Funpack3-5 基于Arduino UNO R4 WiFi的云端通讯工具

内容介绍

项目介绍

这里是我参加Funpack第三季第五期活动的任务总结报告，我所完成的是任务一，通过网络连接到智能云端，尝试将设备模拟成可以控制的灯，远程端发送指令，将灯光开启关闭，或调整灯光的亮度，0到90%时，矩阵亮起逐渐变大的范围，90%以上时，灯板显示出太阳的图标。

大概步骤如下：

步骤 1: 安装 Arduino 并安装相关开发板资源

下载 Arduino IDE：
- 访问 Arduino 官方网站下载 Arduino IDE。
安装 Arduino IDE：
- 运行下载的安装程序，按照提示完成 Arduino IDE 的安装。
添加开发板支持：
- 打开 Arduino IDE。
- 进入“文件”>“首选项”（在 macOS 上是“Arduino”>“首选项”）。
- 在“附加开发板管理器网址”字段中添加开发板的URL（如果需要）。
- 进入“工具”>“开发板”>“开发板管理器”，搜索并安装所需的开发板。
安装相关库：
- 根据需要，通过“工具”>“管理库”搜索并安装网络通信和LED矩阵控制所需的库。

步骤 2: 查看开发板的相关示例程序

查看示例程序：
- 在 Arduino IDE 中，进入“文件”>“示例”菜单，浏览不同类别的示例程序。
重点查看网络连接通讯：
- 寻找与网络连接和通讯相关的示例，如“Ethernet”类别下的示例。
查看LED矩阵驱动示例：
- 根据你的LED矩阵型号，寻找相应的驱动示例程序。

步骤 3: 在示例程序的基础上进行修改，完成自己的项目

理解示例程序：
- 仔细阅读示例程序的代码和注释，理解其工作原理。
修改代码：
- 根据你的项目需求，对示例程序进行修改。
- 例如，如果你需要控制12x8 LED矩阵，你可能需要调整引脚配置、数据发送方式等。
测试功能：
- 上传修改后的代码到开发板，并测试每个功能是否按预期工作。
调试和优化：
- 如果遇到问题，使用串口监视器进行调试，并根据需要优化代码。
完成项目：
- 一旦所有功能都经过测试并工作正常，你的项目就完成了。

硬件介绍

Arduino UNO R4 WiFi 是一款集成了瑞萨电子的 RA4M1 微处理器和乐鑫的 ESP32-S3 的开发板，它为创客提供了强大的处理能力和多样化的新外设。以下是它的主要特点：

处理能力：搭载瑞萨 RA4M1 微处理器，基于 Arm Cortex-M4 内核，运行频率为 48MHz，拥有 256kB 闪存和 32kB SRAM。
无线连接：集成 ESP32-S3，支持 Wi-Fi 和蓝牙功能，为项目提供无线连接能力。
兼容性：保持与 UNO 系列相同的外形尺寸和引脚排列，确保与现有扩展板的兼容性。
扩展功能：包括 12 位 DAC、CAN 总线和运算放大器等外设。
电压容差：支持更宽的输入电压范围，适合与电机、LED 灯带等执行器集成。
HID 支持：可以通过 USB 模拟鼠标或键盘，发送按键和鼠标移动。
Qwiic 连接器：支持 Qwiic I2C 连接器，方便连接 Qwiic 生态系统中的节点。
RTC 支持：包括用于关闭电路板和保持内部实时时钟供电的引脚。
LED 矩阵：板载 12x8 LED 矩阵，适合动画和传感器数据可视化项目。
错误诊断：包含错误捕获机制，提供运行时错误的详细解释和提示。
其他特性：包括段式 LCD 控制器、14 位 A/D 转换器、电容式触摸传感单元、全速 USB 2.0、CAN 2.0B 等。

Arduino UNO R4 WiFi 提供了强大的功能和灵活性，适合各个级别的创客探索和实现创意项目。

软件介绍

该开发版使用arduino的方式进行开发，先在软件的开发板管理器中下载该开发板的资源，编译器，配置文件等

示例程序中，提供了网络连接部分，可以参考

#include "WiFiS3.h"

#include <ArduinoMqttClient.h>

#include <ArduinoJson.h>
#include "Arduino_LED_Matrix.h"   // Include the LED_Matrix library

ArduinoLEDMatrix matrix;          // Create an instance of the ArduinoLEDMatrix class
uint8_t frame[8][12] = {

};
uint8_t frame10[8][12] = {

};
uint8_t frame20[8][12] = {

};
uint8_t frame30[8][12] = {

};
uint8_t frame40[8][12] = {

};
uint8_t frame50[8][12] = {

};
uint8_t frame60[8][12] = {

};
uint8_t frame70[8][12] = {

};
uint8_t frame80[8][12] = {

};
uint8_t frame90[8][12] = {

};
uint8_t frame100[8][12] = {

};
WiFiClient wifiClient;
MqttClient mqttClient(wifiClient);
 
// 设置WIFI
char ssid[] = "xiaomi14";
char pass[] = "15357898";
// 设置MQTT(EMQX)
char mqtt_user[] = "test";
char mqtt_pass[] = "test";
const char broker[] = "broker.emqx.io";
int port = 1883;
// 指定订阅主题（Arduino为信息接收方）
const char subscribe_topic[] = "testtopic_plz";

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  matrix.begin();
  matrix.clear();
  while (!Serial) {
    ;
  }
  // 连接网络
  Serial.print("Attempting to connect to WPA SSID: ");
  Serial.println(ssid);
  while (WiFi.begin(ssid, pass) != WL_CONNECTED) {
    Serial.print(".");
    delay(5000);
  }
  Serial.println("You're connected to the network:");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  Serial.println();
  // 连接MQTT
  mqttClient.setId("claentId12");//在我这里这个必须要加，不然直接连接错误
  mqttClient.setUsernamePassword(mqtt_user, mqtt_pass);
  Serial.print("Attempting to connect to the MQTT broker: ");
  if (!mqttClient.connect(broker, port)) {
    Serial.print("MQTT connection failed! Error code = ");
    Serial.println(mqttClient.connectError());
    while (1)
      ;
  }
  Serial.println("You're connected to the MQTT broker!");
  // 订阅主题
  mqttClient.onMessage(onMqttMessage);
  mqttClient.subscribe(subscribe_topic);
}
void loop() {
  // delay(10000);
  // Serial.println("Hello EEWorld2!");
  mqttClient.poll(); // 定期检查新消息
}

void onMqttMessage(int messageSize) {
  // 读取消息内容
  String message;
  for (int i = 0; i < messageSize; i++) {
    message += (char)mqttClient.read();
  }
  Serial.println("Received text message:");
  Serial.println(message);

  if (message == "on") {
    matrix.renderBitmap(frame10, 8, 12);
  } else if(message == "off"){
    matrix.clear();
  }else{
    // 尝试将消息转换为数值
    float value = message.toFloat();
    
    // 检查转换是否成功
    if (value == 0 && message != "0") {
      // 如果转换结果为0但消息不是"0"，则认为转换失败
      Serial.println("Invalid number");
    } else {
      // 比较数值并打印相应的消息
      if (value >= 0 && value < 10) {
        matrix.renderBitmap(frame10, 8, 12);
      }else if (value >= 10 && value < 20) {
        matrix.renderBitmap(frame20, 8, 12);
      }else if (value >= 20 && value < 30) {
        matrix.renderBitmap(frame30, 8, 12);
      }else if (value >= 30 && value < 40) {
        matrix.renderBitmap(frame40, 8, 12);
      }else if (value >= 40 && value < 50) {
        matrix.renderBitmap(frame50, 8, 12);
      }else if (value >= 50 && value < 60) {
        matrix.renderBitmap(frame60, 8, 12);
      }else if (value >= 60 && value < 70) {
        matrix.renderBitmap(frame70, 8, 12);
      }else if (value >= 70 && value < 80) {
        matrix.renderBitmap(frame80, 8, 12);
      }else if (value >= 80 && value < 90) {
        matrix.renderBitmap(frame90, 8, 12);
      }else if (value >= 90) {
        matrix.renderBitmap(frame100, 8, 12);
      }
    }
}
  // 解析 JSON 消息
  // StaticJsonDocument<512> doc;
  // DeserializationError error = deserializeJson(doc, message);
  // // 检查解析是否成功
  // if (error) {
  //   Serial.print("JSON parse failed: ");
  //   Serial.println(error.c_str());
  //   return;
  // }
  // // 打印 JSON 消息的内容
  // Serial.println("Received JSON message:");
  // serializeJsonPretty(doc, Serial);
}

上面的代码用于控制一个12x8的LED矩阵，并通过Wi-Fi连接到MQTT服务器接收消息来改变LED矩阵的显示。

包含库：引入了控制LED矩阵和MQTT通信所需的库。
定义LED矩阵帧：定义了多个二维数组，每个数组代表LED矩阵的一个帧，用于显示不同的图案。
Wi-Fi和MQTT设置：设置了Wi-Fi网络名称（SSID）和密码，以及MQTT服务器的地址、端口、用户名和密码。
创建LED矩阵实例：创建了一个ArduinoLEDMatrix类的实例，用于控制LED矩阵。
设置函数（setup）：
- 初始化串口通信。
- 初始化LED矩阵。
- 连接到Wi-Fi网络。
- 连接到MQTT服务器。
- 订阅MQTT主题。
循环函数（loop）：
- 定期检查MQTT服务器是否有新消息。
MQTT消息处理函数（onMqttMessage）：
- 当接收到MQTT消息时，根据消息内容控制LED矩阵显示不同的帧。
- 如果消息是“on”，则显示一个特定的图案。
- 如果消息是“off”，则清除LED矩阵。
- 如果消息是数字，根据数字范围显示不同的帧。
注释掉的JSON解析部分：代码中还包含了一个注释掉的JSON解析部分，用于解析JSON格式的消息，但这部分代码目前没有被使用。

这段代码通过Wi-Fi连接到MQTT服务器，接收消息来控制LED矩阵的显示，实现了一个基于MQTT的LED矩阵控制项目。

效果展示

微信图片_20241231235217.jpg

当mqtt数值大于90%时，led矩阵显示太阳图样

总结

在本次活动中，学习了如何使用mqtt进行通讯。在过程中遇到的问题，通过百度搜索都能找到适合的答案，使自我得到了提升，感谢硬禾学堂平台。