基于ESP8266与OneNet的电子工艺实习套件的设计

冯 伟, 肖永松, 王 琳, 彭 力

(江南大学 物联网工程学院， 江苏 无锡 214122)

0 引 言

培养具有创新意识、实践能力和具有工程素养的复合型人才，对于提高国家的科技竞争力和制造业的水平，以及学生的就业和入职工作的适应能力，都具有重要的意义[1]。电子工艺实习作为学生接触电子电路及培养创新思维的启蒙课程，在提升学生工程实践能力、培养良好的科学素质和创新意识方面所起的作用不容忽视[2]。

传统电子工艺实习课程注重对单纯的电子套件进行焊接，这类套件可以使学生认识电子元器件、锻炼学生的焊接能力，但也具有不可忽视的缺点：只侧重锻炼学生的焊接能力，不具备编程功能、无法扩展，课程结束后无法继续使用，不具备创新价值[3-5]；开设这门课程的学生处于低年级，很多专业课程还没有开设，学生被动接受知识，没有自主性，不利于培养创新思维。

针对上述缺点，有些高校也在对电子工艺实习套件进行探索和改革，最常见的就是基于89C51单片机的电子工艺实习套件。这类套件已经具有了简单的编程能力和扩展性，但89C51本身性能有限、不具备联网功能，限制了套件的扩展性；编程语言限定C语言，专业性和年级性限制了套件的推广。为了满足培养学生动手能力、创新意识的要求，设计了一种电子工艺实习套件，它的硬件基于ESP8266，软件基于Arduino，它还具有WiFi联网功能，云平台则基于中移物联网的OneNet物联网公共平台[6-8]。

1 系统整体设计

电子工艺实习套件整体系统如图1所示，分为硬件、云平台、客户端。

图1 系统框图

硬件采用电子积木的连接方式，分为核心底板、传感器、交互、控制和创意等扩展板。核心底板的处理器模块为基于ESP8266的可编程WiFi模块，具有可编程能力和WiFi联网功能，有很好的扩展性。传感器扩展板可焊接常用的传感器。交互扩展板集成了4位1体共阴极数码管和4个独立按键，可以实现简单的人机交互。控制扩展板集成了继电器控制电路，可通过云平台实现简单的远程控制。创意扩展板为具有与核心底板接口的标准2.54 mm孔距的空白通用板，学生可以根据自己的思路自主发挥创意。核心底板和传感器、交互、控制、创意等扩展板之间采用2排8脚的长脚排母连接，可以实现上下层叠的电子积木式连接，学生也可以自主设计扩展PCB，并不局限于现有的板卡和连接方式。各板上体积较小的贴片器件预先使用贴片机焊接，较大的贴片器件和插接件留空不焊接，留作上课时给学生焊接，以锻炼学生的焊接能力。

云平台采用中开放物联网云平台OneNET。客户端则分为Web和APP，通过浏览器、手机可以查看硬件上传到云平台的数据，也可以控制硬件。

课程内容设置方面保留了电子元器件的识别、测量仪器的使用、电路绘制软件的使用等传统电子工艺实习课程的内容，动手实践部分则围绕此套件展开，除了焊接之外，基于现成的传感器、交互和控制等扩展版采用固定题目的项目式教学，课程考核则基于创意扩展板或学生自主设计的扩展板进行创新设计。

2 核心底板的设计

核心底板集成了ESP8266 12N最小系统模块与程序烧写、通信模块。ESP8266 12N模块的最小系统如图2所示。

图2 核心底板最小系统

ESP8266 12N继承了ESP8266EX芯片，具有完整且自成体系的WiFi网络功能，具有GPIO、UART、ADC、SPI、IIC等完整外设，还集成了天线开关、射频、功放、低噪放大器、滤波器及电源管理模块，使用时仅需要少量的外部器件即可，非常适合物联网应用[9-10]。ESP8266EX芯片可以运行Lua、Arduino、MicroPython等语言，开发方便，无需专用仿真器，通过芯片的UART即可下载程序。UART通信及程序烧写电路如图3所示。

图3中P1为Micro USB接口，可以作为核心底板的供电、UART通信、程序烧写接口。ME6211为低压差LDO芯片，提供ESP8266需要的3.3V直流电源，因为是低压差芯片，故核心底板也支持锂电池供电。CH340C芯片为一款USB转串口芯片，用于UART通信和烧写程序，它片内集成了晶振，可有效减小电路板面积。Q1、Q2为2个NPN三极管，它们与CH340C可以实现代码的一键下载，即无需硬件做任何操作，只需要烧写软件点击一次下载就可以完成ESP8266的复位及代码烧写。

核心底板通过2组8脚的2.54 mm长脚排母将D0-D8、电源、UART的端口引出与其它扩展板通信。

3 传感器扩展板的设计

传感器扩展板预设了几个比较常用的传感器，用于课程进行过程中实施项目化教学。考虑到电子工艺实习课程的特点，器件特意选用了插接件的封装方式，便于学生动手焊接，以锻炼实际动手能力。传感器扩展板的电路如图4所示。

图3 UART通信、程序烧写电路

图4 传感器扩展板电路

P4接口为DHT11温湿度传感器和DS18B20温度传感器的一体化接口，这两种传感器都是单总线协议的传感器，故将它们设计于一个接口之上，根据课程实施需要选择即可。P5为IIC接口的高精度温湿度传感器SHT20。R15为3950型号的NTC热敏电阻，通过A/DC获取分压值即可换算得到温度值。上述传感器的选择尽量考虑了焊接的可实施性及外设接口的多样化，可通过项目化教学锻炼学生的动手能力、编程能力，开拓学生视野[11]。

4 控制扩展板的设计

控制扩展板主要是继电器控制电路，可以实现简单的远程控制，以满足教学及学生创意需要。电路图如图5所示，Q1为三极管，用于增强I/O口的驱动能力，二极管D1做续流二极管，用于保护继电器。

图5 控制扩展板电路

5 交互扩展板的设计

交互扩展板集成了4位1体共阴极数码管及4个按键，可以实现简单的人机交互。电路图如图6所示。

图6 交互扩展板电路

U4为IIC接口的键盘数码管驱动芯片TM1650，它最多可以驱动4位8段数码管及28个按键。TM1650与核心底板间的通信只占用2个I/O口，封装为SOP16小体积封装，具有良好的扩展性。

6 软件设计

套件有2部分涉及软件设计：硬件、云平台。

硬件部分为核心底板需要编程来实现功能。核心底板的ESP8266 12N模块支持Lua、Arduino、MicroPython语言，考虑到电子工艺实习课程的对象为低年级本科生，故采用了相对简单的Arduino语言。套件的开发环境为Arduino 1.8.0版本，从Arduino官方网站下载安装并安装Java插件即可使用，外设函数可以直接使用Arduino库，可以迅速掌握编程方法。硬件与云平台的通信采用http协议，代码中上传传感器值的代码需要发送以下字符串：

POST /devices/4656380/datapoints?type=3 HTTP/1.1

Host: 183.230.40.33:80

api-key: JM1EG2H05b4tfmrnZq8mlty5jdM=

Cache-Control: no-cache

{

"tempvalue" : "24",

"humvalue" : "45"}

}

字符串符合http协议POST请求方法的协议规范，其中第1行的“devices”“datapoints”为OneNET平台要求的协议内容，分别代表类型为设备、数据内容为JSON格式。“4656380”为在OneNET平台添加设备时分配的设备ID。第2行“Host”为OneNET平台的服务器IP地址和端口号。第3行“api-key”为OneNET平台分配的用户密钥，每个用户的api-key都是唯一的。第6、7行的“tempvalue”“humvalue”为用户添加传感器时设置的传感器名称，也称为数据流，“24”“45”为传感器采集的值。

云平台使用开放物联网云平台OneNET，它支持多种网络协议，能够轻松的实现设备接入、设备管理。OneNET的Web界面编程采用控件拖拽式编程，耗费极短的时间即可实现比较理想的效果；APP直接下载登录即可在移动设备端界面查看、管理接入的设备[12-13]。设计界面时只要将选用的控件与需要显示的数据流绑定即可，Web界面示例如图7所示。

图7 云平台Web界面

7 结 语

基于ESP8266与OneNET的电子工艺实习套件解决了传统电子工艺实习套件注重焊接而忽视创意的问题。它采用电子积木的连接方式，各板之间任意搭配叠加，具有较强的扩展性、创意性；它采用项目化课程设置，增加了编程内容，可以培养学生分析、解决问题的能力，增强对专业的兴趣[14]；它还具有WiFi联网功能，并接入了物联网云平台，使套件具有了智能化潜力，增强了创意性。

基于ESP8266与OneNET的电子工艺实习套件成本低廉，扩展性、创意性强，可适用于高校电子工艺实习课程、创新创业比赛、创客教育，甚至在中小学STEAM教育中也具有推广价值[15]。