利用传感器，搭建一个在房间温度过高时自动启动的冷却站

在此项目中，我将系统升级为一个自主运行的 MQTT 气候触发式冷却控制器。当室内温度超过设定阈值时，系统会自动开启冷却风扇，并通过有线以太网将环境数据和执行器状态同步至 Adafruit IO 控制面板。

该架构实现了以下功能：

- 通过内部 SPI 接口与内置 W5500 芯片通信，包含显式的硬件复位序列和链路状态验证。

- 通过 I2C 总线实时采集 AHT20 传感器提供的温度和相对湿度数据。

- 实现本地滞后环控制，通过 MOSFET 驱动器调节冷却风扇，避免在设定点附近频繁开关。

每30秒将环境数据和风扇的运行状态发送到Adafruit IO MQTT代理。

我们先从材料和接线开始。

风扇与开关模块

在以下图片中，请注意连接方式：正极线连接到V+，负极线连接到V-。这里VIN是通过USB线供电的一端，而VOUT则是开关“开启”时为风扇供电所输出的电压。

我们可以把开关模块想象成一个数字灯光开关，它能安全地控制一个大功率设备(如风扇或电机)的开关，而这个过程由一个小型低功耗的微处理器来完成。

使用跳线将红色方框标出的引脚连接到电路板上的任意GPIO引脚和GND引脚。在这个项目中，我使用PD13作为GPIO引脚。该项目中的GPIO将用于触发风扇的开关操作。

然后，使用微型USB转USB数据线将电路板连接到电脑，并通过以太网线将电路板的以太网接口插入路由器。此时，电路板上的PWR指示灯应亮起，同时以太网接口的LED灯也应亮起。

最后，将连接到开关模块的USB线插入电源。

现在我们可以进入代码了。

步骤1：离线管理认证凭据

与之前的版本一样，认证凭据仍保留在一个独立的 secrets.py 文件中，与主固件逻辑分离。将以下代码复制粘贴到一个新的代码窗口中，输入您自己的用户名和密钥，并将其保存为 MicroPython 设备上的 secrets.py 文件。

这样可以避免个人 API 令牌被纳入版本控制，同时允许主脚本引用动态数据源路径。

步骤2：固件结构解析

让我们来分析这个自主边缘控制器背后的实现细节和硬件考量。

1. 导入与设定值配置

目标输入：准备了三个信号流——温度、湿度，以及一个专用风扇信号流，用于将硬件的自主决策反馈至我们的远程仪表盘。

滞后逻辑：当风扇在单一目标(例如精确25.0°C)处启停时，由于温度在设定值附近波动，会导致继电器或MOSFET频繁跳动。引入1.0°C的死区(TEMP_FAN_ON = 25.0°C，TEMP_FAN_OFF = 24.0°C)，可稳定机械和电气组件。您可以根据需要修改该数值，以设定风扇启动和关闭的温度。

快速提示

请确保已安装ahtx0和MQTT客户端库。MQTT客户端库可通过进入“工具”→“管理包”，然后搜索micropython-umqtt.simple来安装。ahtx0库可通过mip模块安装。一旦您的开发板连接到互联网(通过以太网设置)，打开REPL并运行以下命令：

系统将自动下载文件并将其放置到您开发板的/lib目录中。

2. W5500 坚固启动与硬件复位

物理复位：在高阻抗初始化前，将 PD9 信号拉低 10 毫秒再拉高，可清除 W5500 内部状态寄存器，确保 MicroPython 软重启后系统能重新开始。

链路状态轮询：除了获取 DHCP 租约外，调用 nic.isconnected() 还会检查物理以太网载波脉冲是否被检测到，然后再尝试发起 TCP 事务。

3. 外设：I2C传感器和高功率执行器

I2C总线初始化：I2C(1) 通过扫描线路并锁定 AHT20，使其在地址 0x38 处工作。

执行器隔离：微控制器的 GPIO 引脚无法直接驱动直流风扇，否则会导致引脚损坏。PD13 被映射到一个外部 N 沟道 MOSFET 模块的栅极，用于隔离地切换外部 5V/12V 电源轨。在启动时将其拉低，可确保冷却元件在初始化期间不被供电。

4. MQTT 连接

与我们之前的项目不同，此客户端采用上行优先的遥测模式。它不会订阅来自执行器的开关信号;设备会本地评估其环境，并向上层传输状态更新。

5. 带滞后效应的自主控制

本地状态机：不再依赖云端自动化程序(若网络中断则会失败)，而是让微控制器直接将本地指标与 TEMP_FAN_ON 和 TEMP_FAN_OFF 进行比较。

状态变化过滤：仅在发生实际状态切换时(即 fan.value() == 0 转换为 fan.value() == 1)才发布风扇状态，从而减少网络开销，并避免不必要的代理调用。

容错发布机制：将短暂的 MQTT 发布操作封装在 try/except 保护中，可防止偶发的套接字卡顿导致本地热保护回路崩溃。

6. 周期性执行循环

非阻塞定时器：time.ticks_diff() 准确地跟踪30秒的时间窗口，而不会阻塞程序执行，从而为日后添加辅助循环或按钮控制提供空间。

安全回退机制：如果在 Thonny 中通过 KeyboardInterrupt 手动停止执行，异常处理程序会显式调用 fan.off()，防止执行器在引脚状态浮空时失控运行。

最终效果

将 W55MH32L 连接到外部 MOSFET 并配置 Adafruit IO 桌面，即可将其转变为一个完全功能完善的系统。

改进

从视频中我们可以立即注意到，传感器在风扇启动前需要相当长的时间才能发布数据。

代码使用了一个30秒的重复倒计时。问题在于，程序没有在完成第一次检查后才开始倒计时，而是先启动了倒计时。由于该函数完全嵌套在倒计时内部，系统被迫等待30秒，才进行首次读取。

解决这个问题的一个方法是在进入循环之前立即运行一次。

本文编译自hackster.io