Funpack3-5 Arduino UNO R4 WiFi 物联网灯板

内容介绍

一、项目介绍

本项目是基于 Arduino UNO R4 WiFi 开发板实现的一个物联网灯板创意项目，旨在利用 Arduino UNO R4 WiFi 开发板学习物联网开发，使用其板载的 12x8 LED矩阵 实现一个接入智能家居平台可远程控制的物联网灯板。

1.1 硬件介绍

Arduino UNO R4 WiFi 将瑞萨电子的 RA4M1 微处理器与乐鑫的 ESP32-S3 相结合，为创客打造了一款一体化工具，具有增强的处理能力和多样化的全新外设。凭借其内置的 Wi-Fi® 和蓝牙®功能，UNO R4 WiFi 使制造商能够探索无限的创意可能性。此外，这款多功能板拥有方便的板载 12x8 LED 矩阵和 Qwiic 连接器，为各个级别的创客提供了无与伦比的灵活性和可能性。

1.2 功能概览

远程控制通过网页界面/APP: 用户可以登录预设的网页或APP进行操作，通过WiFi实现对灯板的远程控制，实时观察灯光变化。
多种灯光效果演示: 从简单的亮度变化（灯珠数量）到复杂的动态灯效，展示灯板的功能。
数据反馈展示: 实时数据显示与更新，用户可以在界面上看到灯板的状态与亮度数据变化。控制灯光效果。

1.3 设计思路

模块化设计: 硬件与软件分离，便于升级和维护。

易用性: 即插即用，编写简易的配置程序。

扩展性: 支持多种传感器和控制方式，未来可扩展更多功能。

二、功能实现

2.1 软件流程图

系统上电开始运行，Arduino 初始化。
运行初始设置代码，包括设置引脚模式、初始化串口通信等。
WiFi 连接与配置，设置 WiFi 参数（如SSID和密码），尝试连接到WiFi网络。
连接到MQTT服务器，并设置相关的订阅和发布主题。
系统进入主循环等待与处理消息。获取MQTT订阅主题消息检查是否有新的MQTT消息到达，如果接收到的消息是灯板控制消息，按照消息内容更新灯板状态（如开/关，亮度等）。
将灯板的当前状态上传至MQTT服务器，以便其他设备或系统进行反馈和监视。
根据当前状态和接收到的控制消息，更新灯板的显示。

以上这些步骤构成了 Arduino UNO R4 WiFi物联网灯板 的主要流程。从初始化到主循环中处理消息，每一步都确保系统稳定运行并能及时响应用户控制。

2.2 实现过程

项目基于 VSCode 的 PlatformIO 插件建立工程，具体步骤不在此文详细展开，可查看PlatformIO 文档，使用 arduino-libraries/ArduinoMqttClient@^0.1.8 库进行 MQTT 通信。以下是实现过程中的关键代码说明。

2.2.1 Arduino 初始化

Arduino UNO R4 WiFi LED矩阵初始化，串口初始化。

// LED矩阵
ArduinoLEDMatrix matrix;
// LED 矩阵全灭
const uint32_t fullOff[] = {
  0x00000000,
  0x00000000,
  0x00000000
};
// LED 矩阵帧映射
uint8_t frame[MATRIX_ROW][MATRIX_COL] = {
  { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 },
  { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 },
  { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 },
  { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 },
  { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 },
  { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 },
  { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 },
  { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 }
};

// LED矩阵初始化
matrix.begin();
// 初始化串口
Serial.begin(115200);

2.2.2 WiFi 连接与配置

// 检查WIFI模块
if (WiFi.status() == WL_NO_MODULE) {
  Serial.println("WiFi模块通信失败!");
  while (true);
}

// 连接到WIFI
Serial.print("尝试连接到 WIFI SSID: ");
Serial.println(ssid);
while (WiFi.begin(ssid, pass) != WL_CONNECTED) {
  Serial.print(".");
  delay(5 * 1000);
}

2.2.3 连接MQTT

连接MQTT 成功后，订阅两个主题，分别用于灯板的开关控制和亮度（LED矩阵灯珠数量）控制。

// 连接MQTT
mqttClient.setUsernamePassword(mqtt_user, mqtt_pass);
Serial.print("尝试连接到MQTT服务器: ");
Serial.println(broker);
// 延时 2 秒，等待WIFI连接稳定后再进行MQTT连接，避免连接失败！
delay(2000);
if (!mqttClient.connect(broker, port)) {
  Serial.print("MQTT 连接失败! ");
  Serial.println(mqttClient.connectError());
  while (1);
}

// 订阅主题
mqttClient.onMessage(onMqttMessage);
mqttClient.subscribe(switch_subscribe_topic);
mqttClient.subscribe(brightness_subscribe_topic);

2.2.4 灯板状态数据上报

// 汇报灯板状态
char msg[100] = {0};
sprintf(msg, "{\"state\": \"%s\", \"brightness\": %d}", 
    ledState ? STATE_ON : STATE_OFF, brightness);
mqttClient.beginMessage(publish_topic);
mqttClient.print(msg);
mqttClient.endMessage();

2.2.5 LED 灯板控制指令接收

if(0 == strcmp(switch_subscribe_topic, topic)) {
  // 开关
  if(0 == strcmp(STATE_ON, message.c_str())) {
    if(false == ledState) {
      // 需要更新板载LED状态到HA
      isNeedReportState = true;
    }
    ledState = true;
  } else {
    if(true == ledState) {
      // 需要更新板载LED状态到HA
      isNeedReportState = true;
    }
    ledState = false;
  }
  setLightState();
} else if(0 == strcmp(brightness_subscribe_topic, topic)) {
  // 亮度
  uint8_t b = message.toInt();
  if (brightness < 0 || brightness > 255) { // 范围校验
    // do nothing...
    return;
  } else {
    brightness = b;
    setLightState();
    isNeedReportState = true;
  }
}

2.2.5 LED 灯板控制指令处理

/**
 * 设置板载LED状态
 */
void setLightState() {
  if (ledState) {
    if(0 == brightness) {
      brightness = 255;
    }
    // 控制矩阵点亮一定数量的LED灯
    uint32_t result = map(brightness, BRIGHTNESS_MIN_VALUE, BRIGHTNESS_MAX_VALUE, 0, MATRIX_ROW * MATRIX_COL);
    if(SHOW_SUN_THRESHOLD_PERCENT < (result / (MATRIX_ROW * MATRIX_COL)) * 100) {
      Serial.println("show sun");
      // 显示太阳图标
      matrix.loadFrame(animation[animation_index ++]);
      if(ANIMATION_FRAMES <= animation_index) {
        animation_index = 0; 
      }
    } else {
      Serial.print("num of leds on: ");
      Serial.println(result);
      // for(int i = 0; i < MATRIX_COL; i ++) {
      //   for(int j = 0; j < MATRIX_COL; j ++) {

      //   }
      // }
      for(int i = 0; i < result; i ++) {
        // *(((uint8_t *)frame) + i) = 1;
        *(uint8_t *)(frame + i) = 1;
      }
      for(int i = 0; i < MATRIX_ROW; i ++) {
        for(int j = 0; j < MATRIX_COL; j ++) {
          Serial.print(frame[i][j]);  
        }
        Serial.println();
      }
      
      matrix.renderBitmap(frame, MATRIX_ROW, MATRIX_COL);
    }
  } else {
    matrix.loadFrame(fullOff);
  }
}

2.3 HomeAssistant集成

MQTT 设备的发现将使人们能够在 HomeAssistant 方面只需要很少的配置工作就可以使用 MQTT 设备。配置是在设备本身和设备使用的主题上完成的。

MQTT 发现默认启用，但可以禁用。发现主题的前缀（默认：homeassistant）可以更改。配置详情请参阅 MQTT 选项部分

2.3.1 配置主题

向 MQTT 发送配置主题后， HomeAssistant 会自动发现当前传感器。当前任务中使用了一个板载LED矩阵，作为 HomeAssistant 中的 Light 组件。该组件在 HomeAssistant 的仪表盘中可以远程控制板载LED矩阵的开关和亮度（LED矩阵灯珠数量）。使用 MQTT 客户端向配置主题发送消息即可，配置主题如下：

// 灯板 主题
homeassistant/light/Funpack3-5-UNO-R4-WiFi/Funpack3-5-UNO-R4-WiFi-lamp-panel/config
// 灯板 消息
{
  "name":"lamp-panel",
  "device_class": "light",
  "command_topic":"homeassistant/light/Funpack3-5-UNO-R4-WiFi-lamp-panel/switch",
  "state_topic":"homeassistant/sensor/Funpack3-5-UNO-R4-WiFi/state",
  "brightness_command_topic": "homeassistant/light/Funpack3-5-UNO-R4-WiFi-lamp-panel/brightness/set",
  "brightness_state_topic": "homeassistant/sensor/Funpack3-5-UNO-R4-WiFi/state",
  "state_value_template": "{{ value_json.state }}",
  "brightness_value_template": "{{ value_json.brightness }}",
  "unique_id":"Funpack3-5-UNO-R4-WiFi-lamp-panel",
  "device":{
    "identifiers":[
      "Arduino UNO R4 WiFi"
    ],
    "name":"UNO R4 WiFi",
    "manufacturer": "Arduino",
    "model": "UNO R4 WiFi",
    "hw_version": "1.0"
  }
}

三、功能展示

远程控制通过网页界面/APP: 用户可以登录预设的网页或APP进行操作，实时观察灯光变化。

多种灯光效果演示: 从简单的亮度（LED矩阵灯珠数量）变化到复杂的动态灯效，展示灯板的功能。
数据反馈展示: 实时数据显示与更新，用户可以在界面上看到灯板的状态变化。

四、总结

遇到的问题

LED 矩阵中的单个LED无法支持PWM形式进行调光，因此只能通过点亮LED矩阵中的LED数量来实现整个灯板的亮度控制。
当控制亮度百分比大于90时，显示太阳图标。以整数形式计算百分比时，无法精确控制到大于90%的情况，例如：91%时仍然点亮87个灯珠。需要使用浮点数计算后，四舍五入取整才能精确到 91% 开始显示太阳图标。

心得体会

通过【Arduino UNO R4 WiFi 物联网灯板】项目，可以灵活实现家庭照明的智能控制，具备多样化的功能和简单易用的界面，充分展示了硬件与物联网技术的有效结合，提升了用户体验。同时，该项目具备高度定制性和扩展性，为未来的功能扩展和应用开发提供了便捷的途径，适合物联网应用及教育实践。

通过本项目，展示了 Arduino 在物联网中的应用潜力，为后续开发和扩展提供了基础。

最后感谢电子森林与得捷电子联合推出的 《Funpack》 系列活动，对于我来说是个很好的学习机会，理论结合实践。我们下期活动再见！

五、参考资料

https://docs.arduino.cc/tutorials/uno-r4-wifi/r4-wifi-getting-started/