原标题：基于 ESP8266 的适合听障人士需求的 domotic 系统（代码）

一、系统概述

该基于ESP8266的智能家居(domotic)系统针对听障人士的特殊需求进行设计与开发。整个系统以ESP8266微控制器为核心，结合多种传感器、通信模块以及视觉与振动反馈装置，实现对家庭环境状态的实时监测与告警，并在告警发生时以灯光、OLED显示屏和振动马达等方式提醒听障用户。同时提供手机App或Web界面，使用户可远程查看家中各项数据并进行控制。系统的整体功能包含门窗开关监测、烟雾与气体泄漏检测、红外人体感应、室内温湿度采集、紧急按钮触发等；当出现异常时，通过LED光源闪烁、OLED图文显示或小型振动马达震动，迅速吸引听障用户注意。此外，系统支持与手机App进行Wi-Fi通信，可将过往告警记录存储在云端服务器，方便用户随时查询历史警报信息。

本系统设计目标是：硬件成本低廉且易于扩展；对听障人士友好，采用多种非声音方式告警；易于组网部署并兼容主流智能家居平台；具有可靠性、稳定性与可维护性。为了满足上述目标，本文从核心芯片选型、传感器与执行器优选、通信模块与电源设计、软件架构与代码实现等方面进行详细阐述，并给出核心代码示例与硬件连接示意。

二、核心控制单元：ESP8266微控制器

ESP8266是由乐鑫科技(Espressif Systems)推出的低成本、低功耗Wi-Fi系统级芯片(System on Chip，SoC)，集成了TCP/IP协议栈及完整的Wi-Fi功能。其典型型号包括ESP-01、ESP-07、ESP-12E/ESP-12F等。其中，ESP-12E模块拥有8个通用输入输出(GPIO)引脚、丰富的SPI、I²C、UART接口，功耗低 (<170mA TX)，价格在10元人民币左右，国内外均有大量供应，技术资料与社区支持十分完善。

选择ESP-12E的原因如下：首先，其具备高性能的32位处理器(基于Tensilica L106架构，80MHz主频)，可满足多任务并发，如传感器数据采集、Wi-Fi通信、OLED显示与振动控制等；其次，其封装精巧(尺寸约为24mm×16mm)，可直接焊接到开发板或自制PCB上；第三，其配备4MB闪存，足以存储固件、日志与网页静态资源；第四，电源电压3.3V，与多数传感器兼容；最后，Arduino Core for ESP8266开源生态成熟，开发者可快速移植Arduino风格代码，降低开发难度。

本设计以ESP-12E模块作为主控芯片，并选用Wemos D1 Mini开发板作为原型开发平台。Wemos D1 Mini的尺寸更小(约34.2mm×25mm)、自带USB转串口芯片(CH340G)、提供5V与3.3V稳压输出，便于通过Micro USB端口供电与固件烧录。使用Arduino IDE时，只需安装对应开发板管理器(Boards Manager)即可像UNO一样快速编写、上传代码。

三、电源设计与稳压模块

ESP8266在Wi-Fi通信高峰期工作电流可达300mA左右，建议预留至少500mA的电流裕度。因此，整个系统电源需设计为输出稳定的5V电压，再通过3.3V稳压器为ESP-12E及其他3.3V传感器供电。

优选元器件型号：

1. AMS1117-3.3V线性稳压器

• 器件作用：将外部5V电源(如手机充电器或充电宝灯座)稳定降压至3.3V，驱动ESP8266与大部分3.3V传感器。

• 选择理由：AMS1117-3.3V是一款常见的线性稳压器，输出电流可达800mA，封装为SOT-223或TO-252，散热面积足够。其输入最大电压15V，输出误差小(典型100mV)，价格低廉(约1元人民币)，易于采购。缺点是线性稳压转化效率较低，但在5V降至3.3V电压差不大时，功耗损耗可接受，且整体功耗不高于1W。

• 功能：为ESP8266及部分3.3V传感器(如DHT11、HC-SR501、MQ-2等)提供稳定电压。

2. LM2596S开关稳压模块(直插式)

• 器件作用：当系统电源为12V电源适配器或车载电源时，将输入电压高效转换至5V，用于为整个系统供电或为5V传感器供电。

• 选择理由：LM2596S可支持3A输出电流，效率可达90%以上，封装直插，广泛应用于DIY智能家居；具有过流、过热保护且价格便宜(约5元人民币)。对于需要更长供电时间的应用，可接配大容量电池组，使用开关稳压降低功耗。

• 功能：为整体系统(含USB转串口、5V继电器模块、视觉告警灯等)提供高效5V电压输出。

3. USB充电模块(Micro USB口引入)

• 器件作用：使用常见的5V手机适配器供电，直接为Wemos D1 Mini开发板供电。

• 选择理由：Wemos D1 Mini自带Micro USB接口，直接连接即可；节省设计工时与成本。若产品化可考虑在PCB上直接集成USB接口，并配合AMS1117-5.0V或更高效率的同步升压模块。

4. 钛酸锂电池与TP4056充电模块(可选)

• 器件作用：当需要无线便携或断电情况下继续运行时，可选用锂电池供电；TP4056模块负责对锂电池进行恒流恒压充电管理。

• 选择理由：TP4056价格便宜(约3元人民币)，支持1A充电电流，可通过USB给锂电池充电；锂电池容量可根据实际需求选定(如18650 2000mAh)。装置可实现断电后持续工作，提升系统可靠性。

• 功能：为ESP8266与传感器提供备用电源，实现断电通知与故障自救。

四、传感器模块优选

为了满足听障人士对家居安全与环境状态的可视化监测需求，系统设计中选用多种传感器模块，具体如下：

1. PIR人体红外传感器 (HC-SR501)

• 器件作用：检测人体活动，当有人在其监测范围内移动时输出高电平信号。可用于门厅、卧室、客厅等地点的入侵检测或人员进出监测。

• 选择理由：HC-SR501具有高灵敏度(可调灵敏度及延迟时间)，输出信号为TTL电平，工作电压5V，静态功耗低(仅约50µA)，带有定时器与灵敏度可调电位器，可实现从5秒至5分钟的延迟时间调节。其售价便宜(约5元人民币)，市场应用广泛，配套资料齐全。

• 功能：在检测到人体时向ESP8266的GPIO口(3.3V容忍)输出高电平，触发OLED屏显示“有人活动”或闪烁LED灯并振动马达提醒听障者。

2. 烟雾传感器 (MQ-2烟雾燃气传感器模块)

• 器件作用：检测空气中可燃气体(如天然气、液化气、酒精、烟雾)。当浓度超过一定阈值时输出模拟电压，可通过ADC口读取并判断是否超过告警值。

• 选择理由：MQ-2传感器灵敏度高、种类检测范围广(可检测丙烷、甲烷、丁烷、液化气、烟雾等)，响应时间短(小于10秒)，使用寿命长(约5年)，标准化模块中已集成电平输出和模拟输出两种信号，输出端带LED指示。其工作电压为5V(模块自带电压调节)，其价格约10元左右，广泛应用于DIY烟雾报警系统。

• 功能：当检测到烟雾浓度超过设定阈值时，通过ESP8266的模拟输入(A0)读取电压值并判断“烟雾告警”，触发OLED显示“烟雾浓度过高”、LED灯闪烁并通过振动马达提醒听障人士，并可发送告警信息至手机端。

3. 可燃气体传感器 (MQ-135空气质量传感器模块)

• 器件作用：检测空气中氨气、硫化物、苯蒸气、烟雾等多种有害气体。适用于室内空气质量检测与安全告警。

• 选择理由：在厨房或家中燃气管道周围，MQ-135可实时监测有毒有害气体浓度，当浓度超标时发出告警；相比MQ-2，MQ-135更加灵敏于有害气体检测，适配室内空气质量监测需求；价格适中(约15元人民币)，模块化方便；工作电压同样为5V。

• 功能：将模拟输出连接至ESP8266的ADC口，对空气质量进行周期性采样；当浓度超过设定值时触发告警。

4. 温湿度传感器 (DHT22/AM2302)

• 器件作用：采集环境温度与相对湿度数据，并通过单线协议将数字量传输给ESP8266。

• 选择理由：相比DHT11(精度较低，湿度±5%，温度±2℃，测量范围有限)，DHT22具有更高精度(湿度±2%，温度±0.5℃)、更宽测量范围(湿度0100%，温度-4080℃)、响应速度更快、可靠性更高。价格约25元左右，库函数成熟，硬件接线简单，直接连接到ESP8266的3.3V和GPIO引脚，极少占用资源，且功耗低。

• 功能：定时采集室内温湿度，若温度异常（如高于设定阈值或过低），可在OLED上显示相应提示并通过LED灯告知；数据上传至云端后，可在手机App中查看并进行远程调控（如启动空调或加湿器）。

5. 门磁开关 (磁簧开关模块)

• 器件作用：由磁簧管与磁铁组成，安置在门框与门扇上，当门打开或关闭时，传感器开关状态变化，输出数字信号。

• 选择理由：磁簧开关成本低廉(约3元人民币)，安装简便，可靠性高，抗干扰能力强；只有两根导线连接，直接接至ESP8266的GPIO口即可读取高低电平状态，形成“门开/门关”逻辑。

• 功能：实时监测门窗状态，若在特定时间(如夜间)检测到门窗异常打开，可触发提醒，以振动马达或者LED灯闪烁等方式告知听障者。

6. OLED显示屏 (SSD1306 0.96寸 I²C OLED 模块)

• 器件作用：基于SSD1306控制芯片，分辨率128×64，可通过I²C接口(接SDA、SCL)与ESP8266通信，显示文字、图形或图标。

• 选择理由：相比LCD，OLED功耗更低、对比度更高、显示效果更佳，可视角度大，室内光线暗时显示清晰。0.96寸尺寸适中，可放置于墙面或桌面供听障者近距离查看。模块价格约20元人民币，Arduino库(如U8g2)支持完善，易于绘制文字和简单图形。

• 功能：实时显示当前系统状态文字(如“烟雾正常”、“人体未检测到”、“门正常关闭”、“温度:25℃”等)及告警图标，当告警发生时可闪烁显示“告警”信息，提醒用户注意。

7. LED指示灯 (WS2812B全彩RGB LED灯带或简易单色高亮LED)

• 器件作用：用于视觉告警，通过不同颜色或闪烁频率表示不同状态。例如红色闪烁表示烟雾告警，黄色闪烁表示可燃气体告警，绿色常亮表示正常。

• 选择理由：WS2812B是数字信号控制，可通过单引脚控制多颗灯珠，灵活度高；若项目中需要多点分布式告警，可使用灯带并通过ESP8266对其进行寻址控制；若仅需单点提示，则选用高亮度单色LED(正向电压约2V，可限流电阻后直接与ESP8266 GPIO连接)。WS2812B模块价格在15元/1米左右；普通LED更便宜(几角到一两元不等)。

• 功能：在不同告警来源(烟雾、气体、门窗、人体)下，以不同颜色或者闪烁频率进行视觉提示。WS2812B还可以显示渐变动画，提升提示醒目度。

8. 振动马达 (直径8mm偏心振子)

• 器件作用：将电信号转换为机械振动，贴附于床铺、桌面或腕带，当系统检测到紧急告警时，通过振动方式提醒听障者。

• 选择理由：振动马达体积小功耗低，可由GPIO通过电源驱动并且使用一个小型NPN三极管(如2N2222)做开关即可驱动5V振动马达；当LED灯或OLED提示不足以引起注意时，振动能确保用户在睡眠或远离显示屏时仍能收到告警。该振动马达售价仅约5元人民币，寿命长达数千小时，易于采购。

• 功能：在系统检测到烟雾浓度过高或可燃气体泄漏、门窗异常开启、紧急按钮按下等情况时，立即以频闪振动的形式提醒听障者前往检查。

9. 紧急按钮模块（带背光指示灯的按键开关）

• 器件作用：当听障者遇到紧急情况(如跌倒、突发疾病等)需要呼救时，手动按下按钮，ESP8266检测到按键输入后，通过Wi-Fi向云服务器或手机App发送紧急呼叫信号，并触发家中视觉与振动告警装置。

• 选择理由：选用带背光的轻触按键(如9mm方形自锁式带LED背光的按键开关)，可在暗光环境下仍能定位；开关触点质量好，可承受大于100万次按压。模块价格约10元人民币。

• 功能：用户按下紧急呼叫时，ESP8266检测到电平变化，将“紧急呼叫”指令发送至云端，并在本地触发振动马达与LED光源联合闪烁，同时OLED屏显示“紧急呼叫已发送”。

五、执行器与反馈装置

1. 继电器模块 (SRD-05VDC-SL-C继电器×1路/4路模块)

• 器件作用：当需要远程控制高电压设备(如家用照明、电动门锁、抽油烟机等)时，通过ESP8266的GPIO信号驱动继电器线圈，实现对外部高压(220VAC或直流电路)的通断。

• 选择理由：常见的SRD-05VDC-SL-C继电器价格仅5-10元，支持10A/250VAC或10A/30VDC开关容量，可直接模块化使用(模块带光耦隔离、驱动三极管与指示LED)，充分保证ESP8266安全。模块采用螺丝端子接线，便于改装与维护。

• 功能：当用户通过手机App下达“开灯”“关闭电器”指令时，ESP8266控制继电器模块，实现对家中电器的远程控制；在紧急情况下也可远程断电，保证安全。

2. 蜂鸣器(仅作调试时使用，不用于正式告警)

• 器件作用：用于系统调试阶段的声音告警，帮助开发者了解逻辑流程正常与否；在发布给听力正常用户的场景下可通用。

• 选择理由：为了专门针对听障用户，本系统在正式环境中并不使用蜂鸣器。但在开发与调试阶段，借助蜂鸣器便于快速定位问题。常见独立式有源蜂鸣器价格低廉(约2元人民币)。

• 功能：当系统检测到异常时，蜂鸣器响起短促音，提示开发人员检查系统；产品化时可移除或不焊接蜂鸣器模块。

3. OLED与LED配合视觉告警

• 器件作用：通过OLED文字与图标直观向用户展示告警类型与状态；LED灯可在视线范围外仍然吸引注意力。

• 选择理由：视觉显示与闪烁灯光为听障者提供最直接、最强烈的告警方式；相比仅靠振动，视觉反馈可以传递更多丰富信息(例如“烟雾浓度：876ppm，危险等级高，请立即核实”；“门打开时间：2025-06-03 22:15”）；OLED可持续显示信息无需外部背光；LED闪烁速度与颜色可自定义。

• 功能：在静默环境中，如果听障者在书房或卧室未带设备，可通过窗口或墙面上安装的LED灯闪烁与门口处的OLED屏体现告警，全方位覆盖家庭生活空间。

4. 振动提示带（或腕带）

• 器件作用：将振动马达安装在腕带中，当系统触发紧急告警时，通过腕带振动让用户及时感知。

• 选择理由：振动腕带可随身携带，不受房间位置限制，即使身处浴室等听障者无法靠近主控单元，也能及时收到告警；市场常见振动腕带的振动强度与功耗均符合ESP8266 5V或3.3V供电需求，价格在20-30元人民币之间。

• 功能：紧急告警时，ESP8266通过Wi-Fi将信号发送给腕带(可集成一个小型另行控制的ESP8266-NORF模块或使用蓝牙模块ESP32/NRF52832)，触发腕带振动。腕带可持续振动10-20秒，直到听障者查看告警。

六、通信方案与软件架构

为保证系统在Wi-Fi环境下的稳定性与可扩展性，软件架构分为以下几层：

1. 底层驱动层（Sensors & Actuators）

• 包括DHT22、MQ-2、MQ-135、HC-SR501、门磁开关、继电器、OLED、WS2812B LED灯和振动马达的底层控制驱动。每个传感器与执行器通过统一的类或函数封装，实现初始化、读取/写入、状态更新与告警触发。此层代码基于Arduino库或自定义驱动函数。

2. 逻辑控制层（Logic）

• 实现对各传感器数据进行定时采集、预处理与分析。例如，MQ-2的模拟量读取后需计算与基准值(EEPROM存储或者云端下发)的比值，判断是否达到告警阈值；HC-SR501触发后，可启动一个延时定时器，避免误报；门磁开关状态发生变化时，先对抖动进行软件消抖后再确认状态。逻辑层统一以“事件驱动”方式处理，当某个传感器状态变化超过阈值或出现梯度变化时，生成事件并传递至告警层与通信层。

3. 告警与反馈层（Alert & Feedback）

• 紧急级别（如烟雾浓度急剧升高、门窗异常持续超过1分钟）：同时触发OLED全屏红色闪烁提示、WS2812B红灯快速闪烁、振动马达连续振动、并向云端发送告警数据；

• 中等级别（如可燃气体浓度略高、人体红外检测到动态但在非报警时间段出现异常）：在OLED屏显示黄色警示图标，LED灯缓慢闪烁，振动短促一次；

• 信息级别（如正常温湿度更新、门窗正常打开等）：OLED小窗口滚动显示状态更新，无LED闪烁。

• 根据逻辑控制层传递的事件类型，决定告警方式与优先级。例如：

• 此层还负责记录事件日志(时间戳、事件类型、传感器数据)并写入EEPROM或SD卡(如ESP8266外接的SPI Flash或通过SPI连接的SD卡)。

4. 通信与远程控制层（Communication）

• MQTT协议：轻量级、QoS可定制，适合物联网场景，常用开源服务端如Mosquitto；手机App可使用MQTT客户端订阅相应主题(Topic)，实时接收告警与数据更新。

• HTTP/RESTful API：ESP8266可搭建简易Web Server，定义RESTful接口，如GET /status、POST /control，当手机App发起请求时，ESP8266返回JSON格式数据或执行相应命令。

• 利用ESP8266的Wi-Fi功能接入家庭路由器，实现与手机App或云服务器(MQTT Broker或HTTP Server)通信。通信协议可选：

• 本系统示例中选用MQTT协议，借助Public MQTT Broker(如test.mosquitto.org)进行测试，正式部署可搭建私有服务器(如树莓派+Mosquitto)。通信流程如下：

1. ESP8266启动后，通过Wi-Fi连接到预设SSID，获取动态IP；

2. 登录MQTT Broker，并订阅主题“home/alert”和“home/control”；

3. 当事件触发时，ESP8266将告警信息以JSON字符串形式发布到主题“home/alert”，内容包括“type”(烟雾/可燃气/人体/门窗/紧急呼叫)、“level”(0~2)、“value”(传感器原始数值)、“timestamp”；

4. 手机App或其它客户端订阅到该主题后，在界面上弹出告警提示并保存历史记录；

5. 当用户在App上发送控制指令(如“打开客厅灯”、“关闭继电器2”)时，以JSON格式发布至主题“home/control”，ESP8266订阅到后解析指令并控制继电器。

5. 人机交互层（HMI）

• 在本地提供OLED显示以及LED灯光与振动马达反馈；同时在手机App或Web前端提供界面，显示实时传感器数据、告警历史记录、远程控制开关列表。App可采用Android Studio开发，或使用Blynk、Node-RED等低代码平台快速搭建界面，方便听障用户远程查看与控制。

七、电路连接与PCB设计建议

1. 电源部分

• 设计从外部5V电源(如手机充电器、USB插口、DC电源模块)引入5V，先连接LM2596模块(若输入为12V)再输出5V。将5V分支：一部分输入至Wemos D1 Mini的USB或5V引脚供电；另一部分通过AMS1117-3.3V降压至3.3V，再分配给ESP-12E和所有3.3V传感器(需在每个传感器模块上并联规格为0.1µF–10µF电解电容和0.1µF陶瓷电容以滤波)。

2. ESP-12E引脚分配

• GPIO0：连接MQTT配置按钮(短按进入Wi-Fi AP配置模式)，平常拉高；

• GPIO2：连接OLED的SDA；

• GPIO14：连接OLED的SCL；

• GPIO13：连接DHT22数据线；

• GPIO12：连接MQ-2模块的模拟输出(A0仅有一个ADC，不够时可使用电平转换或者分时采样)；若使用电平分压电路，则ADC0用于MQ-2与MQ-135兼容；

• GPIO5：连接PIR输出(高电平表示有人移动)；

• GPIO4：连接门磁开关信号(常闭类型，门关时输出低电平)；

• GPIO15：连接继电器驱动模块输入端(通过光耦隔离)；

• GPIO16：连接MQTT配置指示LED；

• GPIO0/2/15均需正确配置上拉/下拉电阻，保证模块正常启动(如GPIO15需下拉至GND，GPIO0和GPIO2需拉高至3.3V)。

3. 传感器与执行器连线

• DHT22：VCC→3.3V，GND→GND，DATA→GPIO13，DATA与VCC之间上拉4.7kΩ电阻；

• MQ-2与MQ-135：模块VCC→5V，GND→GND，模拟输出A0接至ESP8266的ADC(仅有一个ADC，如需多路ADC可选购外置ADS1115 I²C ADC模块，价格约30元)。若使用内置ADC，则在硬件上加装一个简单多路模拟开关(如CD4051B，约5元)，由GPIO控制多路切换并串接ADC；

• HC-SR501：VCC→5V，GND→GND，OUT→GPIO5；OUT高电平时GPIO5读取到3.3V电平(需测试是否直接匹配，若输出5V则需串联一个限流电阻或电平转换模块)；

• 门磁开关：常开或常闭输出端(无源接口)一端接3.3V，另一端接GPIO4和一个10kΩ下拉电阻；不开关时GPIO4读取低电平，关门时磁铁吸合GPIO4短接3.3V。

• OLED (SSD1306)：VCC→3.3V，GND→GND，SDA→GPIO2，SCL→GPIO14；

• WS2812B LED：VCC→5V，GND→GND，DIN→GPIO0或任意支持PWM的GPIO；在DIN与GPIO之间串联一个330Ω电阻以抑制信号振荡，LED旁并联一个1000µF/6.3V电解电容进行电源滤波；

• 振动马达：VCC→5V，通过NPN三极管(2N2222)集成到地图板上，基极接至GPIO12(需加1kΩ限流电阻)，发射极接GND；这样当GPIO12输出高电平时，驱动三极管导通，振动马达获得5V电压；

• 继电器模块：VCC→5V，GND→GND，IN→GPIO15，通过模块上的光耦隔离与三极管驱动实现ESP8266与220VAC/直流设备的安全隔离。

4. PCB设计建议

• 采用双面板设计，将ESP-12E模块放置于PCB一侧中部，预留USB母座接口区域，用于固件更新。

• 在ESP8266电源输入处与AMS1117-3.3V稳压器之间放置输入电容(10µF)与输出电容(22µF)以稳定电压；同时在AMS1117输出端并联0.1µF陶瓷电容消除高频噪声。

• 将模拟信号(A0)与大功率继电器、振动马达等部分隔离布局，防止干扰，模拟信号线尽量走短并靠近接地平面。

• 在继电器与振动马达电路部分增加二极管(1N4007)作为线路反向浪涌保护，并且在继电器驱动脚并联0.1µF陶瓷电容抑制电磁干扰；

• 在关键传感器(如MQ-2、MQ-135)模块附近预留可调电位器空间，以调整灵敏度；在PIR与门磁开关等数字传感器输入引脚处并联一个104(0.1µF)去耦电容，消除高频抖动；

• 在PCB边缘预留2×4针排针，用于连接外部OLED、按钮与继电器等，方便拆装与调试；同时为方便扩展，可预留I²C、UART与SPI接口引出。

八、软件实现与代码示例

本节以Arduino IDE为开发环境，使用C++语言编写ESP8266固件。主要逻辑包含：Wi-Fi与MQTT连接管理、传感器初始化与读取、事件触发与告警处理、远程控制命令解析。本示例代码适用于ESP-12E开发板(Wemos D1 Mini亦可直接移植，仅需在开发板选择中选定“LOLIN(Wemos) D1 R2 & Mini”)。

/**************************************************
 * 文件名：deaf_friendly_domotic.ino
 * 功能：ESP8266实现针对听障人士的智能家居系统
 * 硬件：ESP-12E (或Wemos D1 Mini)、DHT22、MQ-2、MQ-135、
 *      HC-SR501、门磁开关、SSD1306 OLED、WS2812B RGB LED、
 *      振动马达、继电器模块、紧急按钮(按键) 
 * 开发环境：Arduino IDE 1.8.x
 * 依赖库：ESP8266WiFi.h、PubSubClient.h、Adafruit_SSD1306.h、
 *      Adafruit_GFX.h、DHT.h、FastLED.h 
 **************************************************/

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include "DHT.h"
#include <FastLED.h>

/*-------------------宏定义区-------------------*/
#define DHTPIN        D1        // DHT22数据引脚连接至GPIO5(D1)
#define DHTTYPE       DHT22     // DHT22型号
#define PIR_PIN       D5        // HC-SR501输出引脚GPIO14(D5)
#define MAGNET_PIN    D4        // 门磁开关信号GPIO2(D4)
#define RELAY_PIN     D8        // 继电器输入GPIO15(D8)
#define VIB_PIN       D6        // 振动马达驱动GPIO12(D6)
#define BUTTON_PIN    D3        // 紧急按钮输入GPIO0(D3)
#define LED_PIN       D7        // WS2812B数据引脚GPIO13(D7)
#define NUM_LEDS      8         // WS2812B灯珠数量
#define SCREEN_WIDTH  128       // OLED宽度
#define SCREEN_HEIGHT 64        // OLED高度
#define OLED_RESET    -1        // OLED重置脚，-1表示无
#define ANALOG_PIN    A0        // ESP8266内置ADC
#define WIFI_SSID     "Your_SSID"    // Wi-Fi名称
#define WIFI_PASS     "Your_PASS"    // Wi-Fi密码
#define MQTT_SERVER   "test.mosquitto.org" // 测试MQTT服务器
#define MQTT_PORT     1883
#define MQTT_CLIENTID "DeafDomotic_01"
#define MQTT_ALERT_TOPIC   "home/alert"
#define MQTT_CONTROL_TOPIC "home/control"
#define TEMP_THRESHOLD     30   // 温度告警阈值(摄氏度)
#define HUM_THRESHOLD      70   // 湿度告警阈值(%)
#define GAS_THRESHOLD      300  // 可燃气体告警阈值(ADC值)
#define SMOKE_THRESHOLD    300  // 烟雾告警阈值(ADC值)

/*-------------------全局变量区-------------------*/
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
CRGB leds[NUM_LEDS];

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

bool pirState = false;
bool magState = false;
bool lastPirState = false;
bool lastMagState = false;
bool buttonState = false;
bool lastButtonState = false;

/*-------------------函数声明区-------------------*/
void setup_wifi();
void reconnect_mqtt();
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length);
void readSensorsAndUpdate();
void publishAlert(const char* type, int value);
void displayStatus(const char* line1, const char* line2);
void visualAlert(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b, int flashes);
void vibrateAlert(int times, int duration);
int readGasSensor();   // 读取MQ-2/MQ-135模拟值
void handleControlCommand(char* payload, unsigned int length);

/*-------------------初始化函数-------------------*/
void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(PIR_PIN, INPUT);
    pinMode(MAGNET_PIN, INPUT_PULLDOWN_16);
    pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
    pinMode(VIB_PIN, OUTPUT);
    pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
    digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
    digitalWrite(VIB_PIN, LOW);

    // 初始化WS2812B灯带
    FastLED.addLeds<NEOPIXEL, LED_PIN>(leds, NUM_LEDS);
    FastLED.clear();
    FastLED.show();

    // 初始化OLED
    if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
        Serial.println("OLED未连接");
        while(true);
    }
    display.clearDisplay();
    display.setTextSize(1);
    display.setTextColor(SSD1306_WHITE);

    // 初始化DHT传感器
    dht.begin();

    // 连接Wi-Fi与MQTT
    setup_wifi();
    client.setServer(MQTT_SERVER, MQTT_PORT);
    client.setCallback(callback);

    delay(2000);
    displayStatus("系统初始化完成", "等待传感器数据");
    delay(1000);
}

/*-------------------主循环函数-------------------*/
void loop() {
    if (!client.connected()) {
        reconnect_mqtt();
    }
    client.loop();

    readSensorsAndUpdate();

    delay(2000); // 每2秒更新一次数据
}

/*-------------------Wi-Fi连接函数-------------------*/
void setup_wifi() {
    delay(10);
    displayStatus("正在连接WiFi", WIFI_SSID);
    WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
    int retry = 0;
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && retry < 20) {
        delay(500);
        Serial.print(".");
        retry++;
    }
    if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
        displayStatus("WiFi已连接", WiFi.localIP().toString().c_str());
        Serial.println("");
        Serial.println("WiFi已连接");
        Serial.print("IP地址: ");
        Serial.println(WiFi.localIP());
    } else {
        displayStatus("WiFi连接失败", "进入AP配置模式");
        // 可扩展：进入AP模式，提供Web页面供用户重新配置Wi-Fi
    }
}

/*-------------------MQTT重连函数-------------------*/
void reconnect_mqtt() {
    while (!client.connected()) {
        Serial.print("正在连接MQTT...");
        if (client.connect(MQTT_CLIENTID)) {
            Serial.println("已连接");
            client.subscribe(MQTT_CONTROL_TOPIC);
            displayStatus("MQTT已连接", "");
        } else {
            Serial.print("失败, rc=");
            Serial.print(client.state());
            Serial.println(" 尝试 5 秒后重连");
            displayStatus("MQTT连接失败", "重连中...");
            delay(5000);
        }
    }
}

/*-------------------MQTT消息回调函数-------------------*/
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
    // 处理远程控制命令
    handleControlCommand((char*)payload, length);
}

/*-------------------传感器读取与状态更新-------------------*/
void readSensorsAndUpdate() {
    // 读取DHT22温湿度数据
    float h = dht.readHumidity();
    float t = dht.readTemperature();
    if (isnan(h) || isnan(t)) {
        Serial.println("DHT读取失败");
    } else {
        char buf1[32], buf2[32];
        sprintf(buf1, "温度: %.1f C", t);
        sprintf(buf2, "湿度: %.1f %%", h);
        display.clearDisplay();
        display.setCursor(0, 0);
        display.print(buf1);
        display.setCursor(0, 16);
        display.print(buf2);
        display.display();
        Serial.println(buf1);
        Serial.println(buf2);

        // 判断温湿度告警
        if (t > TEMP_THRESHOLD) {
            publishAlert("TEMP_HIGH", (int)t);
            visualAlert(255, 0, 0, 5);  // 红色闪烁5次
            vibrateAlert(3, 200);       // 振动3次, 每次200ms
        }
        if (h > HUM_THRESHOLD) {
            publishAlert("HUM_HIGH", (int)h);
            visualAlert(255, 255, 0, 3); // 黄色闪烁3次
            vibrateAlert(2, 200);
        }
    }

    // 读取可燃气体与烟雾模拟值
    int gasVal = analogRead(ANALOG_PIN);  // 单ADC口示例，实际需多路切换
    Serial.print("可燃气/烟雾 ADC: ");
    Serial.println(gasVal);
    if (gasVal > GAS_THRESHOLD) {
        publishAlert("GAS_HIGH", gasVal);
        visualAlert(255, 165, 0, 5);    // 橙色闪烁5次
        vibrateAlert(4, 150);           // 振动4次
    }
    if (gasVal > SMOKE_THRESHOLD) {     // 若需要区分可燃气与烟雾，可用分时采样或外接多路ADC
        publishAlert("SMOKE_HIGH", gasVal);
        visualAlert(255, 0, 0, 8);     // 红色闪烁8次
        vibrateAlert(5, 150);          // 振动5次
    }

    // 读取PIR传感器
    pirState = digitalRead(PIR_PIN);
    if (pirState && !lastPirState) {
        publishAlert("MOTION_DETECTED", 1);
        displayStatus("检测到有人移动", "");
        visualAlert(0, 0, 255, 3);      // 蓝色闪烁3次
        vibrateAlert(2, 100);
    }
    lastPirState = pirState;

    // 读取门磁开关
    magState = digitalRead(MAGNET_PIN);
    if (magState != lastMagState) {
        if (magState == HIGH) {
            publishAlert("DOOR_OPEN", 1);
            displayStatus("门已打开", "");
            visualAlert(255, 255, 255, 4); // 白色闪烁4次
            vibrateAlert(3, 100);
        } else {
            publishAlert("DOOR_CLOSED", 0);
            displayStatus("门已关闭", "");
        }
        lastMagState = magState;
    }

    // 检测紧急按钮
    buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW; // 按下时为低电平（下拉或上拉视电路而定）
    if (buttonState && !lastButtonState) {
        publishAlert("EMERGENCY", 1);
        displayStatus("紧急呼叫中", "");
        visualAlert(255, 0, 255, 10);    // 紫色闪烁10次
        vibrateAlert(10, 100);           // 持续振动
    }
    lastButtonState = buttonState;
}

/*-------------------发布告警至MQTT-------------------*/
void publishAlert(const char* type, int value) {
    char payload[128];
    // 获取时间戳（此处仅用 millis() 示例，正式需要RTC或NTP同步）
    unsigned long ts = millis() / 1000;
    sprintf(payload, "{"type":"%s","value":%d,"timestamp":%lu}", type, value, ts);
    client.publish(MQTT_ALERT_TOPIC, payload);
    Serial.print("已发布告警: ");
    Serial.println(payload);
}

/*-------------------OLED显示状态函数-------------------*/
void displayStatus(const char* line1, const char* line2) {
    display.clearDisplay();
    display.setTextSize(1);
    display.setCursor(0, 0);
    display.print(line1);
    display.setCursor(0, 16);
    display.print(line2);
    display.display();
}

/*-------------------视觉告警函数(WS2812B)-------------------*/
void visualAlert(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b, int flashes) {
    for (int f = 0; f < flashes; f++) {
        for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
            leds[i].setRGB(r, g, b);
        }
        FastLED.show();
        delay(200);
        FastLED.clear();
        FastLED.show();
        delay(200);
    }
}

/*-------------------振动告警函数-------------------*/
void vibrateAlert(int times, int duration) {
    for (int i = 0; i < times; i++) {
        digitalWrite(VIB_PIN, HIGH);
        delay(duration);
        digitalWrite(VIB_PIN, LOW);
        delay(duration);
    }
}

/*-------------------处理远程控制命令函数-------------------*/
void handleControlCommand(char* payload, unsigned int length) {
    // 解析JSON（此处示例简化，生产环境推荐使用ArduinoJson库）
    String cmd = String(payload).substring(0, length);
    Serial.print("收到控制命令: ");
    Serial.println(cmd);

    if (cmd.indexOf("relay_on") >= 0) {
        digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);
        displayStatus("继电器已开启", "");
    } else if (cmd.indexOf("relay_off") >= 0) {
        digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
        displayStatus("继电器已关闭", "");
    }
    // 可扩展：多继电器、多设备控制等
}

上述代码实现了：

1. Wi-Fi与MQTT连接管理：在setup_wifi()与reconnect_mqtt()函数中完成Wi-Fi与MQTT Broker的连接与重连；

2. 多传感器数据采集：在readSensorsAndUpdate()函数中分别读取DHT22、MQ-2/MQ-135、HC-SR501、门磁开关、紧急按钮等传感器的数值；为方MQ-2与MQ-135采用同一模拟输入时，可在硬件中加装CD4051B多路开关或使用外置I²C ADC(如ADS1115)；

3. 告警触发与反馈：当传感器数值超过阈值时，通过publishAlert()将告警信息发布至MQTT主题，并调用visualAlert()与vibrateAlert()函数进行视觉与振动提醒；

4. OLED显示状态：通过displayStatus()函数实时更新OLED屏显示内容，包括Wi-Fi连接状态、传感器读数、告警类型等；

5. 远程控制：通过callback()函数接收来自MQTT主题“home/control”的控制命令(如“relay_on”或“relay_off”)，并通过GPIO控制继电器模块；可根据项目需求扩展更多控制指令；

6. 事件去抖动与阈值判断：对PIR和门磁开关做了状态变化检测，避免抖动误报；对DHT22采样值进行合法性判断(isnan检查)，防止传感器读数失败时误触发；MQ传感器部分可根据传感器预热时间(约2分钟)来忽略预热阶段读数。

九、手机App与云端交互

为了让听障用户能够远程查看家中状态并控制设备，本设计预留了两种方案：

1. 基于MQTT的轻量级App

• 使用MIT Blynk或IoT MQTT Panel等开源客户端配置：输入Broker地址、端口、Topic与客户端ID即可；创建虚拟按钮(Virtual Button)与物理LED或Text Widget关联，当收到home/alert主题的消息时，在App中弹出通知并显示图标；当触发App上的按钮时，将对应Payload(如“relay_on”)发布至home/control；

• 优点：无需编写App代码，配置灵活，适合原型阶段；缺点：界面定制性差、专业度不足；

2. 自定义Android App

• 使用Android Studio结合Paho MQTT Android客户端库开发：界面包含实时数据图表、告警列表、设备控制面板与历史记录查询等模块；用户通过触摸屏幕即可查看实时温湿度曲线、当前告警列表，并点击“开灯”“关灯”“急停”等按钮触发远程命令；

• 优点：界面可按听障用户需求设计(大字体、高对比度、多彩图标)，实现多语言切换(如中文、手语插图等)，易于推广；缺点：开发周期长，需要Android开发经验。

3. 云端数据持久化与分析

• 在自有服务器或云服务(如AWS、阿里云、腾讯云等)上部署MongoDB或MySQL，将告警日志与传感器数据存储；比如，当ESP8266通过MQTT发布告警时，后端(使用Node.js或Python)接收后写入数据库；前端Web页面通过RESTful API拉取历史数据并以图表形式展示(采用Chart.js或Morris.js等库)，便于用户回顾长期环境变化，提前预判风险；

• 结合机器学习(可选)：对收集到的温湿度与气体浓度数据进行趋势分析，如发现异常涨幅后提前预警；

十、系统功能扩展与优化建议

1. 电池备份与节能模式

• 增加锂电池与TP4056充电模块，实现断电后系统继续工作数小时；利用ESP8266深睡眠模式(Deep Sleep)降低空闲时功耗，仅在定时任务或事件触发时唤醒；可将睡眠间隔设置为30秒或1分钟，视对实时性的要求而定；对PIR等数字传感器，可在硬件上采用中断唤醒方式，降低睡眠期间功耗并提高响应速度。

2. 多路ADC或外置ADC

• ESP8266仅有一个10位ADC(0~1V)，无法直接连接多个MQ系列模拟输出；可选择集成ADS1115(I²C 16位ADC)或MCP3008(SPI 10位ADC)等，实现4或8路模拟输入；ADS1115支持4路差分/单端测量，精度高达16位，可满足更精细化气体浓度检测需求。

3. 增强安全性与稳定性

• 对MQTT通信进行TLS加密(借助ESP8266BearSSL库)，保证云端与本地通信安全，防止数据被中间人攻击；

• 在固件中加入OTA功能(Over-The-Air)，允许远程固件升级；可使用ArduinoOTA库或MQTT OTA升级方案；

• 对关键任务(如告警发布)实现重试机制，当网络断开时，将告警保存至SPIFFS文件系统，待网络恢复后重新上传，避免漏报。

4. 更多传感器与设备扩展

• 增加水浸传感器、防盗窃磁力传感器、光线强度传感器(LDR)、环境PM2.5传感器等，实现全屋环境感知；

• 增加接近传感器或超声波测距模块(HC-SR04)，为听障用户提供跌倒监测、家中老人行为监测等功能。

5. 可视化交互界面与语义提示

• 在OLED基础上升级为更大尺寸或彩色屏幕(如1.3寸SSD1306升级SSD1309或SSD1331彩屏)，使用图形与手语图标相结合的方式，为听障者提供更友好的视觉提示；

• 增加蓝牙或LoRa通信模块，实现房屋偏远区域或室外庭院的设备连接；

十一、总结

本设计基于ESP8266核心控制单元，为听障人士量身定制了一套智能家居系统，涵盖多种传感器(温湿度、可燃气体、烟雾、红外人体、门磁)、执行器(继电器、WS2812B LED、振动马达)、告警方式(视觉、振动)、通信方案(Wi-Fi+MQTT)、远程交互(App/云端)等模块，既保证了系统的低成本与易扩展，又充分考虑听障用户对非声响式告警的需求。文中从硬件选型(ESP-12E、AMS1117、LM2596、HC-SR501、MQ-2、MQ-135、DHT22、SSD1306、WS2812B、振动马达、继电器)、软件架构(底层驱动、逻辑控制、告警反馈、通信、HMI)、PCB与电路布局、核心代码实现，以及系统优化与扩展建议等方面进行了详尽阐述。

通过本方案，听障用户可在各个生活场景中及时获得安全与环境状态信息，并通过视觉与振动方式得到告警，避免因听力障碍而错过重要警示。该系统具有成本低、开发门槛低、功能丰富、可扩展性强的特点，未来可根据用户实际需求，提高系统智能化程度（如AI语义识别、数据分析与预测），进一步提升听障人士的生活质量与居家安全感。