王浩++王東

摘 要：隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于WIFI無線通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。本文設(shè)計(jì)一種基于ESP8266的WIFI通信模塊在NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)固件平臺(tái)上，利用Lua腳本語言編程實(shí)現(xiàn)RGB三色燈的無線控制功能，并通過ESP8266的WIFI通信模塊的STA通信方式連接路由器和云平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)遠(yuǎn)程無線控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作方便和可靠性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ESP8266；NodeMCU；WIFI；RGB三色燈

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)遠(yuǎn)程智能控制產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大，希望借助WIFI無線通信方式與智能化產(chǎn)品交互，并通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的無線控制。本文提出一種在ESP8266WiFI芯片之上運(yùn)行NodeMCU固件平臺(tái)，利用Lua腳本語言實(shí)現(xiàn)RGB三色燈的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)方案。通過NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)固件平臺(tái)上的應(yīng)用開發(fā)，使ESP8266WIFI模塊開機(jī)自動(dòng)連接路由器，連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)服務(wù)器，登錄設(shè)備，監(jiān)聽服務(wù)器發(fā)送消息，并根據(jù)不同的消息遠(yuǎn)程控制RGB三色燈。

2 總體設(shè)計(jì)（The overall design）

為了提高傳統(tǒng)燈光照明控制系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，使燈光照明控制系統(tǒng)更加智能化，本系統(tǒng)以ESP8266WIFI無線通信處理模塊為載體，通過運(yùn)行含有對(duì)ESP8266WIFI硬件操作API函數(shù)等相關(guān)功能[1]，以構(gòu)建NodeMCU固件平臺(tái)，然后利用Lua腳本語言分別ESP8266WIFI無線通信處理模塊的WIFI路由功能、RGB三色燈的輸出引腳控制功能，以及和云平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能進(jìn)行編程，最后將ESP8266WIFI無線通信處理模塊連接路由器，實(shí)現(xiàn)通過云平臺(tái)服務(wù)器遠(yuǎn)程控制硬件設(shè)備。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（The hardware design of the

system）

3.1 NodeMCU固件平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

NodeMCU固件平臺(tái)的硬件載體是ESP8266WIFI無線通信模塊，它是一款超低功耗的UART-WIFI透?jìng)髂K，其硬件接口豐富，可支持UART、IIC、PWM、GPIO和ADC等接口，主要實(shí)現(xiàn)串口透?jìng)鱗2]，PWM調(diào)控及GPIO控制等功能，另外ESP8266模塊支持STA/AP/STA+AP三種通信模式，本文主要使用GPIO控制功能和STA模式，通過ESP8266模塊可將用戶的物理設(shè)備連接到WIFI無線網(wǎng)絡(luò)上，再通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，最后手機(jī)或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，ESP8266無線通信模塊硬件連接如圖2所示。

3.2 RGB三色燈硬件設(shè)計(jì)

RGB三色燈硬件模塊主要采用5050RGB共陽發(fā)光二極管，其工作電壓紅色為2.0—2.2V、藍(lán)色為3.0—3.3V、綠色為3.0—3.3V、工作電流為60mA，發(fā)光角度很寬，可達(dá)到120度[3]。這里將RGB三色燈中的三個(gè)引腳通過電阻連接至3.3V，另外三個(gè)引腳分別連接至ESP8266無線通信模塊中的GPIO14、GPIO13和GPIO12三個(gè)引腳，一旦將GPIO14、GPIO13和GPIO12三個(gè)引腳上的任何一個(gè)引腳輸出低電平，都將點(diǎn)亮RGB中對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管[4]。RGB三色燈硬件連接電路如圖3所示。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（System software design）

系統(tǒng)的軟件部分主要是利用Lua腳本語言在NodeMCU固件平臺(tái)上進(jìn)行腳本編寫實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，這里包括WIFI路由連接功能、RGB三色燈的輸出引腳控制功能、WIFI模塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能，以及云平臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)通信功能。

4.1 WIFI路由連接功能程序設(shè)計(jì)

為了能夠讓ESP8266無線通信模塊連接WIFI無線路由器，這里需要利用Lua腳本語言編寫WIFI路由連接程序，主要包括WIFI工作模式設(shè)置，station模式下的ssid和password設(shè)置，以及通過開啟定時(shí)器進(jìn)行station模式下路由AP連接[4]，如果連接WIFI路由成功，則通過無線路由器的DHCP功能獲取客戶端IP地址[5]，具體通信流程如圖4所示。

WIFI路由連接主要功能代碼如下：

wifi.setmode（wifi.STATION）//設(shè)置WIFI工作模式

wifi.sta.config（"無線網(wǎng)名稱"，"密碼"）//配置SSID和Password

wifi.sta.connect（）//連接路由

tmr.alarm（0，1000，tmr.ALARM_AUTO，function（）//開啟定時(shí)器

if wifi.sta.getip（）==nil then//連接路由失敗

print（"IPunavaiable，Waiting..."）

else tmr.stop（0）//連接路由成功，關(guān)閉定時(shí)器

print（"Configdone，IPis"..wifi.sta.getip（））//獲取IP地址

4.2 RGB三色燈的輸出引腳控制功能程序設(shè)計(jì)

由于ESP8266模塊所運(yùn)行的NodeMCU固件中含有對(duì)GPIO的輸入、輸出和中斷三種模式的設(shè)置選擇[6]，為了利用Lua腳本語言控制任意一個(gè)燈的開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，這里需要在Lua編程中將ESP8266無線通信模塊中的GPIO14、GPIO13和GPIO12三個(gè)物理引腳映射NodeMCU固件中LEDB（IO5）、LEDR（IO7）和LEDG（IO6）三個(gè)引腳，并選擇為輸出模式。另外，在系統(tǒng)啟動(dòng)初始化階段，為了將RGB三色燈都處于關(guān)閉狀態(tài)，根據(jù)前面的電路連接，需要將這三個(gè)引腳的IO口初始化為高電平輸出，主要功能代碼如下：

gpio.mode（LEDR，gpio.OUTPUT）；//將紅色燈所對(duì)應(yīng)的NodeMCU引腳設(shè)置輸出模式gpio.mode（LEDG，gpio.OUTPUT）；//將綠色燈所對(duì)應(yīng)的NodeMCU引腳設(shè)置輸出模式

gpio.mode（LEDB，gpio.OUTPUT）；//將藍(lán)色燈所對(duì)應(yīng)的NodeMCU引腳設(shè)置輸出模式gpio.write（LEDR， gpio.HIGH）；//將紅色燈所對(duì)應(yīng)NodeMCU引腳輸出為高電平，代表不點(diǎn)亮

gpio.write（LEDG， gpio.HIGH）；//將綠色燈所對(duì)應(yīng)NodeMCU引腳輸出為高電平，代表不點(diǎn)亮

gpio.write（LEDB， gpio.HIGH）；//將藍(lán)色燈所對(duì)應(yīng)NodeMCU引腳輸出為高電平，代表不點(diǎn)亮

4.3 WIFI模塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能程序設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的時(shí)代，設(shè)備與平臺(tái)服務(wù)器的連接交互的信息越來越多，為了將ESP8266無線通信模塊連接RGB三色燈之后，通過TCP方式連接云平臺(tái)服務(wù)器，并最終實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制，這里需要使用帶有cjson數(shù)據(jù)通信處理協(xié)議的NodeMCU固件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸與交互[7]，固件中的cjson是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸中較為常用的協(xié)議，這里智能手機(jī)發(fā)出的控制命令通過云端服務(wù)器之后，云服務(wù)器以cjson格式將數(shù)據(jù)傳輸至ESP8266無線通信模塊中，通過decode函數(shù)進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換成數(shù)字、字符串或者table數(shù)據(jù)類型的控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制[8]，然后將控制狀態(tài)信息（如燈已打開或者關(guān)閉狀態(tài)信息）通過encode（）函數(shù)進(jìn)行編碼，將數(shù)字、字符串或者table數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成cjson格式傳輸至云端服務(wù)中，具體WIFI模塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信流程如圖5所示。

4.4 云平臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)通信

本文選用貝殼物聯(lián)云平臺(tái)作為云端服務(wù)器，它的通信方式主要以TCP協(xié)議為主，UDP協(xié)議為輔的形式進(jìn)行通訊。在TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，可以直接使用TCP或者websocket建立長(zhǎng)連接，定時(shí)發(fā)送心跳數(shù)據(jù)，保持設(shè)備在線，在線期間設(shè)備與服務(wù)器可進(jìn)行Json字符串格式數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，這里使用的用戶與設(shè)備間溝通指令格式如下：

{"M"："say"，"ID"："xx1"，"C"："xx2"}＼n，參數(shù)說明如下：

M：固定（Method）。

Say：固定，溝通指令。

ID：固定。

xx1：可變，發(fā)送目標(biāo)的唯一通訊ID。

C：固定（content）。

xx2：可變（數(shù)據(jù)類型自定，符合Json字符穿要求即可），發(fā)送指令內(nèi)容

本系統(tǒng)主要功能代碼如下：

Local function run（）

localcu=net.createConnection（net.TCP）//通過TCP連接云平臺(tái)服務(wù)器

cu：on（"receive"，function（cu，c）//收到云平臺(tái)服務(wù)器cjson格式的數(shù)據(jù)信息

r=cjson.decode（c）//解碼cjson格式數(shù)據(jù)

if r.M=="say"then

if r.C=="play"then

gpio.write（LEDG，gpio.LOW）//通過控制引腳，點(diǎn)亮RGB三色燈中的綠色燈

ok，played=pcall（cjson.encode，{M="say"，ID=r.ID，

C="LEDturnon！"}）//將燈狀態(tài)信息編碼為cjson格式數(shù)據(jù)

cu：send（played.."＼n"）//發(fā)送至云平臺(tái)服務(wù)器

end

end

end）

5 系統(tǒng)測(cè)試（The system test）

為了驗(yàn)證WIFI模塊TCP連接云平臺(tái)服務(wù)器之后，Android手機(jī)通過2G/3G連接云服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制RGB三色燈，這里選擇貝殼物聯(lián)云平臺(tái)，手機(jī)端APP通過發(fā)出“Play”或者“Stop”，遠(yuǎn)程控制開燈和關(guān)燈，如圖6所示的手機(jī)端控制界面。

6 結(jié)論（Conclusion）

文中基于ESP8266WiFI芯片上運(yùn)行的NodeMCU固件平臺(tái)，通過Lua腳本語言編程及云平臺(tái)通信，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端設(shè)備通過2G/3G方式遠(yuǎn)程控制RGB三色燈。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作方便和通信可靠，具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)（References）

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作者簡(jiǎn)介：

王 浩（1971-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用研究.

王 東（1969-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：RFID應(yīng)用工程技術(shù)與系統(tǒng)研究.