零知派ESP32—— 基于ESP32 + ISD1820 远程监控PIR安防告警系统

LingzhiPi

265人浏览 · 2026-07-08 17:32:16

LingzhiPi · 2026-07-08 17:32:16 发布

项目概述

本项目加入了Wi-Fi与MQTT协议，实现了远程状态监控与告警推送。系统以ESP32为主控，通过SR505人体红外传感器（PIR）检测入侵，ISD1820语音模块播放自定义告警语音,ST7789彩色屏幕实时显示本地状态，同时通过MQTT将系统状态、PIR信号、告警事件等实时上报至云端（如EMQX公共代理），用户可使用手机或电脑上的MQTT客户端订阅主题，随时随地掌握现场动态。

核心功能：

本地功能：PIR入侵检测、语音告警播放、屏幕状态显示、LED指示、手动录音/测试。
新增远程功能：Wi-Fi自动连接，MQTT发布系统状态（online/arming/armed/alarm）、PIR电平变化、告警触发、录音开始/结束、系统启动信息等，实现远程监控与数据收集。

项目亮点

本地+远程双模监控：既保留本地实时响应，又支持远程查看状态，适合无人值守场景。
全流程MQTT上报：从启动预热、布防完成、入侵告警到录音操作，每个关键事件都会发布主题，便于集成到Home Assistant等智能家居平台。
自动重连与离线容错：WiFi连接超时后自动进入离线模式，MQTT断线后定时重试，不影响本地告警功能。
低代码扩展性：通过PubSubClient库轻松更换MQTT Broker或增加自定义主题。
实时PIR状态推送：PIR电平变化时即时发布主题，可用于远程查看环境活动情况。

项目难点及解决方案

难点	解决方案
WiFi连接阻塞主循环	在`setup()`中使用10秒超时机制，连接失败则跳过，后续不再重试，保证系统快速启动。
MQTT发布不阻塞告警	所有MQTT发布均为非阻塞调用（`mqtt.publish`立即返回），且`mqtt.loop()`仅在`mqtt.connected()`时执行，不影响主循环实时性。
MQTT重连频率控制	使用静态变量`lastTry`，限制重连间隔不低于10秒，避免频繁重连消耗资源。
状态同步一致性	每次屏幕状态变化时，同步调用`mqttPub()`发布对应状态主题，确保远程与本地一致。
网络状态变化时界面不卡顿	将MQTT维护放在独立计时分支（每200ms执行一次），不影响屏幕刷新（200ms限频）和按键扫描。

Q2：如何更换MQTT Broker或添加认证？

Q3：MQTT订阅后收不到消息？

Q4：如何关掉MQTT功能（纯本地模式）？

一、硬件系统部分

1.1 硬件清单

组件	型号/规格	数量	作用
开发板	零知派ESP32	1	主控，包含Wi-Fi/BLE
扩展板	零知派ESP32扩展板	1	方便接线
红外传感器	SR505	1	探测人体移动
语音模块	ISD1820	1	录音/放音
显示屏	ST7789（240×240）	1	本地状态显示

1.2 接线方案

ESP32 GPIO	连接组件	功能说明
GPIO 19	ISD1820 `REC`	录音触发
GPIO 14	ISD1820 `PLAYE`	手动放音触发
GPIO 27	ISD1820 `PLAYE`	告警触发输出（低电平脉冲）
GPIO 34	SR505 `OUT`	PIR数字信号输入

1.3 硬件连接图

1.4 实物连接图

二、软件架构设计

2.1 系统初始化流程

串口：115200 bps，调试输出。
Wi-Fi连接：尝试连接指定SSID，超时10秒，无论成功与否都继续执行（不影响本地功能）。
MQTT客户端：设置Broker地址和端口，连接成功后立即发布status/online。
GPIO与屏幕初始化：配置引脚、启动TFT。
PIR预热：记录warmMs，进入60秒倒计时。
LED闪烁：提示启动完成。
发布启动信息：status/arming和info（含预热时长）。

2.2 主循环逻辑

loop():
  1. 读取所有输入电平
  2. 每200ms执行MQTT维护：
     - 尝试重连（若断开且距上次尝试超过10秒）
     - 若已连接，调用 mqtt.loop() 处理网络事件
  3. 录音处理（边沿检测）—— 增加MQTT发布 record/start 和 record/end
  4. 手动放音处理 —— 触发告警并发布 alarm 主题
  5. PIR入侵检测（预热完成后）：
     - 上升沿触发告警，同时发布 status/alarm 和 alarm/1
     - 每次PIR电平变化时发布 pir/HIGH 或 pir/LOW（供远程监控）
  6. 告警结束处理 —— 恢复状态并发布 status/armed
  7. 布防完成 —— 发布 status/armed 和 info/armed
  8. 布防倒计时显示（与MQTT无关）
  9. 更新按键历史电平，延迟10ms

三、代码拆分讲解

3.1 WiFi与MQTT配置

const char* WIFI_SSID = "zaixinjian";
const char* WIFI_PASS = "2020zaixinjian";
const char* MQTT_BROKER = "broker.emqx.io";
const int   MQTT_PORT   = 1883;
const char* MQTT_ID     = "PIR_Alarm";
const char* MQTT_PREFIX = "pir_alarm";

MQTT_PREFIX作为所有主题的前缀，方便统一管理。
使用公共Broker broker.emqx.io，无需注册即可测试。

发布函数：

void mqttPub(const char* subtopic, const char* payload) {
  if (!mqtt.connected()) return;
  char topic[64];
  snprintf(topic, 64, "%s/%s", MQTT_PREFIX, subtopic);
  mqtt.publish(topic, payload);
}

自动拼接前缀，调用时只需指定子主题和负载。
若MQTT未连接，静默跳过，不影响本地操作。

重连函数：

void mqttReconnect() {
  if (mqtt.connected()) return;
  static unsigned long lastTry = 0;
  if (millis() - lastTry < 10000) return;
  lastTry = millis();
  if (mqtt.connect(MQTT_ID)) {
    mqttPub("status", "online");
  }
}

限制重连频率为10秒，避免Broker拒绝频繁连接。
连接成功后立即发布在线状态。

3.2 主循环中的MQTT维护

if (n - lastMqtt >= 200) {
  lastMqtt = n;
  mqttReconnect();
  if (mqtt.connected()) mqtt.loop();
}

每200ms执行一次，确保及时处理网络事件，同时不影响主循环响应速度。

3.3 各事件点的MQTT发布

录音：

按下：mqttPub("record", "start");

松开：mqttPub("record", "end");

告警触发（alarm()函数内）：

mqttPub("status", "alarm");
mqttPub("alarm", "1");

PIR电平变化（在调试打印处）：

if (ir != pirDbg) {
  mqttPub("pir", ir == HIGH ? "HIGH" : "LOW");
}

每次电平变化时推送，便于远程了解环境活动。

布防完成：

mqttPub("status", "armed");
mqttPub("info", "armed");

告警结束：

if (warmMs == 0) {
  scrNow("Armed", "System OK", ...);
  mqttPub("status", "armed");
}

启动信息：
在setup()中发布 status/arming 和 info（含预热时长）。

3.4 屏幕显示与MQTT解耦

屏幕刷新逻辑与之前完全一致，MQTT发布是“附加动作”，不改变原状态机。这样做的好处是即使网络故障，本地功能依旧完好。

四、操作过程及数据展示

4.1 操作步骤

连接硬件：按接线图连接所有模块，确保ESP32供电（USB线或电池）。
配置WiFi：在代码开头修改WIFI_SSID和WIFI_PASS为你自己的热点（若使用公共EMQX则无需改Broker）。
上传程序：使用零知派编译上传。
观察启动：
- 串口打印WiFi连接过程，成功后显示IP。
- 屏幕显示“Security Arming...”然后60秒倒计时。
- MQTT连接成功后，串口输出“MQTT OK”。
订阅MQTT主题（使用任意MQTT客户端，如MQTTX、mosquitto_sub）：
- 订阅 pir_alarm/# 即可收到所有主题。
- 启动后你会看到 status/online，随后 status/arming，以及 info 包含预热秒数。
录制语音：按住REC键说话，松开后屏幕显示保存，MQTT会收到 record/start 和 record/end。
等待布防：倒计时归零，屏幕显示“Armed System Armed”，同时MQTT收到 status/armed。
触发入侵：在PIR前移动，系统立即告警（语音+屏幕+LED），MQTT会收到 status/alarm、alarm/1，以及PIR电平变化 pir/HIGH（若之前为LOW）。
手动测试：按下PLAY键，同样触发告警，MQTT也会发布相同告警主题。
远程监控：在任何地方打开MQTT客户端，即可实时看到系统状态，如是否布防、是否告警、当前PIR高低电平。

4.2 数据展示

主题	负载示例	触发时机
`pir_alarm/status`	`online`, `arming`, `armed`, `alarm`	系统启动、预热开始、布防完成、告警触发
`pir_alarm/pir`	`HIGH` / `LOW`	PIR输出电平每次变化时
`pir_alarm/alarm`	`1`	告警触发时（仅触发时发布一次）
`pir_alarm/record`	`start` / `end`	录音按键按下/松开
`pir_alarm/info`	`boot warmup=60s`, `armed` 等	启动和布防完成时

你可以利用这些数据在Node-RED、Home Assistant中建立自动化，例如：当status/alarm时发送手机通知。

4.3 视频演示

零知派ESP32—— 远程监控PIR安防告警系统

五、技术原理

5.1 工作原理

MQTT协议：轻量级发布/订阅消息协议，适用于低带宽、高延迟或不可靠网络环境。ESP32作为客户端，连接到Broker（如EMQX），发布主题，任何订阅该主题的客户端都能实时收到消息。

系统状态机结合MQTT：

系统状态（预热、布防、告警）通过status主题对外广播。
PIR信号实时转发，可用于远程查看是否有活动。
告警事件单独使用alarm主题，便于下游过滤和处理。

5.2 工作模式配置（含网络状态）

模式	本地表现	MQTT行为
启动/离线	屏幕显示，但WiFi未连接	不发布，但定时重试
预热中	倒计时显示	发布`status/arming`和`info`
布防完成	显示“Armed”	发布`status/armed`和`info/armed`
告警中	显示“INTRUSION!”	发布`status/alarm`和`alarm/1`
录音中	显示“RECORD”	发布`record/start`和`record/end`