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##一、 实验目的和要求 #（1）设计并开发一个网络应用软件系统 二、 实验内容和原理 实验内容： 本实验的目的是设计并开发一个物联网彩灯系统，用于智能化的居家氛围布置、照明。系统的操控方式为手机APP控制，通过MQTT远程实现。完成的功能有自由控制颜色、亮度，既可以所有的LED灯一起进行操作，也可以对单独LED等进行操作；一键彩灯，按下按钮，即可按照设定好的氛围光亮起彩灯，营造独特的氛围。本实验对氛围光只设定一个模式作为例子，具体应用时完全可以添加更多的模式。另外，彩灯不仅使用与氛围布置，还兼容学习场合，一键可以调整至护眼模式。 开发语言：C语言（Arduino平台） #三、 架构设计： 1、 硬件部分。硬件包括一块Nodemcu开发板、一个WS2812灯带、一台智能手机。 （1） Nodemcu开发板。NodeMCU,是一个开源的物联网平台，使用esp8266作为核心 它使用Lua脚本语言编程，同时也可以使用Arduino进行编程。硬件配置主要有16个GPIO引脚，可实现1个模拟I/O和11个数字I/O。通讯接口有一个USB口、一个串口和一个Wifi通讯模块。本实验主要用到GPIO引脚来驱动WS2812，使用Wifi模块连接网络与服务器、手机进行通讯。
（2） WS2812。WS2812B是一个集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源。其外型与一个5050LED灯珠相同，每个元件即为一个像素点。像素点内部包含了智能数字接口数据锁存信号整形放大驱动电路，还包含有高精度的内部振荡器和12V高压可编程定电流控制部分，有效保证了像素点光的颜色高度一致。数据协议采用单线归零码的通讯方式，像素点在上电复位以后，DIN端接受从控制器传输过来的数据，首先送过来的24bit数据被第一个像素点提取后，送到像素点内部的数据锁存器，剩余的数据经过内部整形处理电路整形放大后通过DO端口开始转发输出给下一个级联的像素点，每经过一个像素点的传输，信号减少24bit。像素点采用自动整形转发技术，使得该像素点的级联个数不受信号传送的限制，仅仅受限信号传输速度要求。LED具有低电压驱动，环保节能，亮度高，散射角度大，一致性好，超低功率，超长寿命等优点。将控制电路集成于LED上面，电路变得更加简单，体积小，安装更加简便。 2、 软件部分。blinker是一套跨硬件、跨平台的物联网解决方案，提供APP端、设备端、服务器端支持，使用公有云服务进行数据传输存储。可用于智能家居、数据监测等领域，可以帮助用户更好更快地搭建物联网项目。Blinker由服务器端、app端、设备端组成，可以部署到几乎所有物联网平台，使用WiFi、MQTT等方式接入，服务器端可以部署到阿里云、腾讯云、OneNET、百度云、AWS、google cloud等平台，通过界面布局器，DIY用户可自己拖拽布局设备控制界面，自由打造专属的物联网设备。 )3、 系统连接。 （1）Nodemcu和WS2812的连接方式如下：
以上红色箭头分别是D7、GND和VCC，其中Nodemcu的Vcc和ws2812的Vcc相连，Nodemcu的GND和ws2812的GND相连，Nodemcu的D7和ws2812的S（信号线）相连。
需要注意的是，ws2812所有的灯全亮电流超过500mA，无法通过电脑进行供电，需要外接电源。因此ws2812其实有两根VCC和两根GND。这两根线是短路的，具体连接的时候一根GND连接Nodemcu的GND，另一根GND连接5V直流电源的GND。但是VCC不能两根都连，一根VCC连接5V直流电源，另外一根VCC悬空。另外，信号线和Nodemcu的D7相连即可。（1）Nodemcu和手机APP的通信。本实验没有直接搭建服务器，而是采用了blinker解决方案的服务器。Nodemcu需要处于一个有wifi的局域网环境下，通过wifi接入Internet。通讯使用MQTT方式，即便用户离开了现场也能够进行操控。Nodemcu将秘钥发送到blinker服务器并建立连接，手机APP通过开关按键发送秘钥到服务器同样建立连接。服务器识别到Nodemcu和客户端同时发来了秘钥后，开始在两者之间传递命令协议。每个命令的发出都需要两步，一是客户端向Nodemcu发送指令，二是Nodemcu返回一个确认信息，客户端接收到之后确认操作完成。 三、主要仪器设备 1、一块Nodemcu开发板 2、一个WS2812灯条 3、Blinker手机app 四、设计要点 （1）下载正确的库文件。本实验对ws2812的操作与对单个LED不同，点亮单个基色LED编写好PWM程序就可以调节亮度，不同亮度的三基色LED叠在一起就能呈现不同的颜色。但是ws2812是成线性排列的，所有的LED公用同一个根信号线，因此不能对LED进行单独操作。此处需要用到ws2812的库函数对其进行操作。 在github中搜索blinker library找到资源并下载，将下载好的blinker库解压到 我的电脑>文档>Arduino>libraries 文件夹中
（2）获得IoT设备秘钥。秘钥相当于一个设备的ID，服务器要找到特定的IoT设备，必须依赖该秘钥。打开blinker app，点击右上角的‘+’号，选择Arduino，获得秘钥并复制。 （3）代码中的IoT秘钥、wifi名称、wifi秘钥必须正确输入，否则设备无法与服务器连接。
（4）组件名称要和代码对应。如LEDNum对应Number_1，LED_R对应Number_2.
四、 实验结果与分析 1、搭建好的硬件如下： 2、APP界面及组件如下： 3、工作时间显示：工作时间能够实时更新 2、自由控制（整体）模式：按下自由模式，按钮高亮，点击任一颜色，灯颜色改变，手机上显示对应RGB值。图中可以看出选中绿色RGB是[0,255,52] 3、七彩模式：按下七彩模式，按钮高亮，ws2812直接显示一个绚烂的彩色灯条。 4、逐个调节模式。按下逐个调节模式按钮，按钮高亮。这时可以按顺序依次调节每一个灯珠的RGB值，当从第一个到最后一个都调整过以后，又重新回到第一个，循环进行。实验中为了显示每个灯珠都可以自由调节，特意相邻的灯珠选择了反差明显的颜色。 5、护眼照明模式。按下护眼照明模式按钮，按钮高亮。一键调整至护眼模式，此时是柔和的黄光。 以上结果达到预期要求。另外需要说明的是，本实验对灯光效果只设定一个模式作为例子，具体应用时完全可以添加更多的模式。 五、实验注意1、本实验主要的代码内容是硬件设备Nodemcu上的，编写硬件代码比较麻烦的是参数的选取（关系到硬件是否能正产工作）。实验时一开始时将ws2812的144个灯珠全部点亮，带来了严重的问题，电脑突然掉电。重启后Windows系统提示USB口电流过大，无法继续使用。幸好内部电路没有破坏性损坏，冷却下来之后仍然能继续工作，否则我的电脑就会损失一个USB口。2、明确电脑无法直接给ws2812供电之后，又找了一个220V转5V的电源适配器来给ws2812供电（先接在面包板上再借ws2812）。这样一来144个LED灯珠都能正常工作。然而偶然触摸面包板温度非常高，迅速拔掉电源后发现面包板已经严重融化。可见144个灯珠同时亮起电流过大。3、最终才确定只点亮20个LED灯珠，防止再次出现意外。 六、附实验代码（C语言） ```c 六、附实验代码（C语言）#define BLINKER_WIFI#include <Blinker.h>#include<math.h> char auth[] = "692310ffgrt";//IoT秘钥 char ssid[] = "ONEPLUS";//wifi名称 char pswd[] = "55555555"; //wifi秘钥 bool tab[5] = { false }; bool modestate[4] = { false }; //工作模式选项卡 bool AutoBit= false; //判断手动模式是否有效 bool SingleAdjust= false;//判断逐个调节是否有效 int LEDserial=0;// int Offset=20; //灯珠整体移动若干单位 #include <Adafruit_NeoPixel.h>#ifdef __AVR__ #include <avr/power.h>#endif #if defined (__AVR_ATtiny85__) if (F_CPU == 16000000) clock_prescale_set(clock_div_1);#endif #define PIN 13#define NUMPIXELS 20#define RGB_1 "RGBKey"#define Tab_1 "tab-mode"#define Number_1 "LEDNum"#define Number_2 "LED_R"#define Number_3 "LED_G"#define Number_4 "LED_B" BlinkerRGB WS2812(RGB_1);BlinkerTab Tab1(Tab_1);//定义数据结构 Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800); BlinkerNumber Number1 (Number_1); BlinkerNumber Number2 (Number_2); BlinkerNumber Number3 (Number_3); BlinkerNumber Number4 (Number_4); //*************************************************************//选项卡触发函数 void tab1_callback(uint8_t tab_set){ //BLINKER_LOG("get tab set: ", tab_set); digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN)); switch (tab_set) { case BLINKER_CMD_TAB_0 : tab[0] = true; //BLINKER_LOG("tab 0 set"); AutoBit=!AutoBit;//手动位取反 break; case BLINKER_CMD_TAB_1 : tab[1] = true; //BLINKER_LOG("tab 1 set"); Mode1();//开启Mode1，灯光模式1 break; case BLINKER_CMD_TAB_2 : tab[2] = true; //BLINKER_LOG("tab 2 set"); SingleAdjust=!SingleAdjust;//开启Mode2，灯光模式2 break; case BLINKER_CMD_TAB_3 : tab[3] = true; //BLINKER_LOG("tab 3 set"); Mode3();//开启Mode3，流水灯模式 break; case BLINKER_CMD_TAB_4 : tab[4] = true; //BLINKER_LOG("tab 4 set"); break; default: break; }} void tab1_feedback(){ for(uint8_t num = 0; num < 5; num++) { if (tab[num]) { Tab1.tab(num); tab[num] = false; } } Tab1.print();} //*******************************************************************//自由模式整体调节/逐个调节服务函数 void ws2812_callback(uint8_t r_value, uint8_t g_value, uint8_t b_value, uint8_t bright_value){ digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN)); if (AutoBit==true){ digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN)); Mode0(r_value,g_value,b_value,bright_value); return NULL; } else if(SingleAdjust==true){ digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN)); Mode2(r_value,g_value,b_value,bright_value); }} //********************************************************************//自由控制（整体调节）Mode0 void Mode0(uint8_t r_value, uint8_t g_value, uint8_t b_value, uint8_t bright_value){ pixels.setBrightness(bright_value); for(int i = 0; i < NUMPIXELS; i++){ pixels.setPixelColor(i, r_value, g_value, b_value); } pixels.show(); Number2.print(r_value); Number3.print(g_value); Number4.print(b_value);} //********************************************************************//七色模式Mode1 void Mode1(){ int r=0; int g=0; int b=0; int i=0; int full=NUMPIXELS; digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN)); for(int i=0;i<NUMPIXELS;i++){ if(i<full/3){ r=255; g=ceil(255*3*i/full); b=0; }else if(i<full/2){ r=ceil(750-i*(250*6/full)); g=255; b=0; }else if(i<full*2/3){ r=0; g=255; b=ceil(i*(250*6/full)-750); }else if(i<full*5/6){ r=0; g=ceil(1250-i*(250*6/full)); b=255; }else{ r=ceil(150*i*(6/full)-750); g=0; b=255; } pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(r,g,b)); } pixels.show(); }//********************************************************************//逐个调节Mode2 void Mode2(uint8_t r_value, uint8_t g_value, uint8_t b_value, uint8_t bright_value){ pixels.setBrightness(bright_value); pixels.setPixelColor(LEDserial, r_value, g_value, b_value); pixels.show(); LEDserial=LEDserial+1; LEDserial= LEDserial % NUMPIXELS; Number2.print(r_value); Number3.print(g_value); Number4.print(b_value); }//*******************************************************************//护眼照明模式 黄光Mode3 void Mode3(){ int bright_value=200; int r_value=255; int g_value=215; int b_value=0; pixels.setBrightness(bright_value); for(int i = 0; i < NUMPIXELS; i++){ pixels.setPixelColor(i, r_value, g_value, b_value); } pixels.show(); Number2.print(r_value); Number3.print(g_value); Number4.print(b_value);}//*******************************************************************//显示数值 void dataRead(const String & data){ uint32_t BlinkerTime = millis(); Number1.print(BlinkerTime/1000);} //********************************************************************* void setup(){ Serial.begin(115200); BLINKER_DEBUG.stream(Serial); Blinker.attachData(dataRead); pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);//引脚设置为输出模式 digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); Blinker.begin(auth, ssid, pswd); pixels.begin();//开启pixel对ws2812输出 WS2812.attach(ws2812_callback); Tab1.attach(tab1_callback, tab1_feedback); } void loop(){ Blinker.run();} ``` | 
发表于 2020-3-7 21:41
