系统架构

硬件连接图

老人端

子女办公室端

巴法云配置步骤

1. 注册巴法云
   ： 注册账号
2. 创建主题
   ：在"TCP/MQTT设备"中创建主题，如 medication001
3. 获取连接信息
   ：

• 服务器：bemfa.com
• 端口：9501（TCP）或 9501（WebSocket）
• 主题：medication001

1. 无需密码
   ：巴法云使用主题名作为鉴权，确保两端主题名完全一致

消息协议说明

消息类型	格式示例	发送 方向	含义
ALERT	ALERT|1|08:00|未按时吃药	老人→子女	超时未吃药告警
CONFIRM	CONFIRM|1|08:05|已吃药	老人→子女	老人按键确认已吃
RESOLVED	RESOLVED|1|08:05|告警解除	老人→子女	告警后确认，解除紧急状态

这个系统实现了完整的双向通信，确保子女能及时获知老人的吃药状态，并在异常情况下快速响应

课程信息

• 课时
  ：2课时（180分钟）
• 授课对象
  ：电子信息技术专业学生
• 前置知识
  ：Esp32基础、C语言语法、基础电路知识
• 分组
  ：每组2人（A角色-老人端，B角色-子女端）

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【第一课时】老人端开发（90分钟）

教学目标

1. 掌握ESP32-S3与WS2812灯条、按键的硬件连接
2. 理解NTP网络时间同步原理
3. 实现定时提醒、按键确认、超时告警功能
4. 掌握巴法云MQTT基础通信

教学准备

物品	数量	备注
ESP32-S3开发板	1块/组
WS2812灯条（10灯）	1条/组
按键模块	1个/组
杜邦线	若干
电脑+Arduino IDE	1台/组	预装库：WiFi, NTPClient, Adafruit_NeoPixel, PubSubClient

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【环节1】硬件连接与基础测试（20分钟）

教师讲解：今天我们要做一个关爱老人的智能物联网项目。老人端需要三个功能：按时提醒吃药、按键确认、超时通知子女。

边写边测步骤1：硬件连接

/* * 步骤1：硬件引脚定义 * 接线说明： *   按键模块：VCC→3.3V, GND→GND, S→GPIO2 *   WS2812灯条：VCC→5V, GND→GND, DIN→GPIO4 *  * 注意：ESP32-S3的GPIO4支持PWM，适合驱动WS2812 */#define BUTTON_PIN  2   // 按键接GPIO2#define LED_PIN     4   // 灯条数据接GPIO4#define NUM_LEDS   10   // 10颗LED// 引入驱动库（教师演示：项目→加载库→管理库→搜索"Adafruit NeoPixel"安装）#include <Adafruit_NeoPixel.h>// 创建灯条对象（教师讲解：NEO_GRB是颜色顺序，NEO_KHZ800是通信频率）Adafruit_NeoPixel strip(NUM_LEDS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

测试代码1：灯条自检

void setup() {  Serial.begin(115200);  // 初始化灯条  strip.begin();  strip.setBrightness(255);  // 亮度最大  // 测试：逐个点亮红色  Serial.println("灯条测试：逐个点亮");  for(int i=0; i<NUM_LEDS; i++) {    strip.clear();  // 清空    strip.setPixelColor(i, strip.Color(255, 0, 0));  // 第i个亮红灯    strip.show();   // 显示    delay(200);     // 延时200毫秒    Serial.print("点亮LED "); Serial.println(i);  }  // 全部绿色表示完成  for(int i=0; i<NUM_LEDS; i++) {    strip.setPixelColor(i, strip.Color(0, 255, 0));  }  strip.show();  Serial.println("硬件测试完成！");}void loop() {}

学生操作：连接硬件，上传测试代码，观察灯条是否逐个点亮。

【环节2】WiFi连接与时间同步（20分钟）

教师讲解：提醒器需要准确时间，我们通过WiFi获取网络时间（NTP）。

边写边测步骤2：WiFi+NTP

// 在步骤1代码基础上添加#include <WiFi.h>#include <NTPClient.h>      // 需安装：项目→加载库→管理库→搜索"NTPClient"#include <WiFiUdp.h>// ========== 网络配置 ==========// 教师提醒：修改为自己手机热点或教室WiFiconst char* ssid     = "你的WiFi名称";     // <-- 学生修改这里const char* password = "你的WiFi密码";      // <-- 学生修改这里// NTP配置（教师讲解：ntp.aliyun.com是阿里云时间服务器，utcOffset=8*3600是东八区）const long utcOffset = 8 * 3600;          // 东八区，+8小时const char* ntp_server = "ntp.aliyun.com";// 创建UDP和NTP客户端（教师讲解：UDP是通信协议，NTPClient封装了时间获取）WiFiUDP ntpUDP;NTPClient timeClient(ntpUDP, ntp_server, utcOffset);void setup() {  Serial.begin(115200);  strip.begin();  strip.show();  // 初始化灯条（全灭）  // ===== WiFi连接 =====  Serial.print("连接WiFi: ");  Serial.println(ssid);  WiFi.begin(ssid, password);  // 等待连接，最多15秒  int attempts = 0;  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && attempts < 30) {    delay(500);    Serial.print(".");    attempts++;  }  if(WiFi.status() == WL_CONNECTED) {    Serial.println("\nWiFi连接成功！");    Serial.print("IP地址: ");    Serial.println(WiFi.localIP());    // WiFi成功：绿灯闪烁3次    for(int i=0; i<3; i++) {      setAllLEDs(strip.Color(0, 255, 0)); delay(300);      setAllLEDs(strip.Color(0, 0, 0));   delay(300);    }  } else {    Serial.println("\nWiFi连接失败，请检查密码！");    setAllLEDs(strip.Color(255, 0, 0));  // 红灯常亮表示故障    while(1) delay(1000);  // 停止  }  // ===== NTP时间同步 =====  timeClient.begin();  timeClient.forceUpdate();  // 强制立即同步  // 设置时区环境变量（关键！确保localtime正确）  setenv("TZ", "CST-8", 1);  tzset();  Serial.println("时间同步完成！");}// 辅助函数：设置所有LED颜色void setAllLEDs(uint32_t color) {  for(int i=0; i<NUM_LEDS; i++) strip.setPixelColor(i, color);  strip.show();}void loop() {  // 更新时间  timeClient.update();  // 获取时间（教师讲解：getHours等方法是时区感知的，已经+8小时）  int hour = timeClient.getHours();  int minute = timeClient.getMinutes();  int second = timeClient.getSeconds();  // 每秒打印一次（调试用）  static unsigned long lastPrint = 0;  if(millis() - lastPrint >= 1000) {    lastPrint = millis();    Serial.printf("当前时间: %02d:%02d:%02d (北京时间)\n", hour, minute, second);  }  delay(10);}

学生操作：修改WiFi信息，上传代码，打开串口监视器（115200波特率），观察时间是否正确显示。

常见错误排查：

• 时间显示不对：检查utcOffset = 8 * 3600是否正确
• WiFi连不上：检查2.4G/5G频段，ESP32只支持2.4G

【环节3】定时提醒逻辑（25分钟）

教师讲解：设置两个吃药时间（如12:30和20:00），到达时间后红灯闪烁，按键确认后变绿灯。

边写边测步骤3：提醒逻辑

// 在步骤2代码基础上，添加在loop()之前// ========== 提醒时间配置 ==========// 教师讲解：数组存储多个提醒时间，可扩展const int reminderHours[] = {12, 20};   // 时：12点和20点const int reminderMins[]  = {30, 0};   // 分：30分和0分const int NUM_REMINDERS = sizeof(reminderHours) / sizeof(reminderHours[0]);// 状态变量（教师讲解：用数组管理多个提醒的状态）bool reminderActive[NUM_REMINDERS] = {false};   // 是否激活bool confirmed[NUM_REMINDERS]      = {false}; // 是否已确认int lastDay = -1;  // 用于检测日期切换// LED状态机enum LedState { LED_IDLE, LED_REMIND, LED_CONFIRM };LedState ledState = LED_IDLE;// 时间记录unsigned long reminderStartTime[NUM_REMINDERS] = {0};unsigned long lastBlinkTime = 0;bool ledOn = false;unsigned long confirmStartTime = 0;// 常量const unsigned long BLINK_INTERVAL = 500;     // 闪烁间隔500msconst unsigned long CONFIRM_DURATION = 2000;   // 确认显示2秒// 按键消抖变量unsigned long lastButtonPressTime = 0;bool lastButtonState = HIGH;const unsigned long DEBOUNCE_DELAY = 200;// 辅助函数：边沿检测按键（教师重点讲解：检测从高到低的跳变，避免抖动）bool isButtonPressed() {  bool currentState = digitalRead(BUTTON_PIN);  bool pressed = false;  // 检测下降沿（释放→按下）  if(lastButtonState == HIGH && currentState == LOW) {    if(millis() - lastButtonPressTime > DEBOUNCE_DELAY) {      lastButtonPressTime = millis();      pressed = true;    }  }  lastButtonState = currentState;  return pressed;}// 辅助函数：LED状态处理void handleLED() {  switch(ledState) {    case LED_REMIND:  // 提醒状态：红灯闪烁      if(millis() - lastBlinkTime >= BLINK_INTERVAL) {        lastBlinkTime = millis();        ledOn = !ledOn;        setAllLEDs(ledOn ? strip.Color(255, 0, 0) : strip.Color(0, 0, 0));      }      break;    case LED_CONFIRM:  // 确认状态：绿灯常亮2秒      if(millis() - confirmStartTime >= CONFIRM_DURATION) {        setAllLEDs(strip.Color(0, 0, 0));  // 熄灭        ledState = LED_IDLE;      }      break;    default:  // 空闲      break;  }}// 辅助函数：每日重置（教师讲解：每天0点重置状态，确保每日提醒）void resetDailyConfirm() {  for(int i=0; i<NUM_REMINDERS; i++) {    confirmed[i] = false;    reminderActive[i] = false;  }  ledState = LED_IDLE;  setAllLEDs(strip.Color(0, 0, 0));  Serial.println("=== 新的一天，状态重置 ===");}void loop() {  timeClient.update();  int hour = timeClient.getHours();  int minute = timeClient.getMinutes();  int currentMinutes = hour * 60 + minute;  // 转换为分钟数，方便比较  // 获取日期（用于日切换检测）  time_t t = timeClient.getEpochTime();  struct tm *ptm = localtime(&t);  int day = ptm ? ptm->tm_mday : -1;  // 日期切换检测  if(day != -1 && day != lastDay) {    if(lastDay != -1) resetDailyConfirm();  // 非首次启动才重置    lastDay = day;  }  // 检查是否到达提醒时间（教师讲解：当前时间>=设定时间，且未激活，且未确认）  for(int i=0; i<NUM_REMINDERS; i++) {    if(!confirmed[i] && !reminderActive[i]) {      int setMinutes = reminderHours[i] * 60 + reminderMins[i];      if(currentMinutes >= setMinutes) {        reminderActive[i] = true;        reminderStartTime[i] = millis();        ledState = LED_REMIND;        Serial.printf("\n>>> 【提醒%d】到时间 %02d:%02d 了！请吃药 <<<\n",                       i+1, reminderHours[i], reminderMins[i]);      }    }  }  // 按键处理（教师演示：按按键确认吃药）  if(isButtonPressed()) {    Serial.println("按键按下！");    // 查找当前激活的提醒    int activeIdx = -1;    for(int i=0; i<NUM_REMINDERS; i++) {      if(reminderActive[i] && !confirmed[i]) {        activeIdx = i;        break;      }    }    if(activeIdx != -1) {      // 确认吃药      confirmed[activeIdx] = true;      reminderActive[activeIdx] = false;      ledState = LED_CONFIRM;      confirmStartTime = millis();      setAllLEDs(strip.Color(0, 255, 0));  // 绿灯      Serial.printf("*** 提醒%d已确认吃药 ***\n", activeIdx+1);    } else {      Serial.println("（当前无激活提醒）");    }  }  handleLED();  // 状态打印（每秒一次）  static unsigned long lastPrint = 0;  if(millis() - lastPrint >= 1000) {    lastPrint = millis();    Serial.printf("[状态] %02d:%02d | ", hour, minute);    bool anyActive = false;    for(int i=0; i<NUM_REMINDERS; i++) {      if(reminderActive[i] && !confirmed[i]) {        anyActive = true;        unsigned long elapsed = (millis() - reminderStartTime[i]) / 1000;        Serial.printf("提醒%d激活(%ds) ", i+1, elapsed);      }    }    Serial.println(anyActive ? "" : "等待中");  }  delay(10);}

测试方法：

1. 修改提醒时间为当前时间+1分钟（如现在13:05，设为13:06）
2. 上传代码，观察1分钟后是否红灯闪烁
3. 按按键，观察是否变绿灯2秒后熄灭

【环节4】MQTT接入与超时告警（25分钟）

教师讲解：如果老人2分钟没按键，我们要通知子女。这需要MQTT物联网通信。

边写边测步骤4：巴法云MQTT

// 在步骤3代码基础上添加#include <PubSubClient.h>  // 需安装：搜索"PubSubClient"// ========== 巴法云配置 ==========// 教师讲解：登录bemfa.com获取私钥，主题可自定义const char* mqtt_server = "bemfa.com";const int mqtt_port = 9501;const char* mqtt_client_id = "你的巴法云私钥";  // <-- 学生修改：从控制台复制const char* mqtt_topic = "medication001";     // 主题名，与子女端一致// 创建MQTT客户端（教师讲解：基于WiFi连接）WiFiClient espClient;PubSubClient mqttClient(espClient);// 超时配置const unsigned long ALERT_DELAY = 2 * 60 * 1000;  // 2分钟=120000毫秒bool alertSent[NUM_REMINDERS] = {false};          // 是否已发送告警// MQTT连接函数（教师讲解：保持连接，断线自动重连）void reconnectMQTT() {  while(!mqttClient.connected()) {    Serial.print("连接巴法云...");    if(mqttClient.connect(mqtt_client_id)) {      Serial.println("已连接！");      mqttClient.subscribe(mqtt_topic);  // 订阅主题    } else {      Serial.print("失败，状态码=");      Serial.print(mqttClient.state());      Serial.println("，5秒后重试");      delay(5000);    }  }}// 发送MQTT消息void sendMQTTMessage(const char* msg) {  if(!mqttClient.connected()) reconnectMQTT();  mqttClient.publish(mqtt_topic, msg);  // 发布到主题  Serial.print("[MQTT发送] ");  Serial.println(msg);}// 修改setup()，在WiFi连接后添加：void setup() {  // ... 前面的代码 ...  // MQTT初始化  mqttClient.setServer(mqtt_server, mqtt_port);  reconnectMQTT();  Serial.println("系统就绪！");}// 在loop()中添加超时检测（放在按键处理之前）void loop() {  // 保持MQTT连接（关键！必须放在loop开头）  if(!mqttClient.connected()) reconnectMQTT();  mqttClient.loop();  // 处理MQTT消息  // ... 前面的时间获取代码 ...  // 检查超时并发送告警（教师重点讲解）  for(int i=0; i<NUM_REMINDERS; i++) {    if(reminderActive[i] && !confirmed[i] && !alertSent[i]) {      unsigned long elapsed = millis() - reminderStartTime[i];      if(elapsed >= ALERT_DELAY) {  // 超过2分钟        alertSent[i] = true;        // 构建消息：类型|提醒ID|时间|描述        char msg[50];        sprintf(msg, "ALERT|%d|%02d:%02d|超时未吃药",                 i+1, hour, minute);        sendMQTTMessage(msg);        Serial.println("\n****************************************");        Serial.printf("*** 警告：提醒%d超过2分钟未确认！***\n", i+1);        Serial.println("*** 已向子女端发送紧急告警 ***");        Serial.println("****************************************\n");      }    }  }  // 修改按键处理：确认后发送解除告警  if(isButtonPressed()) {    // ... 前面的查找代码 ...    if(activeIdx != -1) {      // ... 前面的确认代码 ...      // 发送确认消息      char msg[50];      sprintf(msg, "CONFIRM|%d|%02d:%02d|已吃药", activeIdx+1, hour, minute);      sendMQTTMessage(msg);      // 如果之前已告警，发送解除      if(alertSent[activeIdx]) {        sprintf(msg, "RESOLVED|%d|%02d:%02d|告警解除", activeIdx+1, hour, minute);        sendMQTTMessage(msg);        Serial.println("告警已解除");      }    }  }  // ... 后面的代码 ...}

测试方法：

1. 注册巴法云账号，获取私钥
2. 修改mqtt_client_id为实际私钥
3. 修改提醒时间为当前时间+1分钟
4. 上传代码，等待提醒触发后不要按按键
5. 观察2分钟后是否发送MQTT消息（可通过巴法云控制台查看）

第一课时作业

1. 完成老人端代码调试
2. 测试三种场景：正常确认、超时告警、日期切换
3. 准备第二课时：子女端开发

本文标签：#少儿编程 #科创 #电子爱好者 #物联网 #arduino  #ESP32

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