Arduino应用技术 课件 第六章 Arduino项目实战

第六章Arduino项目实战智能洒水系统·WS2812艺术灯·巴法云MQTT远程控制《Arduino应用技术（第二版）》·NodeMCU·ESP32·MQTT·巴法云·Wokwi高职电子信息类专业教学用本章学习目标●了解基于NodeMCU的洒水系统制作方法；●掌握基于ESP32的艺术灯控制实现过程。本章依托ESP系列开发板与MQTT协议，构建两个物联网项目项目一·智能洒水系统NodeMCU开发板连接电磁阀，MQTT实现数据收发；通过网络浏览器或移动APP远程开/关电磁阀，并实时监控阀门状态。项目二·艺术灯控制系统ESP32驱动WS2812彩色灯带，接入巴法云MQTT；通过移动APP或电脑客户端远程切换纯白、彩虹、随机等灯光效果。本章内容地图6.1基于NodeMCU的洒水系统6.1.1硬件连接6.1.2软件安装与程序编写6.1.3系统调试与运行效果系统构成：NodeMCU+继电器+电磁阀+双LED指示+12V电源；通过MQTT远程控制电磁阀开/关，实时查询状态。6.2基于ESP32的艺术灯控制6.2.1WS2812灯带简介6.2.2硬件连接6.2.3巴法云平台的使用6.2.4MQTTX客户端连接巴法云6.2.5移动客户端连接巴法云6.2.6ESP32程序编写6.2.7系统调试与运行效果系统构成：ESP32+WS2812灯带（16灯珠）+巴法云MQTT；APP/电脑客户端切换纯白、彩虹、随机、熄灭四种效果。6.1基于NodeMCU的洒水系统概述NodeMCU开发板与螺线管（电磁阀）相连，MQTT协议负责数据收发；用户可通过网络浏览器或移动APP远程操控电磁阀并监控状态。远程开/关浏览器或APP发送控制信号状态监控互联网实时监控电磁阀状态MQTT通信数据发送与接收的通道系统硬件组成●NodeMCU：主控，接入WiFi与MQTT●继电器：以小控大，驱动电磁阀●电磁阀：控制水路开/关●双LED：指示WiFi与MQTT连接状态●12VDC适配器：为继电器与电磁阀供电●面包板/软管接头：接线与水路连接6.1.1硬件连接表6-1所需硬件序号型号数量1NodeMCU12继电器13电磁阀14LED（红色）25200Ω电阻2612VDC适配器17MicroUSB线18面包板19软管接头2图6-1硬件连接示意图NodeMCU数字引脚控制继电器，继电器驱动12V电磁阀；两个LED经200Ω限流电阻接GPIO，指示状态。6.1.1引脚定义与实物D2→继电器S端：控制继电器开关，进而控制电磁阀。D3→继电器S端读数据：读取继电器当前通断状态。D4→WiFi_LED：指示WiFi连接状态（点亮=已连接）。D5→MQTT_LED：指示MQTT服务器连接状态（点亮=已连接）。通过D3读继电器状态，可向云端查询电磁阀当前是"浇水中"还是"已关闭"。图6-2洒水系统实物图6.1.2软件安装与程序配置所需软件ArduinoIDE（1.6.4+）、ESP8266扩展包、串口驱动、MQTT客户端（MQTTBox）、PubSubClient库。安装步骤：①安装IDE与ESP8266扩展包；②安装PubSubClient库（若IDE已含可跳过）；③下载并上传程序；④选择板型与端口上传。constchar*ssid="你的WiFi名称";constchar*password="你的WiFi密码";StringclientId="你的用户名";char*mqtt_topic="你的主题";mqtt_topic与clientId应尽量唯一，否则他人可能控制你的设备需要认证时改为connect(clientId,userName,passWord)服务器默认，可换broker.emqx.io等免费服务器6.1.2主程序（一）引脚定义与WiFi连接全局配置+setup_wifi#include<ESP8266WiFi.h>#include<PubSubClient.h>#defineRELAY_PIND2//D2继电器S端#defineINPUT_PIND3//D3读继电器状态#defineWIFI_LEDD4//D4WiFi指示灯#defineMQTT_LEDD5//D5MQTT指示灯constchar*ssid="你的WiFi热点名称";constchar*password="你的WiFi密码";StringclientId="your_unique_clientid";char*mqtt_topic="your_unique_topic";constchar*mqtt_server="";WiFiClientespClient;PubSubClientclient(espClient);longlastMsg=0;charmsg[50];intvalue=0;voidsetup_wifi(){delay(100);digitalWrite(WIFI_LED,LOW);//关闭WiFi灯Serial.print("Connectingto");Serial.println(ssid);WiFi.begin(ssid,password);while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED){delay(500);Serial.print(".");}Serial.println("WiFiconnected");digitalWrite(WIFI_LED,HIGH);//WiFi连上打开WiFi灯Serial.println(WiFi.localIP());}引脚定义D2控制继电器、D3读状态；D4/D5为WiFi与MQTT状态灯。WiFi连上后点亮WiFi_LED；mqtt_server可换用broker.emqx.io等。6.1.2主程序（二）回调控制继电器callback回调：接收MQTT消息控制电磁阀voidcallback(char*topic,byte*payload,unsignedintlength){Serial.print("CommandfromMQTTbrokeris：[");Serial.print(topic);charp=(char)payload[0];if(p=='0'){//0关闭阀门digitalWrite(RELAY_PIN,LOW);Serial.println("TurnOffSolenoid!");}if(p=='1'){//1打开阀门digitalWrite(RELAY_PIN,HIGH);Serial.println("TurnOnSolenoid!");}if(p=='Q'||p=='q'){//查询阀门状态value=digitalRead(INPUT_PIN);if(value==1){client.publish(mqtt_topic,"hoseiswatering");}else{client.publish(mqtt_topic,"hoseisshutoff");}}Serial.println();}收到'0'关闭电磁阀，收到'1'打开电磁阀。收到'q'/'Q'时读取INPUT_PIN，向主题回发"hoseiswatering"或"hoseisshutoff"。6.1.2主程序（三）重连、初始化与主循环reconnect+setup+loopvoidreconnect(){while(!client.connected()){digitalWrite(MQTT_LED,LOW);//关闭MQTT灯if(client.connect(clientId.c_str())){digitalWrite(MQTT_LED,HIGH);//连上MQTT打开灯Serial.println("connected");client.subscribe(mqtt_topic);}else{Serial.print("failed,rc=");Serial.println(client.state());delay(6000);//6秒后重试}}}voidsetup(){Serial.begin(115200);setup_wifi();client.setServer(mqtt_server,1883);client.setCallback(callback);pinMode(RELAY_PIN,OUTPUT);pinMode(WIFI_LED,OUTPUT);pinMode(MQTT_LED,OUTPUT);pinMode(INPUT_PIN,INPUT);}voidloop(){if(!client.connected()){reconnect();}client.loop();}断线时循环重连，连上后订阅主题并点亮MQTT_LED。setup配置引脚与MQTT；loop中维持连接并调用client.loop()保持消息收发。6.1.3系统调试与运行效果WiFi指示：D4点亮=已连接WiFi；若熄灭，核对代码中的热点名称与密码。MQTT指示：D5点亮=已连接MQTT服务器；若熄灭，检查服务器主机配置。三类控制消息：●'1'→打开电磁阀●'0'→关闭电磁阀●'q'→查询状态，回发"hoseiswatering"或"hoseisshutoff"图6-3串口监视器运行结果程序上传成功、网络正常时：串口输出"WiFiconnected"、IP地址与"MQTTconnection...connected"。利用MQTTBox向主题发送上述消息即可远程控制阀门。6.2基于ESP32的艺术灯控制概述利用ESP32开发板、MQTT协议与巴法云物联网平台，实现对艺术灯的控制；用户可通过移动APP、电脑客户端或巴法云平台远程操控彩色灯带。多端控制移动APP/电脑客户端/平台四档效果纯白/彩虹/随机/熄灭巴法云平台创建主题、发布消息、查看内容系统硬件组成●ESP32：主控，接入WiFi与巴法云MQTT●WS2812灯带：单线控制的全彩可寻址LED●巴法云（Bemfa）：免费物联网云平台，MQTT服务器:9501●控制端：MQTTX电脑客户端、IoTMQTTPanel移动APP、Wokwi在线仿真6.2.1WS2812灯带简介WS2812是基于WS2812芯片控制的数字可控LED灯带，集控制信号与电源传输于一体，可实现多种动态灯光效果。VDD电源正极（接5V）GND电源地线DIN数据输入（接控制器）DOUT数据输出（级联下一颗）单线控制协议：信号经DIN依次传递给每个灯珠，以PWM控制亮度与颜色，实现全彩RGB显示；灯带可剪切、拼接，灯珠较多时需单独供电以防电压降。图6-4WS2812灯带工作电压通常为5V，单颗灯珠为内置IC的可寻址RGBLED。6.2.2硬件连接信号引脚：使用ESP32的引脚4连接灯带DIN，电源接5V。级联：DOUT用于灯带级联；仅用单条灯带时无需连接DOUT。供电：灯珠数量较多时建议外接电源，保证充足供电。可结合Wokwi在线仿真平台调试：内置ESP32与16灯珠环形WS2812灯带。图6-5仿真环境硬件连接6.2.2硬件连接（实物场景）实物场景下的灯带接线与系统组成图6-6实物场景硬件连接WS2812灯带硬件连接非常简便，通常只需连接电源正负极与信号引脚即可。DOUT引脚用于灯带的级联；若仅使用单个灯带，无需连接DOUT。灯珠数量较多时建议外接电源，保证充足供电。可结合Wokwi在线仿真平台调试：内置ESP32与16灯珠环形WS2812灯带。6.2.3巴法云平台：注册、登录与切换注册账号、登录控制台并切换到MQTT协议图6-7注册巴法云图6-8登录巴法云图6-9切换到MQTT协议步骤：注册（邮箱）→账号登录→控制台点击"MQTT设备云"切换MQTT协议。巴法云（BemfaCloud）是专注物联网设备接入的一站式云平台，支持MQTT/TCP，个人开发者免费使用，官网。6.2.3巴法云平台的使用①注册与登录：打开官网，建议邮箱注册；注册完成后账号登录。②切换MQTT：控制台点击"MQTT设备云"，在输入框新建主题（如LED）。③查看私钥：左上角用户框的"私钥"即编程时的客户端ID（ClientID），点击"眼睛"图标查看并记录。图6-10新建主题图6-11查看主题图6-12查看私钥6.2.4MQTTX：下载与配置下载安装MQTTX并设置中文界面、开启新建连接图6-14设置MQTTX中文界面图6-15开启新建连接图6-13MQTTX下载6.2.4MQTTX电脑客户端调试下载：MQTTX是桌面端全功能MQTT客户端工具，官网mqttx.app/zh免费下载。新建连接：连接名称MQTT_Test；主机地址，端口9501；MQTT版本选择3.1（巴法云仅支持3.1）；用户名密码可不填。测试：连接成功后订阅主题LED，发布on/off消息，观察设备响应；可在巴法云平台查看消息推送与同步状态。图6-16配置新建连接图6-17发布/订阅消息6.2.4MQTTX：巴法云平台监控在巴法云平台查看订阅在线情况与主题消息状态图6-18巴法云平台显示要点：巴法云平台可实时显示主题的订阅者在线状态与消息推送记录，用于监控设备通信。6.2.5手机客户端（IoTMQTTPanel）配置①下载与语言：下载IoTMQTTPanel，在设置中切换为简体中文。②新建连接：主机、端口9501，客户端ID填巴法云私钥，连接成功后添加仪表板LED_Control。③添加面板：开关面板（面板名Switch、主题LED、开on关off）；文本输入面板（"灯带效果"）；LED指示灯面板。图6-20设置连接图6-21添加开关面板6.2.5手机客户端：切换界面语言将IoTMQTTPanel界面语言设置为简体中文切换语言（一）切换语言（二）切换语言（三）6.2.5手机客户端：文本输入面板与消息推送添加文本输入面板，并通过巴法云推送消息测试同步图6-22添加文本输入面板图6-23MQTT消息推送与同步6.2.5手机客户端控制验证开关控制：点击手机上的开关面板，向主题LED发送on/off，灯带随之点亮/熄灭，状态实时同步。文本控制：在"灯带效果"输入rainbow切换彩虹效果，输入random随机变色，输入off熄灭灯带。巴法云平台与手机客户端订阅同一主题，任意一端发布消息，另一端实时同步，状态保持一致。图6-23消息推送与状态同步图6-24文本输入控制6.2.6ESP32程序（一）全局配置头文件与全局配置#include<WiFi.h>#include<PubSubClient.h>#include<Adafruit_NeoPixel.h>//替换为你的网络信息constchar*ssid="Wokwi-GUEST";constchar*password="";//巴法云MQTT服务器信息constchar*mqttServer="";constintmqttPort=9501;constchar*mqttUser="";//用户名，非必要constchar*mqttClientId="6f2e7b28...";//私钥constchar*topic="LED";//订阅主题//WS2812灯带配置#defineLED_PIN4//灯带连接的引脚#defineLED_COUNT16//灯珠数量Adafruit_NeoPixelstrip(LED_COUNT,LED_PIN,NEO_GRB+NEO_KHZ800);WiFiClientespClient;PubSubClientclient(espClient);boolrandomMode=false;//随机模式标志程序功能：接入WiFi、接入MQTT、四种灯带效果、断线自动重连。编写方法：自顶向下设计（整体到局部分解子任务）、自底向上实现（先写基础函数再组装）。6.2.6ESP32程序（二）自动重连reconnectWiFi+reconnect：断线自动重连boolreconnectWiFi(){Serial.println("WiFiconnectionlost...");WiFi.reconnect();unsignedlongstartAttemptTime=millis();while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED&&(millis()-startAttemptTime)<10000){delay(500);//10秒超时Serial.print(".");}if(WiFi.status()==WL_CONNECTED){Serial.println("WiFireconnected");returntrue;}else{Serial.println("WiFireconnectionfailed");returnfalse;}}voidreconnect(){while(!client.connected()){if(client.connect(mqttClientId,mqttUser,"")){Serial.println("connected");client.subscribe(topic);//重新订阅主题}else{Serial.print("failed,rc=");Serial.println(client.state());delay(5000);//5秒后重试}}}WiFi重连超时10秒，失败返回false。MQTT连接失败每5秒重试，连接成功后重新订阅主题。6.2.6ESP32程序（三）效果函数setAllWhite+rainbow+turnOffvoidsetAllWhite(){//灯带全亮白色for(inti=0;i<strip.numPixels();i++){strip.setPixelColor(i,strip.Color(255,255,255));}strip.show();}voidrainbow(){//灯带彩虹渐变for(longfirstPixelHue=0;firstPixelHue<5*65536;firstPixelHue+=256){for(inti=0;i<strip.numPixels();i++){intpixelHue=firstPixelHue+(i*65536L/strip.numPixels());strip.setPixelColor(i,strip.gamma32(strip.ColorHSV(pixelHue)));}strip.show();delay(10);}}voidturnOff(){//灯带全灭strip.clear();strip.show();}纯白：所有灯珠设为RGB(255,255,255)。彩虹：ColorHSV生成色相循环+gamma32亮度校正，逐帧刷新。熄灭：strip.clear()清空所有灯珠。6.2.6ESP32程序（四）随机色与消息回调randomColors+callback：随机变色与MQTT消息处理voidrandomColors(Adafruit_NeoPixel&strip){for(inti=0;i<LED_COUNT;i++){if(random(2)==0){uint32_tcolor=strip.Color(random(256),random(256),random(256));strip.setPixelColor(i,color);}else{strip.setPixelColor(i,0);//熄灭该灯珠}}strip.show();}voidcallback(char*topic,byte*payload,unsignedintlength){Stringmessage="";for(inti=0;i<length;i++){message+=(char)payload[i];}randomMode=false;//收到消息先停随机if(message=="on"){setAllWhite();}elseif(message=="rainbow"){rainbow();}elseif(message=="random"){randomMode=true;}elseif(message=="off"){turnOff();}}随机色：每个灯珠以50%概率随机三通道颜色或熄灭。收到消息：on纯白、rainbow彩虹、random进入随机、off熄灭。6.2.6ESP32程序（五）初始化与主循环setup+loopvoidsetup(){Serial.begin(115200);strip.begin();strip.setBrightness(200);//亮度0-255strip.show();WiFi.begin(ssid,password);while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED){delay(500);Serial.print(".");}Serial.println