基于NodeMCU固件平臺的RGB三色燈遠程控制設計與實現

王浩++王東

摘 要：隨著無線通信技術的快速發展，基于WIFI無線通信的物聯網應用應運而生。本文設計一種基于ESP8266的WIFI通信模塊在NodeMCU物聯網固件平臺上，利用Lua腳本語言編程實現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器進行通信，實現云平臺遠程無線控制。實驗結果表明：該系統操作方便和可靠性強，應用范圍廣等優勢，具有一定的應用前景。

關鍵詞：ESP8266；NodeMCU；WIFI；RGB三色燈

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

隨著無線網絡通信技術和自動控制技術的迅速發展，人們對遠程智能控制產品的開發和應用需求不斷擴大，希望借助WIFI無線通信方式與智能化產品交互，并通過云平臺實現對遠程設備的無線控制。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RGB三色燈的遠程控制設計方案。通過NodeMCU物聯網固件平臺上的應用開發，使ESP8266WIFI模塊開機自動連接路由器，連接物聯網云平臺服務器，登錄設備，監聽服務器發送消息，并根據不同的消息遠程控制RGB三色燈。

2 總體設計（The overall design）

為了提高傳統燈光照明控制系統的靈活性和可擴展性，使燈光照明控制系統更加智能化，本系統以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函數等相關功能[1]，以構建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，以及和云平臺服務器進行網絡數據通信功能進行編程，最后將ESP8266WIFI無線通信處理模塊連接路由器，實現通過云平臺服務器遠程控制硬件設備。系統的整體架構如圖1所示。

3 系統的硬件設計（The hardware design of the

system）

3.1 NodeMCU固件平臺的硬件設計

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，主要實現串口透傳[2]，PWM調控及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備連接到WIFI無線網絡上，再通過路由器連接互聯網，最后手機或電腦通過互聯網實現對設備的遠程控制，ESP8266無線通信模塊硬件連接如圖2所示。

3.2 RGB三色燈硬件設計

RGB三色燈硬件模塊主要采用5050RGB共陽發光二極管，其工作電壓紅色為2.0—2.2V、藍色為3.0—3.3V、綠色為3.0—3.3V、工作電流為60mA，發光角度很寬，可達到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中對應的發光二極管[4]。RGB三色燈硬件連接電路如圖3所示。

4 系統的軟件設計（System software design）

系統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實現相關功能，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模塊網絡數據通信功能，以及云平臺服務器數據通信功能。

4.1 WIFI路由連接功能程序設計

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工作模式設置，station模式下的ssid和password設置，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.STATION）//設置WIFI工作模式

wifi.sta.config（"無線網名稱"，"密碼"）//配置SSID和Password

wifi.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計

由于ESP8266模塊所運行的NodeMCU固件中含有對GPIO的輸入、輸出和中斷三種模式的設置選擇[6]，為了利用Lua腳本語言控制任意一個燈的開和關兩個狀態，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，在系統啟動初始化階段，為了將RGB三色燈都處于關閉狀態，根據前面的電路連接，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）；//將紅色燈所對應的NodeMCU引腳設置輸出模式gpio.mode（LEDG，gpio.OUTPUT）；//將綠色燈所對應的NodeMCU引腳設置輸出模式

gpio.mode（LEDB，gpio.OUTPUT）；//將藍色燈所對應的NodeMCU引腳設置輸出模式gpio.write（LEDR， gpio.HIGH）；//將紅色燈所對應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NodeMCU引腳輸出為高電平，代表不點亮

gpio.write（LEDB， gpio.HIGH）；//將藍色燈所對應NodeMCU引腳輸出為高電平，代表不點亮

4.3 WIFI模塊網絡數據通信功能程序設計

在物聯網快速發展的時代，設備與平臺服務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器，并最終實現智能手機遠程控制，這里需要使用帶有cjson數據通信處理協議的NodeMCU固件實現數據信息傳輸與交互[7]，固件中的cjson是在物聯網領域數據傳輸中較為常用的協議，這里智能手機發出的控制命令通過云端服務器之后，云服務器以cjson格式將數據傳輸至ESP8266無線通信模塊中，通過decode函數進行解碼，轉換成數字、字符串或者table數據類型的控制命令實現對設備的控制[8]，然后將控制狀態信息（如燈已打開或者關閉狀態信息）通過encode（）函數進行編碼，將數字、字符串或者table數據類型轉換成cjson格式傳輸至云端服務中，具體WIFI模塊網絡數據通信流程如圖5所示。

4.4 云平臺服務器數據通信

本文選用貝殼物聯云平臺作為云端服務器，它的通信方式主要以TCP協議為主，UDP協議為輔的形式進行通訊。在TCP協議的基礎上，可以直接使用TCP或者websocket建立長連接，定時發送心跳數據，保持設備在線，在線期間設備與服務器可進行Json字符串格式數據進行通訊，并實現實時更新，這里使用的用戶與設備間溝通指令格式如下：

{"M"："say"，"ID"："xx1"，"C"："xx2"}＼n，參數說明如下：

M：固定（Method）。

Say：固定，溝通指令。

ID：固定。

xx1：可變，發送目標的唯一通訊ID。

C：固定（content）。

xx2：可變（數據類型自定，符合Json字符穿要求即可），發送指令內容

本系統主要功能代碼如下：

Local function run（）

localcu=net.createConnection（net.TCP）//通過TCP連接云平臺服務器

cu：on（"receive"，function（cu，c）//收到云平臺服務器cjson格式的數據信息

r=cjson.decode（c）//解碼cjson格式數據

if r.M=="say"then

if r.C=="play"then

gpio.write（LEDG，gpio.LOW）//通過控制引腳，點亮RGB三色燈中的綠色燈

ok，played=pcall（cjson.encode，{M="say"，ID=r.ID，

C="LEDturnon！"}）//將燈狀態信息編碼為cjson格式數據

cu：send（played.."＼n"）//發送至云平臺服務器

end

end

end）

5 系統測試（The system test）

為了驗證WIFI模塊TCP連接云平臺服務器之后，Android手機通過2G/3G連接云服務器進行遠程控制RGB三色燈，這里選擇貝殼物聯云平臺，手機端APP通過發出“Play”或者“Stop”，遠程控制開燈和關燈，如圖6所示的手機端控制界面。

6 結論（Conclusion）

文中基于ESP8266WiFI芯片上運行的NodeMCU固件平臺，通過Lua腳本語言編程及云平臺通信，實現移動終端設備通過2G/3G方式遠程控制RGB三色燈。實驗結果表明：該系統操作方便和通信可靠，具有一定的應用前景。

參考文獻（References）

[1] Komkrit Chooruang，Pongpat Mangkalakeeree.Wireless Heart Rate Monitoring System Using MQTT[J].Procedia Computer Science，2016，86：160-163.

[2] Pavel Masek，et al.Implementation of True IoT Vision：Survey on Enabling Protocols and Hands-On Experience[J].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 System[J].Procedia Computer Science，2016，94：473-478.

[4] 姜仲，劉丹.ZigBee技術與實訓教程[M].北京：清華大學出版社，2014：137-140.

[5] 王浩，浦靈敏.物聯網技術應用開發[M].北京：中國水利水電出版社，2015：113-115.

[6] 張少軍.無線傳感器網絡技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2010：156-160.

[7] 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天出版社，2009：128-134.

[8] 潘偉.基于ZigBee技術的無線傳感網絡研究[J].計算機技術與發展，2008，18（9）：24-27.

作者簡介：

王 浩（1971-），男，碩士，副教授.研究領域：物聯網工程應用研究.

王 東（1969-），男，博士，教授.研究領域：RFID應用工程技術與系統研究.