巴法云物联网吃药提醒系统-第二课教案(配套4月3号视频)

教学目标

1. 掌握第二块ESP32的MQTT订阅通信
2. 实现状态指示灯系统（空闲/告警/确认/解除）
3. 理解双向通信的协议设计
4. 完成系统联调测试

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【环节1】硬件连接与基础框架（15分钟）

教师讲解：子女端更简单，只需要一个环形LED灯，通过颜色显示老人状态。

边写边测步骤1：基础框架

/* * 吃药提醒器 - 子女办公室端 * 硬件：ESP32-S3 + WS2812环形LED灯（GPIO4） *  * 状态说明： *   微弱蓝光 = 空闲（系统正常） *   红灯闪烁 = 告警（老人未按时吃药，频率随时间加快） *   绿灯常亮 = 确认（老人已吃药） *   蓝灯闪烁 = 解除（告警已解除） */#include <WiFi.h>#include <Adafruit_NeoPixel.h>#include <PubSubClient.h>// ========== 硬件配置 ==========#define LED_PIN   4       // 环形灯数据脚#define NUM_LEDS  16      // 16颗灯（根据实际修改12/16/24）// ========== 网络配置（办公室WiFi） ==========const char* ssid     = "办公室WiFi";      // <-- 学生修改const char* password = "办公室密码";        // <-- 学生修改// ========== 巴法云配置（必须与老人端一致！） ==========const char* mqtt_server = "bemfa.com";const int mqtt_port = 9501;// 关键：Client ID必须与老人端不同！但主题是相同的const char* mqtt_client_id = "你的巴法云私钥-office";  // <-- 修改：加后缀区分const char* mqtt_topic = "medication001";           // 与老人端相同// 创建对象WiFiClient espClient;PubSubClient mqttClient(espClient);Adafruit_NeoPixel ring(NUM_LEDS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);// LED辅助函数void setRingColor(uint32_t color) {  for(int i=0; i<NUM_LEDS; i++) ring.setPixelColor(i, color);  ring.show();}void setRingOff() { setRingColor(ring.Color(0, 0, 0)); }void setup() {  Serial.begin(115200);  delay(1000);  Serial.println("=== 子女办公室端启动 ===");  // 初始化LED  ring.begin();  ring.setBrightness(255);  setRingOff();  // 自检动画：彩虹效果  Serial.println("LED自检...");  for(int j=0; j<256; j+=5) {    for(int i=0; i<NUM_LEDS; i++) {      int hue = (i * 256 / NUM_LEDS) + j;      ring.setPixelColor(i, ring.gamma32(ring.ColorHSV(hue)));    }    ring.show();    delay(20);  }  setRingOff();  // WiFi连接（同老人端，略）  WiFi.begin(ssid, password);  Serial.print("连接WiFi");  while(WiFi.status() != WL_CONNECTED) {    delay(500); Serial.print(".");  }  Serial.println(" 成功");  // MQTT设置  mqttClient.setServer(mqtt_server, mqtt_port);  // 注意：子女端需要设置回调函数接收消息  mqttClient.setCallback(mqttCallback);  Serial.println("系统就绪");}void loop() {  // 保持连接  if(!mqttClient.connected()) reconnectMQTT();  mqttClient.loop();  delay(10);}// 占位函数（后续填充）void mqttCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {}void reconnectMQTT() {}

学生操作：连接环形灯（VCC→5V, GND→GND, DIN→GPIO4），上传测试彩虹效果。

【环节2】MQTT消息接收与解析（25分钟）

教师讲解：子女端是"订阅者"，需要解析老人端发来的三种消息：ALERT（告警）、CONFIRM（确认）、RESOLVED（解除）。

边写边测步骤2：消息解析

// 在步骤1代码基础上添加状态机和消息解析// ========== 状态定义 ==========enum OfficeState {  STATE_IDLE,       // 空闲：微弱蓝光  STATE_ALERT,      // 告警：红灯闪烁（频率递增）  STATE_CONFIRMED,    // 确认：绿灯常亮3秒  STATE_RESOLVED     // 解除：蓝灯闪烁3秒};OfficeState currentState = STATE_IDLE;unsigned long stateStartTime = 0;    // 状态开始时间unsigned long lastBlinkTime = 0;     // 闪烁计时bool ledOn = false;              // 闪烁状态int currentAlertId = -1;          // 当前告警ID// 告警效果配置const unsigned long BASE_BLINK_INTERVAL = 1000;  // 基础闪烁1秒const unsigned long MIN_BLINK_INTERVAL = 200;    // 最快闪烁200msconst unsigned long ALERT_ESCALATION_TIME = 5*60*1000; // 5分钟后最快const unsigned long CONFIRM_DURATION = 3000;     // 确认显示3秒// MQTT连接（教师讲解：与老人端类似，但不需要订阅自己发布的主题）void reconnectMQTT() {  while(!mqttClient.connected()) {    Serial.print("连接巴法云...");    // 生成唯一Client ID（避免冲突）    String clientId = String(mqtt_client_id) + "-" + String(random(0xffff), HEX);    if(mqttClient.connect(clientId.c_str())) {      Serial.println("成功！");      mqttClient.subscribe(mqtt_topic);  // 订阅老人端发布的主题      Serial.print("已订阅主题: ");      Serial.println(mqtt_topic);    } else {      Serial.print("失败，rc=");      Serial.println(mqttClient.state());      delay(5000);    }  }}// MQTT回调函数（核心！处理收到的消息）void mqttCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {  // 将payload转换为字符串  String msg = "";  for(int i=0; i<length; i++) msg += (char)payload[i];  Serial.print("\n[MQTT接收] ");  Serial.println(msg);  // 解析消息格式：TYPE|ID|TIME|DESC  // 例如：ALERT|1|12:30|超时未吃药  parseMessage(msg);}// 消息解析函数（教师重点讲解字符串分割）void parseMessage(String msg) {  // 找分隔符位置  int firstSep = msg.indexOf('|');           // 第一个|  int secondSep = msg.indexOf('|', firstSep+1);  // 第二个|  int thirdSep = msg.indexOf('|', secondSep+1);  // 第三个|  if(firstSep == -1) {    Serial.println("消息格式错误");    return;  }  // 提取字段  String msgType = msg.substring(0, firstSep);                    // ALERT/CONFIRM/RESOLVED  String idStr = msg.substring(firstSep+1, secondSep);            // 提醒ID  String timeStr = msg.substring(secondSep+1, thirdSep);          // 时间  String desc = msg.substring(thirdSep+1);                        // 描述  int alertId = idStr.toInt();  Serial.printf("解析: 类型=%s, ID=%d, 时间=%s, 描述=%s\n",                 msgType.c_str(), alertId, timeStr.c_str(), desc.c_str());  // 根据类型切换状态  if(msgType == "ALERT") {    currentState = STATE_ALERT;    currentAlertId = alertId;    stateStartTime = millis();    lastBlinkTime = millis();    ledOn = false;    // 串口打印告警框（吸引注意力）    Serial.println("\n╔══════════════════════════════════════╗");    Serial.println("║     ⚠️  紧急告警：老人未按时吃药！    ║");    Serial.printf("║     提醒编号: %d  时间: %s          ║\n", alertId, timeStr.c_str());    Serial.println("║     请立即电话联系老人确认情况       ║");    Serial.println("╚══════════════════════════════════════╝\n");  } else if(msgType == "CONFIRM") {    currentState = STATE_CONFIRMED;    stateStartTime = millis();    Serial.println("\n╔══════════════════════════════════════╗");    Serial.println("║     ✅ 老人已确认吃药               ║");    Serial.printf("║     提醒编号: %d  时间: %s          ║\n", alertId, timeStr.c_str());    Serial.println("╚══════════════════════════════════════╝\n");  } else if(msgType == "RESOLVED") {    currentState = STATE_RESOLVED;    stateStartTime = millis();    Serial.println("\n╔══════════════════════════════════════╗");    Serial.println("║     ✓ 告警解除：状况已恢复正常      ║");    Serial.println("╚══════════════════════════════════════╝\n");  }}// 在loop()中添加状态处理void loop() {  if(!mqttClient.connected()) reconnectMQTT();  mqttClient.loop();  handleState();  // 处理LED状态  delay(10);}

测试方法：

1. 上传代码到子女端
2. 打开巴法云控制台，手动发送测试消息到medication001主题：

• 发送ALERT|1|12:30|测试告警，观察是否红灯闪烁
• 发送CONFIRM|1|12:32|已吃药，观察是否绿灯
• 发送RESOLVED|1|12:32|解除，观察是否蓝灯闪烁

【环节3】告警效果优化（20分钟）

教师讲解：告警需要紧迫感，我们让红灯闪烁越来越快，亮度也越来越高。

边写边测步骤3：动态效果

// 计算当前闪烁间隔（教师讲解：线性插值算法）unsigned long getCurrentBlinkInterval() {  if(currentState != STATE_ALERT) return BASE_BLINK_INTERVAL;  unsigned long alertDuration = millis() - stateStartTime;  // 超过5分钟后，保持最快频率  if(alertDuration >= ALERT_ESCALATION_TIME) {    return MIN_BLINK_INTERVAL;  }  // 线性加速：随着时间推移，间隔从1000ms降到200ms  float progress = (float)alertDuration / ALERT_ESCALATION_TIME;  unsigned long interval = BASE_BLINK_INTERVAL -     (unsigned long)((BASE_BLINK_INTERVAL - MIN_BLINK_INTERVAL) * progress);  return interval;}// 状态处理函数（教师边写边解释每个状态的效果）void handleState() {  unsigned long now = millis();  switch(currentState) {    case STATE_IDLE:      // 空闲：微弱蓝光（表示系统在线）      setRingColor(ring.Color(0, 0, 10));      break;    case STATE_ALERT: {      // 告警：红灯闪烁，频率和亮度都递增      unsigned long interval = getCurrentBlinkInterval();      if(now - lastBlinkTime >= interval) {        lastBlinkTime = now;        ledOn = !ledOn;        if(ledOn) {          // 亮度也随时间增加：100-255          unsigned long duration = now - stateStartTime;          int brightness = 100 + min((int)(duration/1000), 155);          setRingColor(ring.Color(brightness, 0, 0));          // 每10秒串口提示一次          static unsigned long lastPrint = 0;          if(now - lastPrint >= 10000) {            lastPrint = now;            Serial.printf("[告警中] 持续%ld秒，闪烁间隔%ldms\n",                          duration/1000, interval);          }        } else {          setRingOff();        }      }      break;    }    case STATE_CONFIRMED:      // 确认：绿色常亮3秒后恢复空闲      setRingColor(ring.Color(0, 255, 0));      if(now - stateStartTime >= CONFIRM_DURATION) {        currentState = STATE_IDLE;        Serial.println("确认状态结束，恢复空闲");      }      break;    case STATE_RESOLVED:      // 解除：蓝色闪烁后恢复      if(now - lastBlinkTime >= 200) {        lastBlinkTime = now;        ledOn = !ledOn;        setRingColor(ledOn ? ring.Color(0, 100, 255) : ring.Color(0, 0, 0));      }      if(now - stateStartTime >= CONFIRM_DURATION) {        currentState = STATE_IDLE;        Serial.println("解除状态结束，恢复空闲");      }      break;  }}

测试方法：

1. 发送ALERT消息后，观察红灯是否逐渐加快闪烁
2. 用手机计时，确认5分钟后达到最快频率（200ms间隔）

【环节4】系统联调与总结（30分钟）

教师组织：两组配对，A组老人端，B组子女端，进行联调测试。

测试场景：

完整代码（两端的最终版）：

已在附件中提供，包含详细注释。

教学评价标准

拓展思考（课后作业）

1. 安全性
   如何防止他人恶意向你的主题发送消息？（提示：消息加密）
2. 扩展性
   如何支持多个老人？（提示：主题命名规则medication/老人ID）
3. 低功耗
   老人端如何用电池供电？（提示：ESP32 Deep Sleep模式）
4. 多子女
   ：如何通知多个子女？（提示：多个设备订阅同一主题）

教师备课要点

1. 课前准备：

• 测试教室WiFi是否允许MQTT端口9501
• 准备备用手机热点（防止公司网络限制）
• 准备演示用的巴法云账号

1. 常见故障：

• 状态码-2：检查WiFi密码
• 状态码5：Client ID重复，加随机后缀
• 时间不对：检查时区设置CST-8
• 灯条不亮：检查GPIO4是否接触不良

1. 时间控制：

• 如课时不够，可省略"日期切换"功能
• 如课时充裕，可增加OLED显示屏显示时间

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

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