一、项目简介

本项目基于 Arduino UNO R4 WiFi 开发板，利用其内置的 Wi-Fi 功能，以及板载 LED 矩阵，构建一个智能灯控制系统。该系统旨在通过网络连接至云端平台，实现对灯的远程控制，包括开关和亮度调节。同时，系统会根据亮度值实时控制板载 12x8 LED 矩阵的显示效果。当亮度值在 0% 到 90% 之间时，矩阵会逐渐点亮相应的区域，模拟亮度的变化；当亮度值超过 90% 时，矩阵会显示太阳图标，以视觉化方式呈现高亮度状态。此项目为提供了一个探索智能家居控制和可视化展示的实现方案。

二、硬件简介

Arduino UNO R4 WiFi 是一款功能强大的开发板，它在经典的 UNO 基础上进行了大幅升级，集成了瑞萨电子的 RA4M1 微处理器和乐鑫的 ESP32-S3 芯片，使其在处理能力、无线通信和外设方面都得到了显著提升。

1. 核心处理器 - 瑞萨 RA4M1 微处理器：

• 高性能： 基于 Arm Cortex-M4 内核，主频高达 48MHz，相比传统 UNO 的 ATmega328P 具有更强的计算能力，可以更快地执行复杂的算法和处理数据。
• 低功耗： 采用低功耗设计，有助于延长电池供电时的运行时间。
• 大容量存储： 配备 256KB Flash 和 32KB SRAM，可以存储更大的程序和数据，满足更复杂的应用需求。
• 丰富的外设： 集成了丰富的片上外设，例如 ADC、DAC、定时器、PWM、I2C、SPI 等，为硬件扩展提供了便利。

2. 无线通信 - 乐鑫 ESP32-S3 芯片：

• Wi-Fi 802.11 b/g/n： 支持 2.4GHz Wi-Fi 网络，可以方便地连接到互联网，实现远程控制和数据传输。
• Bluetooth 5 (LE)： 支持蓝牙 5 低功耗协议，可以与其他蓝牙设备进行通信，为未来的扩展提供了更多可能性。
• 双核处理： ESP32-S3 芯片本身就是一个双核处理器，可以独立运行一些任务，减轻主处理器的负担。

3. 板载 LED 矩阵：

• 12x8 LED 矩阵： 提供了一个方便的显示输出，无需外接显示模块，可以直接显示字符、图形和动画效果。
• 可控性强： 每个 LED 都可以单独控制，可以实现多种显示效果，例如亮度调节、动画显示、图标显示等。

三、Arduino Cloud简介

Arduino Cloud 是 Arduino 官方提供的云平台，旨在为物联网 (IoT) 项目提供一个全面的开发和管理环境。它简化了物联网设备的开发、部署和管理流程，使得创客和开发者可以更加专注于实现他们的创意，而无需花费大量时间在基础设施的搭建上。

1. 在线 IDE (Integrated Development Environment)：
2. • Arduino Cloud 提供了一个基于 Web 的集成开发环境，可以直接在浏览器中编写、编译和上传 Arduino 代码。
   • 无需安装本地 IDE 和驱动程序，简化了开发环境的设置。
   • 支持代码版本控制和团队协作，方便团队开发和管理项目。
   • 集成了丰富的示例代码和库，方便快速入门和开发。
2. 物联网设备管理 (Device Management)：
3. • 可以方便地将 Arduino 开发板（例如 Arduino UNO R4 WiFi）连接到云平台。
   • 通过在线界面可以查看设备的连接状态、传感器数据和控制状态。
   • 支持设备分组管理，方便管理大量的物联网设备。
   • 可以远程更新设备固件，方便维护和升级。
3. 数据存储和可视化 (Data Storage & Visualization)：
4. • 提供云端数据存储服务，可以将传感器数据存储在云端，便于长期存储和分析。
   • 提供强大的数据可视化工具，可以将数据以图表、仪表盘等形式呈现，方便用户观察和分析数据。
   • 可以设置数据阈值和警报，当数据超出预设范围时，及时通知用户。
4. 远程控制和自动化 (Remote Control & Automation)：
5. • 通过 Arduino Cloud 提供的 API 或 Web 界面，可以实现对设备的远程控制。
   • 支持创建自定义规则和自动化流程，可以根据设定的条件自动控制设备。
   • 可以与其他云服务集成，实现更强大的功能。
5. 安全性和可靠性：
6. • 采用安全可靠的加密协议，保障数据传输和存储的安全。
   • 提供高可用性的云服务，确保设备的稳定运行。

四、软件方案简介

本项目的软件部分主要基于 Arduino 编程环境进行开发，实现以下核心功能：

1. 云端连接与通信:利用 Arduino Cloud 的官方库，建立 Arduino UNO R4 WiFi 与云平台的连接。
2. 数据处理与控制:从云端接收控制指令（例如：开关、亮度值），并解析这些指令。根据解析得到的亮度值，调整 LED灯亮起的数目，从而实现 LED 灯的亮度调节。根据亮度值，动态调整板载 LED 矩阵的显示效果。
3. LED 矩阵显示控制:利用 Arduino 提供的 LED 矩阵控制库，实现对 LED 矩阵的独立控制。根据亮度值，控制 LED 矩阵上点亮的 LED 数量，模拟亮度的变化 (0-90%)。当亮度值超过 90% 时，在 LED 矩阵上显示预设的太阳图标。

Arduino Cloud配置步骤

前提条件:

• 你已经拥有一个 Arduino Cloud 账号（如果没有，请先注册一个）。
• 你已经安装了 Arduino IDE 或使用 Arduino Web Editor，接下来以Arduino Web Editor为例。
• 你的 Arduino UNO R4 WiFi 开发板已正确连接到电脑。

1. 配置设备:首先，需要将开发板连接到计算机，并在“Devices”选项卡中配置您的设备。点击“+DEVICE”，不同板卡可能配置有所不同，但根据安装向导一般可以完成设备配置。图中为Arduino UNO R4 WiFi配置完成后的效果。
2. 创建物体:配置设备后，我们可以在“Things”选项卡中创建一个物体，它是主板的虚拟孪生。在这里，我们配置网络详细信息，选择要关联的设备并创建要同步的变量。点击“+THING”进入设置页面，首先在Associated Device选择刚才配置的设备，跟随向导完成关联设备。接着在Network下配置需要连接的WIFI名和密码。最后点击Cloud Variables旁边的”ADD“添加云变量，命名并选择变量类型为Dimmed light。图中为Arduino UNO R4 WiFi配置完成后的效果。
3. 编写程序:完成创建物体后，不要退出当前页面点击右上角的“Sketch”进入程序编写页面。和Arduino IDE编程相同，根据自己的需求编写程序，完成程序编写后点击左上角的“→”将代码下载到开发板中。
4. 创建仪表板:完成程序编写后（或在程序编写前），进入“Dashboard“选项卡，点击”+DASHBOARD“创建仪表板。点击左上角进入编辑模式，可以添加各种仪表板，这里选择添加了Dimmed light，并将其关联到之前创建的云变量。

五、代码实现

void clearFrame()

• 功能: 清除 frame 数组，将所有 LED 像素设置为熄灭状态。
• 作用: 在绘制新的 LED 矩阵图案之前，需要先清除之前的状态。

void clearFrame(){
   for (int i = 0; i < 8; i++) {
        for (int j = 0; j < 12; j++) {
            frame[i][j] = 0;
        }
    }
}

void randomLight(int numLights)

• 功能: 根据传入的 numLights 参数，随机点亮 LED 矩阵上的指定数量的 LED。
• 作用: 用于模拟灯的亮度变化，当亮度值在 0-90% 时，矩阵随机点亮相应数量的 LED。

void randomLight(int numLights) {
  if (numLights > 8 * 12) {
    numLights = 8 * 12; 
  }
​
  clearFrame();
  
  int litCount = 0;
  while (litCount < numLights) {
      int row = random(8);
      int col = random(12);
      
      if(frame[row][col] == 0){
          frame[row][col] = 1;
          litCount++;
      }
  }
}

void drawSun()

• 功能: 在 LED 矩阵上绘制太阳图标。
• 作用: 当亮度值超过 90% 时，显示太阳图标。

void drawSun() {
​
  clearFrame();
  
  // 设置太阳中心
  int centerX = 6; // 水平中心点
  int centerY = 4; // 垂直中心点
  int radius = 2;  // 太阳半径
​
  // 绘制太阳核心
  for (int y = 0; y < 8; y++) {
    for (int x = 0; x < 12; x++) {
      int dx = x - centerX;
      int dy = y - centerY;
      if (dx * dx + dy * dy <= radius * radius) {
         frame[y][x] = 1;
      }
    }
  }
  // 绘制光芒
  frame[centerY-3][centerX]   = 1; // 上
  frame[centerY+3][centerX]   = 1; // 下
  frame[centerY][centerX-3]   = 1; // 左
  frame[centerY][centerX+3]   = 1; // 右
  frame[centerY-2][centerX-2] = 1; // 左上
  frame[centerY-2][centerX+2] = 1; // 右上
  frame[centerY+2][centerX-2] = 1; // 左下
  frame[centerY+2][centerX+2] = 1; // 右下
}

void onLightChange()

• 功能: 当 Arduino Cloud 上的 light 变量的值被修改时，此函数被调用。
• 作用: 首先判断 light.getSwitch() 的值，判断灯是否开启，如果开启，则继续下面的流程。
• brightness = light.getBrightness();： 从 Arduino Cloud 获取灯的亮度值。
• 判断 brightness 是否大于 89，如果大于，显示太阳图标
• 判断 brightness 是否等于 lastBrightness， 如果不相等，则根据当前亮度，随机点亮LED
• 如果灯未开启，则清除LED矩阵

void onLightChange()  {
  //then check if switch is on/off 
  if (light.getSwitch()) {
    brightness = light.getBrightness();
    if (brightness > 89) {
        // 静态显示太阳
          drawSun(); 
          matrix.renderBitmap(frame, 8, 12);
    } else {
      // 比较当前亮度和上次亮度
      if (brightness != lastBrightness) {
        // 如果亮度值改变，则更新 LED 矩阵
        randomLight(brightness);
        matrix.renderBitmap(frame, 8, 12);
        // 更新 lastBrightness
        lastBrightness = brightness;
      }
    }
  }
  else{
    clearFrame();
    matrix.renderBitmap(frame, 8, 12);
  }
}

六、效果展示

通过调整Dimmed light滑块来对应调整灯光亮度，0到90%时，矩阵点亮随机位置对应数量的LED灯，90%以上时，灯板显示出太阳的图标。

七、总结与展望

总结

本次项目，我基于 Arduino UNO R4 WiFi 开发板构建了一个智能灯控制系统，通过网络连接云端，实现了远程控制和可视化显示。在项目过程中，我收获颇丰，具体总结如下：

• 掌握了 Arduino UNO R4 WiFi 的开发：
• • 熟悉了 Arduino UNO R4 WiFi 的硬件特性，包括其强大的处理器、无线通信能力和板载 LED 矩阵。
  • 学会了使用 Arduino IDE 和相关库，进行代码编写、编译和上传。
  • 成功利用 UNO R4 WiFi 的 Wi-Fi 功能连接到 Arduino Cloud。
• 实现了云端连接和远程控制：
• • 理解并掌握了 Arduino Cloud 的基本概念和使用方法。
  • 成功地将 UNO R4 WiFi 设备注册到 Arduino Cloud，并实现了远程控制灯的开关和亮度。
  • 能够通过 Arduino Cloud 的仪表盘实时查看和调整灯的亮度值。
• 实现了 LED 矩阵的动态显示：
• • 学习并掌握了 Arduino LED 矩阵控制库的使用方法。
  • 根据灯的亮度值，实现了 LED 矩阵的动态显示，包括模拟亮度变化的逐渐点亮效果和高亮度下的太阳图标。
  • 代码中使用了随机数模拟点亮效果，提升了显示效果的趣味性。
• 提升了物联网开发能力：
• • 通过实践加深了对物联网概念的理解，以及对物联网设备开发流程的掌握。
  • 学习了如何利用云平台进行远程控制和数据管理，为未来的物联网项目开发积累了宝贵的经验。

展望

• 优化 LED 矩阵显示效果：
• • 目前 LED 矩阵的显示效果比较简单，未来计划尝试更复杂的动画效果和过渡效果，提升用户体验。
  • 可以考虑增加显示亮度变化时的过渡效果。
  • 可以考虑添加更多不同的图标显示，实现更多可视化效果。
• 增加更多控制功能：
• • 当前项目仅支持亮度调节和开关控制，未来计划增加更多控制功能，例如定时开关灯、根据环境光调节等。