4.3 功能及总体设计
本作品主要分为三部分进行设计：网络控制模块、显示模块和振动开门模块。
4.3.1 功能介绍
本开门装置可通过网络控制一个继电器来实现振动传感器的开关，即决定是否启用振动开门方式。启动振动传感器，进入游戏状态后，开门者根据显示屏提供的开门提示敲击对应歌曲旋律，由固定在门上的振动传感器感受两次敲击之间的时间间隔，在误差允许范围内敲击旋律正确则启动直流电机拉开门锁。若开门者敲击节奏错误则更换歌曲，可以继续验证，从安全方面考虑，总尝试次数有限，无论验证成功还是失败，均会亮起对应的提示灯。
4.3.2 总体设计
本项目开关部分选用ESP8266 WiFi模块与单路继电器模块来控制振动传感器的状态；显示部分选用12864液晶屏显示开门提示；主程序部分采用振动传感器感应敲门的节奏频率。若开门节奏正确，则驱动直流电机，门成功打开，同时接入1个RGB三色灯来对应是否成功开启。
1．整体框架图
项目的整体框架如图4-1所示。
图4-1 整体框架图
2．系统流程图
系统的流程如图4-2所示。
接通电源以后，服务器发送指令“on”，使继电器处于闭合状态，振动传感器开始工作，显示屏显示开门提示，开门者需按一定频率敲门，振动传感器感受振动频率。频率正确，驱动模块驱动直流电机，开门成功，RGB三色灯的绿灯亮；否则开门失败红灯亮；开门次数超过3次后，需等待10min后才有开门机会。
图4-2 系统流程图
3．总电路图
系统总电路及Arduino UNO开发板引脚如图4-3所示。
本电路图较为复杂，下面分模块说明各元器件间的引脚连线。
LCD显示模块：12864液晶显示屏采用SPI接线方式。其D/I口、R/W口、E口分别与开发板的数字I/O端10、11、13相连，K（-）、CS1及VSS与开发板GND相连，A（+）、VDD与+5V端口相连。
网络控制模块：ESP8266的VCC端连接Arduino开发板的3.3V来通电，CH_PD通过10kΩ的电阻连接到Arduino开发板的3.3V电源上，模块上的RX、TX作为通信端口，RX接Arduino上的TX，TX接Arduino开发板上的RX端口，两元件的地线相连即可；继电器接通电源，IN端接开发板数字信号I/O口5，COM端接+5V，NC端与振动传感器正极相连，振动传感器负极接地。
图4-3 总电路图
开门模块：振动传感器的DO口与开发板数字I/O端2相连；小直流电机与直流电机驱动板OA1、OB1相连，2个引脚无方向；电机驱动板的A-IA、A-IB口与开发板数字I/O端3、4相连，VCC和GND端分别接+5V和地；RGB三色灯的GND端口接地，R、G、B端分别接数字I/O口7、6、8。
4.3.3 模块介绍
本项目主要包括三个模块：网络控制模块、主程序模块和LCD显示模块。下面分别给出各部分的功能、元件、电路图和相关代码。
1．网络控制模块
1）功能介绍
Arduino通过ESP8266连接贝壳物联网服务，实现远程控制继电器的闭合断开状态，并将结果反馈至控制界面。
选用贝壳物联网，通过ESP8266-01S、Arduino开发板与PC连接。以AT指令将WiFi模块与物联网连接，并将其设置为透传模式，使其达到通电自动连接的功能；将WiFi模块通过Arduino开发板与继电器、振动传感器连接，进而通过控制继电器的闭合开关状态，控制传感器的工作。
所用元器件：1个Arduino UNO R3，1只继电器，1只振动传感器，1只ESP8266-01S，1只10kΩ电阻，1块面包板，若干杜邦线；ESP8266需先进行透传设置。电路如图4-4所示，元件间的连线如表4-1和表4-2所示。
图4-4 网络控制模块
表4-1 ESP8266-01S接线对照表
表4-2 继电器与常开型振动传感器
继电器线圈没有电压时，继电器没有吸合，公共端与常闭端接通；当有电压时，继电器吸合，公共端与常开端接通。在这里采用继电器接常闭端法，如图4-5所示。
（1）ESP8266的透传设置。硬件包括USB转TTL模块，ESP8266-01S。软件包括网络调试助手。接线实物如图4-6所示，接线如表4-3所示。
表4-3 接线对照表
图4-5 接常闭端接法图
图4-6 接线实物图
（2）串口调试工具及AT指令调试示例。在串口调试工具中选择正确的串口及波特率，本项目采用的波特率为115200，打开“计算机”→“设备管理器”→“端口”，设置如图4-7所示。
图4-7 串口及波特率图
打开网络调试助手，设置ESP8266的波特率，如图4-8所示。
（3）AT指令。
①查看版本号（这个非常重要），不同的版本AT指令的操作不太一样。
图4-8 ESP8266的波特率图
②V1.0+固件命令如下：
第一步：关闭回显功能ATE0。第二步：重启AT+RESTORE。第三步：连接WiFi。
第四步：ESP8266设备连接服务器。
需要注意：在连接WiFi的AT指令中，必须使用字符串输入名称和密码，因此需要使用双引号；通过串口发送AT指令时，一定要回车换行，若没有回车换行，会导致发送和返回是一样的，同时串口也不承认＂\r\n＂指令，只能通过键盘来操作。
至此，ESP8266已经成为一个透传模块，只要给ESP8266通上电，它即可连上WiFi，最终显示结果如图4-9所示。
（4）ESP8266与服务器的通信。
①打开贝壳物联网，注册1个账号并创建1个设备，将会得到设备ID（DEVICEID）、设备密码（APIKEY），记录下来，此时设备不在线。
②将设置好的ESP8266与Arduino、继电器、振动传感器按上面所描述的接线方式连接。
图4-9 ESP8266连接成功
③烧录代码，上传程序。
④刷新贝壳物联网的界面，这时设备显示在线，如图4-10所示；需要注意的是，如果设备不在线，请检查透传是否正确、设备ID及设备密码是否正确。
图4-10 贝壳物联界面
⑤点开智能设备中的设备对话，选择上线设备后，命令发送目标选择“设备ID”，发送框内“play”，可观察到振动传感器的指示灯亮了，说明此时振动传感器在工作状态，网络控制模块运行成功。运行过程如图4-10所示。输入和反馈结果如下：
命令输入栏里，输入：play。
命令记录栏里，反馈：sensor on——振动传感器工作。
命令输入栏里，输入：stop。
命令记录栏里，反馈：sensor off——振动传感器不工作。
2）相关代码
2．LCD显示及振动模块
由于液晶屏显示文字与振动传感器获取的游戏者验证情况有关，代码连续，故将两模块合写。
1）功能介绍
主程序模块：继电器开关闭合使振动传感器接通电源后，振动传感器感受振动频率并与代码内设频率相比较。若敲击次数及时间间隔在容错范围内测试为验证成功，则绿色LED亮，直流电机转动拉动门锁开门；否则红色LED亮，换下一首歌，继续验证。连续错3次后，RGB三色灯闪烁，开门者被禁止继续尝试，10min后可进行下一轮验证。
显示屏模块：每次验证时显示内设歌曲名称，并在验证后显示验证成功或失败信息。
所用元件包括：1个Arduino UNO R3、1个振动传感器、1个普通小直流电机、1个12864LCD液晶屏、1个直流电机驱动板、1个面包板、若干杜邦线。
（1）振动传感器SW-1801P。
基本原理：振动传感器SW-1801P基于弹簧摆动原理，如图4-11所示。塑料管里有一个软弹簧围绕着中心的金属杆，两者平时互不接触，当受到一定外界振动时，就会令弹簧摇晃并碰到金属杆，输出一个接通信号。在静止时任何角度都为开路OFF状态，当受到外力碰撞或者大力晃动时，弹簧变形和中心电极接触导通使两个引脚瞬间为ON状态，当外力消失时，电路恢复为开路OFF状态。
图4-11 振动传感器SW-1801P
对于该振动传感器模块来说，无振动或者振动强度达不到设定阈值时，D0口输出高电平；当外界振动强度超过设定阈值时，模块D0输出低电平。由于导通时间和弹簧的刚性有关，所以该振动传感器的输出带宽很窄，在使用Arduino读取时，使用外部中断功能，如图4-11所示。
图4-12 振动传感器调试
振动模块VCC接开发板VCC，GND接开发板GND，连接正常，模块电源指示灯会亮。将模块轻放桌面上，调节板上蓝色电位器，直到开关指示灯亮，然后稍微回调电位器，让开关指示灯灭，再用手敲打桌面，使振动传感器有震感，此时，开关指示灯再回到亮状态。振动停止，开关指示灯也会灭。即振动可以触发模块，从而使开关指示灯点亮，如图4-12所示。
示例程序如下：
串口输出部分数据举例如下：
1023
1023
1023
1023
1023
1023
1023
67
257
1023
1023
1023
1023
通过串口监视器，观察敲击振动传感器使其静止时的数据变化，大致确定该振动传感器能否正常工作。可以看到，当传感器感受到振动时，数字会变小。
另外，由于传感器本身质量问题，金属棒可能不在弹簧正中间，此时传感器放置在不同方向（例如竖直和平放）时串口输出数据也不同，所以也要测试一下传感器向不同方向倾斜时的情况，以寻找摆放传感器的合适角度。
（2）12864LCD液晶显示屏（带字库）。
硬件连接：SPI连接方式如总电路所示，汉字内码转换软件、LCD12864RSPI库文件可从网络获取。如果12864库文件适用版本低，需要修改文件。操作如下：Arduino UNO的SPI为10（SS），11（MOSI），12（MISO），13（SCK）。所以，把LCD12864RSPI.h头文件中的
Static const int latchPin = 8;
Static const int clockPin = 3;
Static const int dataPin = 9;
修改为
Static const int latchPin = 10;
Static const int clockPin = 13;
Static const int dataPin = 11;
同时，将“LCD12864RSPI.cpp”中的开始部分修改为
（3）普通小直流电机＋直流电机驱动板。
L9110 S桥两路直流电机驱动板，如果要将装置应用在真实的房门上，需要动力更大的直流电机，本项目的示意模型只用一个小直流电机即可实现。在后续测试中发现，直流电机驱动板在与其他元件接同一个5V电源时，容易出现问题，所以用另一块开发板单独给它供电。
①模块接口说明。
6P黑色弯排针说明：
1引脚VCC外接2.5～12V电压；
2引脚GND外接GND；
3引脚IA1外接单片机I/O口；
4引脚IB1外接单片机I/O口；
5引脚IA2外接单片机I/O口；
6引脚IB2外接单片机I/O口。
4P绿端子说明：
1引脚OA1 OB1接直流电机2个引脚，无方向；
2引脚OA2 OB2接直流电机2个引脚，无方向。
②模块使用说明。
接通VCC，GND模块电源指示灯亮；
IA1输入高电平，IA1输入低电平，【OA1 OB1】电机正转；
IA1输入低电平，IA1输入高电平，【OA1 OB1】电机反转；
IA2输入高电平，IA2输入低电平，【OA2 OB2】电机正转；
IA2输入低电平，IA2输入高电平，【OA2 OB2】电机反转。
测试程序如下，将电机驱动板的A-IA、A-IB口与开发板数字I\O端3、4相连，OA1、OB1接直流电机两个引脚，无方向，VCC外接5V电压，GND接地。
#define MOTO_A 3
#define MOTO_B 4
void setup()
{
pinMode(MOTO_A，OUTPUT);
pinMode(MOTO_B，OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(MOTO_A，LOW);
digitalWrite(MOTO_B，HIGH);
delay(2000);
digitalWrite(MOTO_A，HIGH);
digitalWrite(MOTO_B，LOW);
delay(2000);
}
（4）RGB三色灯。
RGB三色灯原理和一般的LED不同的是，在RGB LED封装内有3个LED，分别为红色、绿色和蓝色。通过控制各个LED的亮度，可以混合几乎任何颜色。实验中用到的是共阴极RGB LED，1个引脚接地，另外3个引脚分别接到Arduino UNO开发板，注意颜色对应。下面是测试程序，这里用到了Arduino开发板的D6、D7、D8引脚。
程序下载好后，就可以看到颜色的依次循环变化。显示固定颜色的代码则更简单，下面以红灯闪烁为例，红灯对应脚与Arduino开发板D6相连，GND脚接地。
#define red_led 6
void setup()
{
pinMode(6，OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(6，LOW);
delay(1000);
digitalWrite(6，HIGH);
delay(1000);
}
（5）歌曲旋律的设置。
①按如下步骤连接好测试电路。12864液晶显示屏：其D/I口、R/W口、E口分别与Arduino开发板的数字I/O端10、11、13相连，K（-）、CS1及VSS与开发板GND相连，A（+）、VDD与+5V端口相连；振动传感器：DO口与开发板的数字I/O端口2相连，VCC接5V，GND接地；小直流电机与直流电机驱动板OA1、OB1相连，两个引脚无方向；电机驱动板的A-IA、A-IB口与开发板的数字I/O端3、4相连，VCC和GND引脚分别接+5V和地；RGB三色灯的GND端口接地，R、G、B引脚分别接数字I/O口7、6、8。
②在Arduino IDE中写入该模块整体代码。
③修改测试程序。将代码内设置每两拍时间间隔的数组（这个数组同时确定了每首曲子的总拍数）设到足够大，以统计足够的拍数。以设置三首歌为例：
int SingGameArr0[] = {100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100
100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100};
int SingGameArr1[] = {100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100
100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100};
int SingGameArr2[] = {100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100
100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100，100};
④将程序下载到Arduino UNO开发板上，打开串口监视器和音乐播放软件，选一首节奏感比较强的歌，选一段旋律，一边听一边敲振动传感器，如果熟悉要设置的歌，并且能保证每次敲的节奏快慢都一样，那么就不用播放音乐了。
但是，出于准确性的考虑，代码中设置每两拍的时间间隔只有50ms的容错，总错拍数不超过两个，要求精确度高，所以建议在设置节奏时还是听着歌敲击。
⑤观察记录串口输出数据，对同一段旋律进行多次试验，对每段旋律统计每两拍间隔的平均值，记录的数据如表4-4所示。
表4-4 旋律统计数据
⑥如果出现只敲一下却出现一串数据的情况，导致每次敲同一段旋律时得到的拍数不一致，说明这个地方的阈值需要再调大一点，如图4-13所示。
图4-13 阈值设置点
⑦统计出全部所需旋律后，修改代码，将它们填入数组。
⑧重新下载新代码，敲击尝试。因为有误差存在，不能每次都验证成功也是正常的。
一般来说，设置代码的人更容易开门成功，因为不同的人对同一段旋律的把握也会有差别，就算敲门的人所敲击的节奏实际上是准确的，只要设置旋律的人听的旋律节奏有偏差，即使旋律正确也无法验证成功。
⑨电路图。电路图如图4-14所示。
图4-14 各模块的电路图
2）相关代码
3．主程序代码
