gè)數(shù)組內(nèi)：
整首曲子的節(jié)拍部分排列順序：
主體循環(huán)部分的代碼：
將上述的代碼封裝在一個(gè)函數(shù)中秕铛，在callback函數(shù)中調(diào)用即可。
由天空之城這首曲子的例子可知缩挑，我們能用這種方法寫出更多的曲子的音符節(jié)拍的排列順序但两，這樣就可以把他們播放出來，葫蘆娃就是用了同樣的方法供置，其他的歌曲也都可以谨湘。
五、使用說明
1芥丧、將NodeMcu通上電源紧阔，連好電路，確保無接觸不良续担，然后運(yùn)行代碼擅耽，連上WiFi以及MQTT。
2物遇、將安卓代碼運(yùn)行乖仇，并且下裝到自己手機(jī)上，會(huì)出現(xiàn)如下圖所示的界面：
3询兴、APP使用方法：
可彈曲目表示： 1（do）乃沙，2（re），3（mi）诗舰，4（fa）崔涂，5（sol），6（la）始衅，7（si）鍵分別代表著不同的音調(diào)冷蚂，根據(jù)所示的簡譜點(diǎn)擊按鍵會(huì)演奏出兩只老虎的音樂。對(duì)照著網(wǎng)上很多其他的曲譜也可以彈出一些比較簡單的音樂汛闸。
已有曲目：有天空之城和葫蘆娃蝙茶，這些是我事先寫在代碼的音樂，tone函數(shù)中調(diào)用了大概20多種頻率诸老，不只是上面圖中所示的7種隆夯。這兩首歌點(diǎn)擊按鈕，蜂鳴器即可演奏出美妙的音樂。
需要全部代碼的留言一下蹄衷，可私發(fā)忧额。
