技術(shù)報告基于NodeMCU固件平臺的RGB三色燈遠(yuǎn)程控制設(shè)計實現(xiàn)

1、計劃類別 項目編號 項目技術(shù)報告課題名稱 項目主持人 承擔(dān)單位 題目：基于NodeMCU固件平臺的RGB三色燈遠(yuǎn)程控制設(shè)計與實現(xiàn)隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于WIFI無線通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用應(yīng)運而生。本文設(shè)計一種基于ESP8266的WIFI通信模塊在NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)固件平臺上，利用Lua腳本語言編程實現(xiàn)RGB三色燈的無線控制功能，并通過ESP8266的WIFI通信模塊的STA通信方式連接路由器和云平臺服務(wù)器進行通信，實現(xiàn)云平臺遠(yuǎn)程無線控制。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作方便和可靠性強，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，具有一定的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：ESP8266；NodeMCU；WIFI；RGB三色燈1 引言（In

2、troduction）隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對遠(yuǎn)程智能控制產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用需求不斷擴大，希望借助WIFI無線通信方式與智能化產(chǎn)品交互，并通過云平臺實現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的無線控制。本文提出一種在ESP8266WiFI芯片之上運行NodeMCU固件平臺，利用Lua腳本語言實現(xiàn)RGB三色燈的遠(yuǎn)程控制設(shè)計方案。通過NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)固件平臺上的應(yīng)用開發(fā)，使ESP8266WIFI模塊開機自動連接路由器，連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務(wù)器，登錄設(shè)備，監(jiān)聽服務(wù)器發(fā)送消息，并根據(jù)不同的消息遠(yuǎn)程控制RGB三色燈。2 總體設(shè)計（The overall design）為了提高傳統(tǒng)燈光照明控制系統(tǒng)的靈活性

3、和可擴展性，使燈光照明控制系統(tǒng)更加智能化，本系統(tǒng)以ESP8266WIFI無線通信處理模塊為載體，通過運行含有對ESP8266WIFI硬件操作API函數(shù)等相關(guān)功能1，以構(gòu)建NodeMCU固件平臺，然后利用Lua腳本語言分別ESP8266WIFI無線通信處理模塊的WIFI路由功能、RGB三色燈的輸出引腳控制功能，以及和云平臺服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能進行編程，最后將ESP8266WIFI無線通信處理模塊連接路由器，實現(xiàn)通過云平臺服務(wù)器遠(yuǎn)程控制硬件設(shè)備。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計（The hardware design of thesystem）3.1 NodeMCU固件平臺的硬件

4、設(shè)計NodeMCU固件平臺的硬件載體是ESP8266WIFI無線通信模塊，它是一款超低功耗的UART-WIFI透傳模塊，其硬件接口豐富，可支持UART、IIC、PWM、GPIO和ADC等接口，主要實現(xiàn)串口透傳2，PWM調(diào)控及GPIO控制等功能，另外ESP8266模塊支持STA/AP/STA+AP三種通信模式，本文主要使用GPIO控制功能和STA模式，通過ESP8266模塊可將用戶的物理設(shè)備連接到WIFI無線網(wǎng)絡(luò)上，再通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，最后手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，ESP8266無線通信模塊硬件連接如圖2所示。3.2 RGB三色燈硬件設(shè)計RGB三色燈硬件模塊主要采用5050R

5、GB共陽發(fā)光二極管，其工作電壓紅色為2.02.2V、藍(lán)色為3.03.3V、綠色為3.03.3V、工作電流為60mA，發(fā)光角度很寬，可達(dá)到120度3。這里將RGB三色燈中的三個引腳通過電阻連接至3.3V，另外三個引腳分別連接至ESP8266無線通信模塊中的GPIO14、GPIO13和GPIO12三個引腳，一旦將GPIO14、GPIO13和GPIO12三個引腳上的任何一個引腳輸出低電平，都將點亮RGB中對應(yīng)的發(fā)光二極管4。RGB三色燈硬件連接電路如圖3所示。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計（System software design）系統(tǒng)的軟件部分主要是利用Lua腳本語言在NodeMCU固件平臺上進行腳本編寫

6、實現(xiàn)相關(guān)功能，這里包括WIFI路由連接功能、RGB三色燈的輸出引腳控制功能、WIFI模塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能，以及云平臺服務(wù)器數(shù)據(jù)通信功能。4.1 WIFI路由連接功能程序設(shè)計為了能夠讓ESP8266無線通信模塊連接WIFI無線路由器，這里需要利用Lua腳本語言編寫WIFI路由連接程序，主要包括WIFI工作模式設(shè)置，station模式下的ssid和password設(shè)置，以及通過開啟定時器進行station模式下路由AP連接4，如果連接WIFI路由成功，則通過無線路由器的DHCP功能獲取客戶端IP地址5，具體通信流程如圖4所示。WIFI路由連接主要功能代碼如下：wifi.setmode（wifi.S

7、TATION）/設(shè)置WIFI工作模式wifi.sta.config（無線網(wǎng)名稱，密碼）/配置SSID和Passwordwifi.sta.connect（）/連接路由tmr.alarm（0，1000，tmr.ALARM_AUTO，function（）/開啟定時器if wifi.sta.getip（）=nil then/連接路由失敗print（IPunavaiable，Waiting.）else tmr.stop（0）/連接路由成功，關(guān)閉定時器print（Configdone，IPis.wifi.sta.getip（）/獲取IP地址4.2 RGB三色燈的輸出引腳控制功能程序設(shè)計由于ESP8266模

8、塊所運行的NodeMCU固件中含有對GPIO的輸入、輸出和中斷三種模式的設(shè)置選擇6，為了利用Lua腳本語言控制任意一個燈的開和關(guān)兩個狀態(tài)，這里需要在Lua編程中將ESP8266無線通信模塊中的GPIO14、GPIO13和GPIO12三個物理引腳映射NodeMCU固件中LEDB（IO5）、LEDR（IO7）和LEDG（IO6）三個引腳，并選擇為輸出模式。另外，在系統(tǒng)啟動初始化階段，為了將RGB三色燈都處于關(guān)閉狀態(tài)，根據(jù)前面的電路連接，需要將這三個引腳的IO口初始化為高電平輸出，主要功能代碼如下： gpio.mode（LEDR，gpio.OUTPUT）；/將紅色燈所對應(yīng)的NodeMCU引腳設(shè)置輸出

9、模式gpio.mode（LEDG，gpio.OUTPUT）；/將綠色燈所對應(yīng)的NodeMCU引腳設(shè)置輸出模式gpio.mode（LEDB，gpio.OUTPUT）；/將藍(lán)色燈所對應(yīng)的NodeMCU引腳設(shè)置輸出模式gpio.write（LEDR， gpio.HIGH）；/將紅色燈所對應(yīng)NodeMCU引腳輸出為高電平，代表不點亮gpio.write（LEDG， gpio.HIGH）；/將綠色燈所對應(yīng)NodeMCU引腳輸出為高電平，代表不點亮gpio.write（LEDB， gpio.HIGH）；/將藍(lán)色燈所對應(yīng)NodeMCU引腳輸出為高電平，代表不點亮4.3 WIFI模塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能程序設(shè)計在

10、物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的時代，設(shè)備與平臺服務(wù)器的連接交互的信息越來越多，為了將ESP8266無線通信模塊連接RGB三色燈之后，通過TCP方式連接云平臺服務(wù)器，并最終實現(xiàn)智能手機遠(yuǎn)程控制，這里需要使用帶有cjson數(shù)據(jù)通信處理協(xié)議的NodeMCU固件實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸與交互7，固件中的cjson是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸中較為常用的協(xié)議，這里智能手機發(fā)出的控制命令通過云端服務(wù)器之后，云服務(wù)器以cjson格式將數(shù)據(jù)傳輸至ESP8266無線通信模塊中，通過decode函數(shù)進行解碼，轉(zhuǎn)換成數(shù)字、字符串或者table數(shù)據(jù)類型的控制命令實現(xiàn)對設(shè)備的控制8，然后將控制狀態(tài)信息（如燈已打開或者關(guān)閉狀態(tài)信息）通過encode

11、（）函數(shù)進行編碼，將數(shù)字、字符串或者table數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成cjson格式傳輸至云端服務(wù)中，具體WIFI模塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信流程如圖5所示。4.4 云平臺服務(wù)器數(shù)據(jù)通信本文選用貝殼物聯(lián)云平臺作為云端服務(wù)器，它的通信方式主要以TCP協(xié)議為主，UDP協(xié)議為輔的形式進行通訊。在TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，可以直接使用TCP或者websocket建立長連接，定時發(fā)送心跳數(shù)據(jù)，保持設(shè)備在線，在線期間設(shè)備與服務(wù)器可進行Json字符串格式數(shù)據(jù)進行通訊，并實現(xiàn)實時更新，這里使用的用戶與設(shè)備間溝通指令格式如下：M：say，ID：xx1，C：xx2n，參數(shù)說明如下：M：固定（Method）。Say：固定，溝通指令。ID：固定

12、。xx1：可變，發(fā)送目標(biāo)的唯一通訊ID。C：固定（content）。xx2：可變（數(shù)據(jù)類型自定，符合Json字符穿要求即可），發(fā)送指令內(nèi)容本系統(tǒng)主要功能代碼如下：Local function run（）localcu=net.createConnection（net.TCP）/通過TCP連接云平臺服務(wù)器cu：on（receive，function（cu，c）/收到云平臺服務(wù)器cjson格式的數(shù)據(jù)信息r=cjson.decode（c）/解碼cjson格式數(shù)據(jù)if r.M=saythenif r.C=playthengpio.write（LEDG，gpio.LOW）/通過控制引腳，點亮RGB三色燈

13、中的綠色燈ok，played=pcall（cjson.encode，M=say，ID=r.ID，C=LEDturnon?。?將燈狀態(tài)信息編碼為cjson格式數(shù)據(jù)cu：send（played.n）/發(fā)送至云平臺服務(wù)器endendend）5 系統(tǒng)測試（The system test）為了驗證WIFI模塊TCP連接云平臺服務(wù)器之后，Android手機通過2G/3G連接云服務(wù)器進行遠(yuǎn)程控制RGB三色燈，這里選擇貝殼物聯(lián)云平臺，手機端APP通過發(fā)出“Play”或者“Stop”，遠(yuǎn)程控制開燈和關(guān)燈，如圖6所示的手機端控制界面。6 結(jié)論（Conclusion）文中基于ESP8266WiFI芯片上運行的Nod

14、eMCU固件平臺，通過Lua腳本語言編程及云平臺通信，實現(xiàn)移動終端設(shè)備通過2G/3G方式遠(yuǎn)程控制RGB三色燈。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作方便和通信可靠，具有一定的應(yīng)用前景。參考文獻（References）1 Komkrit Chooruang，Pongpat Mangkalakeeree.Wireless Heart Rate Monitoring System Using MQTTJ.Procedia Computer Science，2016，86：160-163.2 Pavel Masek，et al.Implementation of True IoT Vision：Survey on Enabling Protocols and Hands-On ExperienceJ.International Journal of Distributed Sensor Networks，2016，2016：1-18.3 T.A.Abdulrahman，et al.Design，Specification and Implementation of a Distributed Home Automation SystemJ.Procedia Computer Science，2016，94：473-478.4 姜仲，