内容介绍

Funpack3-5 基于Arduino UNO R4 WiFi的LED矩阵花式点灯

一、项目介绍

本项目旨在利用 Arduino UNO R4 WiFi 开发板的强大功能，结合其内置的 Wi-Fi能，通过网络连接到智能云端，实现远程对模拟灯的控制操作。用户可以在远程端发送指令，不仅能够开启和关闭灯光，还可以精确调整灯光的亮度。当亮度在 0 到 90% 之间变化时，开发板上的 12x8 LED 矩阵会亮起逐渐变大的范围，直观地展示亮度变化效果；而当亮度达到 90% 以上时，灯板会显示出太阳的图标，为用户提供一种独特且有趣的交互体验。

该项目可应用于智能家居照明控制、远程灯光场景设置等领域，具有较高的实用价值和拓展性。

二、硬件介绍

1.Arduino UNO R4 WiFi 开发板

Arduino UNO R4 WiFi采用高性能的 Renesas RA4M1（Arm® Cortex®-M4），具有 48 MHz 时钟速度、32 kB SRAM 和 256 kB 闪存，还配备了用于连接 Wi-Fi®/Bluetooth® 的 ESP32-S3。

- 与 UNO R3的硬件兼容性：保持有相同的外形尺寸、引脚排列和 5 V 工作电压，可实现现有扩展板和项目的无缝过渡。

- WiFi和蓝牙：配备 ESP32-S3 ，可使用Wi-Fi和蓝牙进行连接。

- LED 矩阵：12x8 红色 LED 矩阵，非常适合带有动画或绘制传感器数据的创意项目。

- 内置的 HID支持：通过 USB 连接到计算机时可以轻松模拟鼠标或键盘。

三、设计思路

1.网络连接层

采用 WiFiS3.h 库实现设备与 WiFi 网络的连接，获取网络访问权限。在此基础上，利用 ArduinoMqttClient.h 库构建 MQTT 客户端，连接到指定的 MQTT 代理服务器，以实现设备与外部控制系统（如手机应用、服务器端程序等）之间的消息传递。

2.消息处理层

在主循环中不断检查 MQTT 连接状态，若断开则尝试重新连接。当接收到 MQTT 消息时，首先解析消息主题，根据主题判断是开关控制消息还是亮度控制消息。对于开关控制消息，直接更新 LED 矩阵的开关状态变量，并相应地执行打开或关闭矩阵的操作；对于亮度控制消息，将接收到的亮度值转换并限制在合理范围后，存储为全局变量以供后续显示更新使用。

3.显示控制层

根据 LED 矩阵的开关状态和亮度值来更新显示内容。当处于关闭状态时，直接清除矩阵显示。当处于打开状态时，依据亮度值进行不同的显示处理。亮度较高时，选择预定义的太阳图标数据并复制到显示缓冲区；亮度较低时，通过映射函数根据亮度计算出要点亮的行数和列数，构建相应的矩形点亮图案数据，最后将构建好的显示数据通过 Arduino_LED_Matrix.h 库提供的函数渲染到 LED 矩阵上，完成显示更新。

四、流程图

流程图.jpg

五、主要代码片段及说明

1.引入必要的库

#include <WiFiS3.h>
#include <ArduinoMqttClient.h>
#include "Arduino_LED_Matrix.h"

说明：

#include <WiFiS3.h>：用于处理 WiFi 相关的功能，可能是针对特定硬件（如某些 ESP32 芯片等带有 WiFi 功能的开发板）的 WiFi 库。
#include <ArduinoMqttClient.h>：用于实现 MQTT 客户端相关的操作，方便连接到 MQTT 代理服务器、发送和接收消息等。
#include "Arduino_LED_Matrix.h"：应该是自定义或者特定的用于控制 LED 矩阵的库，包含了对 LED 矩阵初始化、显示等操作的函数声明。

2.定义相关常量和变量

// WiFi 凭证
const char* ssid = "ssid";
const char* password = "password";

// MQTT 代理服务器详情
const char* mqtt_server = "192.168.123.16";
const int mqtt_port = 1883;
const char* mqtt_username = "siot";
const char* mqtt_password = "dfrobot";
const char* mqtt_topic_onoff = "siot/led_matrix/onoff";
const char* mqtt_topic_brightness = "siot/led_matrix/brightness";

WiFiClient wifiClient;
MqttClient mqttClient(wifiClient);

ArduinoLEDMatrix matrix;

bool isOn = false;
int brightness = 50; // 默认亮度设置为中等

说明：

const char* ssid 和 const char* password：定义了要连接的 WiFi 网络的名称（SSID）和密码。
const char* mqtt_server、const int mqtt_port、const char* mqtt_username、const char* mqtt_password 等：分别定义了 MQTT 代理服务器的地址、端口、登录用户名和密码，以及用于控制 LED 矩阵开关和亮度的 MQTT 主题名称。
WiFiClient wifiClient 和 MqttClient mqttClient(wifiClient)：创建 WiFi 客户端对象和基于该 WiFi 客户端的 MQTT 客户端对象，用于后续的网络连接和消息收发。
ArduinoLEDMatrix matrix：用于操作 LED 矩阵的对象实例。
bool isOn：用于记录 LED 矩阵的开关状态，初始化为 false，表示关闭状态。
int brightness：用于记录 LED 矩阵的亮度值，初始化为 50，表示中等亮度。

3.初始化函数

功能概述：该函数在程序启动时执行一次，用于完成一系列的初始化操作，为后续的主循环运行做准备。

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);

  // 初始化 LED 矩阵
  matrix.begin();
  Serial.println("LED 矩阵已初始化");

  // 连接到 WiFi
  connectToWiFi();

  // 连接到 MQTT 代理服务器
  connectToMQTT();

  // 初始状态下关闭 LED 矩阵
  matrix.clear();
  Serial.println("LED 矩阵初始状态已清除");
}

说明：

串口初始化：
- Serial.begin(9600); 开启串口通信，波特率设置为 9600，方便后续输出调试信息等，并且通过 while (!Serial); 等待串口初始化完成。
LED 矩阵初始化：
- matrix.begin(); 调用 Arduino_LED_Matrix.h 库中的函数对 LED 矩阵进行初始化，之后输出提示信息表明初始化完成。
网络连接操作：
- 调用 connectToWiFi 函数尝试连接到指定的 WiFi 网络，连接成功后会输出相应提示信息以及获取到的 IP 地址。
- 调用 connectToMQTT 函数连接到指定的 MQTT 代理服务器，若连接成功，会进行主题订阅操作，并输出订阅的主题名称等信息；若连接失败，会输出相应的错误提示和错误代码。
初始状态设置：
- matrix.clear(); 将 LED 矩阵初始化为关闭（清除显示内容）状态，并输出相应提示信息。

4.loop函数

功能概述：该函数是程序的主循环部分，会不断地重复执行，用于实时处理各种任务，例如检查 MQTT 连接状态、接收和处理 MQTT 消息以及更新 LED 矩阵显示等。

void loop() {
  if (!mqttClient.connected()) {
    Serial.println("MQTT 连接已断开，尝试重新连接...");
    connectToMQTT();
  }

  int messageSize = mqttClient.parseMessage();
  if (messageSize) {
    String topic = mqttClient.messageTopic();
    String message = "";
    while (mqttClient.available()) {
      message += (char)mqttClient.read();
    }
    Serial.print("收到消息: ");
    Serial.print(topic);
    Serial.print(" ");
    Serial.println(message);

    if (topic == mqtt_topic_onoff) {
      if (message == "ON") {
        isOn = true;
        Serial.println("收到 ON 命令，打开 LED 矩阵");
      } else if (message == "OFF") {
        isOn = false;
        matrix.clear();
        Serial.println("收到 OFF 命令，关闭 LED 矩阵");
      }
    } else if (topic == mqtt_topic_brightness) {
      brightness = message.toInt();
      if (brightness < 0) brightness = 0;
      if (brightness > 100) brightness = 100;
      Serial.print("设置亮度为: ");
      Serial.println(brightness);
    }

    updateMatrix();
  }

  mqttClient.poll();
}

说明：

MQTT 连接检查与重连：
- 通过 if (!mqttClient.connected()) 判断 MQTT 连接是否断开，如果断开，则调用 connectToMQTT 函数尝试重新连接，并输出相应提示信息。
消息处理：
- 通过int messageSize = mqttClient.parseMessage()判断是否接收到新的 MQTT 消息，若有消（messageSize大于 0）：
- - 先获取消息的主题 topic 和内容 message，并输出接收到的消息详情（主题和内容）到串口。
  - 根据消息主题进行不同的操作：
  - - 若主题是开关控制主题（mqtt_topic_onoff）：当消息内容为 “ON” 时，将 isOn 设置为 true，表示打开 LED 矩阵；当消息内容为 “OFF” 时，将 isOn 设置为 false，并清除 LED 矩阵显示内容。
    - 若主题是亮度控制主题（mqtt_topic_brightness）：将接收到的消息内容转换为整数赋值给 brightness，并对亮度值进行范围限制（0 - 100），然后输出设置的亮度值。
  - 最后调用 updateMatrix 函数根据最新的开关状态和亮度值更新 LED 矩阵的显示内容。
MQTT 客户端轮询：
- mqttClient.poll(); 用于保持 MQTT 客户端的正常运行，处理一些底层的网络通信、消息收发等相关任务。

5.connectToWiFi函数

功能概述：此函数专门用于建立设备与指定 WiFi 网络的连接，通过不断尝试直到成功连接或者超时为止。

void connectToWiFi() {
  // 设置LED引脚为输出模式
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  // 先将LED设置为表示未连接的状态（熄灭）
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  Serial.print("正在连接到 WiFi");
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status()!= WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
    // 在连接未成功时，LED保持熄灭状态
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); 
  }
  // 连接成功后，将LED设置为表示连接成功的状态（点亮）
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); 
  Serial.println("\n已连接到 WiFi");
  Serial.print("IP 地址: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

说明：

联网状态LED指示：

将 LED_BUILTIN 引脚设置为输出模式，并将 LED 初始化为熄灭状态，表示网络未连接。当成功连接到 WiFi 网络后，将 LED 点亮，以指示网络连接成功的状态。

连接WiFi网络：

通过 WiFi.begin(ssid, password)启动连接到指定 WiFi 网络，然后在 while (WiFi.status()!= WL_CONNECTED) 循环中不断检查连接状态，每隔 500 毫秒输出一个.，作为连接等待的提示，当网络连接成功，输出提示信息以及获取到的本地 IP 地址。··

6.connectToMQTT函数

功能概述：该函数旨在让设备与指定的 MQTT 代理服务器建立连接，并在连接成功后订阅相关的 MQTT 主题，若连接失败则输出相应的错误提示和错误代码。

void connectToMQTT() {
  Serial.println("正在连接到 MQTT 代理服务器...");
  
  // 设置 MQTT 用户名和密码
  mqttClient.setUsernamePassword(mqtt_username, mqtt_password);
  
  int retries = 0;
  while (!mqttClient.connect(mqtt_server, mqtt_port) && retries < 5) {
    Serial.print(".");
    delay(1000);
    retries++;
  }
  
  if (mqttClient.connected()) {
    Serial.println("\n已成功连接到 MQTT 代理服务器");
    
    // 订阅 MQTT 主题
    mqttClient.subscribe(mqtt_topic_onoff);
    mqttClient.subscribe(mqtt_topic_brightness);
    
    Serial.println("已订阅主题:");
    Serial.println(mqtt_topic_onoff);
    Serial.println(mqtt_topic_brightness);
  } else {
    Serial.println("\nMQTT 连接失败");
    Serial.print("错误代码: ");
    Serial.println(mqttClient.connectError());
  }
}

说明：
通过 WiFi.begin(ssid, password); 启动连接到指定 WiFi 网络的过程，然后在 while (WiFi.status()!= WL_CONNECTED) 循环中不断检查连接状态，每隔 500 毫秒输出一个 . 作为连接等待的提示，直到成功连接上 WiFi 网络，此时输出连接成功的提示信息以及获取到的本地 IP 地址。

7.updateMatrix函数

功能概述：该函数依据 LED 矩阵当前的开关状态（由 isOn 变量表示）以及亮度值（由 brightness 变量表示）来更新 LED 矩阵的显示内容。

void updateMatrix() {
  if (!isOn) {
    matrix.clear();
    Serial.println("LED 矩阵已关闭");
    return;
  }

  uint8_t frame[8][12] = {0};

  if (brightness >= 90) {
    // 显示太阳图标
    uint8_t sun[8][12] = {
    {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
    {0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0},
    {0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0},
    {0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0},
    {0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0},
    {0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0},
    {0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0},
    {0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0}
    };
    memcpy(frame, sun, sizeof(frame));
    Serial.println("显示太阳图标");
  } else {
    // 根据亮度显示逐渐变大的矩形
    int lit_rows = map(brightness, 0, 89, 1, 8);
    int lit_cols = map(brightness, 0, 89, 1, 12);
    for (int i = 0; i < lit_rows; i++) {
      for (int j = 0; j < lit_cols; j++) {
        frame[i][j] = 1;
      }
    }
    Serial.print("显示亮度范围，点亮的行数: ");
    Serial.print(lit_rows);
    Serial.print(", 列数: ");
    Serial.println(lit_cols);
  }

  matrix.renderBitmap(frame, 8, 12);
  Serial.println("LED 矩阵已更新");
}

说明：

开关状态处理：
- 首先通过 if (!isOn) 判断如果 LED 矩阵处于关闭状态，则调用 matrix.clear(); 清除显示内容，并输出相应提示信息，然后直接返回，不再进行后续显示更新操作。
亮度显示处理：
- 定义了一个 uint8_t 类型的二维数组 frame[8][12] 用于构建要显示在 LED 矩阵上的位图数据。
- 根据亮度值进行不同显示逻辑：
- - 当亮度值大于等于 90 时，定义了一个表示太阳图标的二维数组 sun[8][12]，通过 memcpy(frame, sun, sizeof(frame)); 将太阳图标数据复制到 frame 数组中，然后输出显示太阳图标的提示信息。
  - 当亮度值小于 90 时，通过 map 函数根据亮度值（0 - 89）将其映射到点亮的行数（1 - 8）和列数（1 - 12），然后使用双重循环将对应的 frame 数组元素设置为 1，表示点亮，之后输出点亮的行数和列数提示信息。
- 最后通过 matrix.renderBitmap(frame, 8, 12); 将构建好的位图数据显示到 LED 矩阵上，并输出 LED 矩阵已更新的提示信息。