基于NodeMCU固件平台的RGB三色灯远程控制设计与实现

王浩++王东

摘 要：随着无线通信技术的快速发展，基于WIFI无线通信的物联网应用应运而生。本文设计一种基于ESP8266的WIFI通信模块在NodeMCU物联网固件平台上，利用Lua脚本语言编程实现RGB三色灯的无线控制功能，并通过ESP8266的WIFI通信模块的STA通信方式连接路由器和云平台服务器进行通信，实现云平台远程无线控制。实验结果表明：该系统操作方便和可靠性强，应用范围广等优势，具有一定的应用前景。

关键词：ESP8266；NodeMCU；WIFI；RGB三色灯

中图分类号：TP273 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

随着无线网络通信技术和自动控制技术的迅速发展，人们对远程智能控制产品的开发和应用需求不断扩大，希望借助WIFI无线通信方式与智能化产品交互，并通过云平台实现对远程设备的无线控制。本文提出一种在ESP8266WiFI芯片之上运行NodeMCU固件平台，利用Lua脚本语言实现RGB三色灯的远程控制设计方案。通过NodeMCU物联网固件平台上的应用开发，使ESP8266WIFI模块开机自动连接路由器，连接物联网云平台服务器，登录设备，监听服务器发送消息，并根据不同的消息远程控制RGB三色灯。

2 总体设计（The overall design）

为了提高传统灯光照明控制系统的灵活性和可扩展性，使灯光照明控制系统更加智能化，本系统以ESP8266WIFI无线通信处理模块为载体，通过运行含有对ESP8266WIFI硬件操作API函数等相关功能[1]，以构建NodeMCU固件平台，然后利用Lua脚本语言分别ESP8266WIFI无线通信处理模块的WIFI路由功能、RGB三色灯的输出引脚控制功能，以及和云平台服务器进行网络数据通信功能进行编程，最后将ESP8266WIFI无线通信处理模块连接路由器，实现通过云平台服务器远程控制硬件设备。系统的整体架构如图1所示。

3 系统的硬件设计（The hardware design of the

system）

3.1 NodeMCU固件平台的硬件设计

NodeMCU固件平台的硬件载体是ESP8266WIFI无线通信模块，它是一款超低功耗的UART-WIFI透传模块，其硬件接口丰富，可支持UART、IIC、PWM、GPIO和ADC等接口，主要实现串口透传[2]，PWM调控及GPIO控制等功能，另外ESP8266模块支持STA/AP/STA+AP三种通信模式，本文主要使用GPIO控制功能和STA模式，通过ESP8266模块可将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上，再通过路由器连接互联网，最后手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制，ESP8266无线通信模块硬件连接如图2所示。

3.2 RGB三色灯硬件设计

RGB三色灯硬件模块主要采用5050RGB共阳发光二极管，其工作电压红色为2.0—2.2V、蓝色为3.0—3.3V、绿色为3.0—3.3V、工作电流为60mA，发光角度很宽，可达到120度[3]。这里将RGB三色灯中的三个引脚通过电阻连接至3.3V，另外三个引脚分别连接至ESP8266无线通信模块中的GPIO14、GPIO13和GPIO12三个引脚，一旦将GPIO14、GPIO13和GPIO12三个引脚上的任何一个引脚输出低电平，都将点亮RGB中对应的发光二极管[4]。RGB三色灯硬件连接电路如图3所示。

4 系统的软件设计（System software design）

系统的软件部分主要是利用Lua脚本语言在NodeMCU固件平台上进行脚本编写实现相关功能，这里包括WIFI路由连接功能、RGB三色灯的输出引脚控制功能、WIFI模块网络数据通信功能，以及云平台服务器数据通信功能。

4.1 WIFI路由连接功能程序设计

为了能够让ESP8266无线通信模块连接WIFI无线路由器，这里需要利用Lua脚本语言编写WIFI路由连接程序，主要包括WIFI工作模式设置，station模式下的ssid和password设置，以及通过开启定时器进行station模式下路由AP连接[4]，如果连接WIFI路由成功，则通过无线路由器的DHCP功能获取客户端IP地址[5]，具体通信流程如图4所示。

WIFI路由连接主要功能代码如下：

wifi.setmode（wifi.STATION）//设置WIFI工作模式

wifi.sta.config（"无线网名称"，"密码"）//配置SSID和Password

wifi.sta.connect（）//连接路由

tmr.alarm（0，1000，tmr.ALARM_AUTO，function（）//開启定时器

if wifi.sta.getip（）==nil then//连接路由失败

print（"IPunavaiable，Waiting..."）

else tmr.stop（0）//连接路由成功，关闭定时器

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

4.2 RGB三色灯的输出引脚控制功能程序设计

由于ESP8266模块所运行的NodeMCU固件中含有对GPIO的输入、输出和中断三种模式的设置选择[6]，为了利用Lua脚本语言控制任意一个灯的开和关两个状态，这里需要在Lua编程中将ESP8266无线通信模块中的GPIO14、GPIO13和GPIO12三个物理引脚映射NodeMCU固件中LEDB（IO5）、LEDR（IO7）和LEDG（IO6）三个引脚，并选择为输出模式。另外，在系统启动初始化阶段，为了将RGB三色灯都处于关闭状态，根据前面的电路连接，需要将这三个引脚的IO口初始化为高电平输出，主要功能代码如下：

gpio.mode（LEDR，gpio.OUTPUT）；//将红色灯所对应的NodeMCU引脚设置输出模式gpio.mode（LEDG，gpio.OUTPUT）；//将绿色灯所对应的NodeMCU引脚设置输出模式

gpio.mode（LEDB，gpio.OUTPUT）；//将蓝色灯所对应的NodeMCU引脚设置输出模式gpio.write（LEDR， gpio.HIGH）；//将红色灯所对应NodeMCU引脚输出为高电平，代表不点亮

gpio.write（LEDG， gpio.HIGH）；//将绿色灯所对应NodeMCU引脚输出为高电平，代表不点亮

gpio.write（LEDB， gpio.HIGH）；//将蓝色灯所对应NodeMCU引脚输出为高电平，代表不点亮

4.3 WIFI模块网络数据通信功能程序设计

在物联网快速发展的时代，設备与平台服务器的连接交互的信息越来越多，为了将ESP8266无线通信模块连接RGB三色灯之后，通过TCP方式连接云平台服务器，并最终实现智能手机远程控制，这里需要使用带有cjson数据通信处理协议的NodeMCU固件实现数据信息传输与交互[7]，固件中的cjson是在物联网领域数据传输中较为常用的协议，这里智能手机发出的控制命令通过云端服务器之后，云服务器以cjson格式将数据传输至ESP8266无线通信模块中，通过decode函数进行解码，转换成数字、字符串或者table数据类型的控制命令实现对设备的控制[8]，然后将控制状态信息（如灯已打开或者关闭状态信息）通过encode（）函数进行编码，将数字、字符串或者table数据类型转换成cjson格式传输至云端服务中，具体WIFI模块网络数据通信流程如图5所示。

4.4 云平台服务器数据通信

本文选用贝壳物联云平台作为云端服务器，它的通信方式主要以TCP协议为主，UDP协议为辅的形式进行通讯。在TCP协议的基础上，可以直接使用TCP或者websocket建立长连接，定时发送心跳数据，保持设备在线，在线期间设备与服务器可进行Json字符串格式数据进行通讯，并实现实时更新，这里使用的用户与设备间沟通指令格式如下：

{"M"："say"，"ID"："xx1"，"C"："xx2"}＼n，参数说明如下：

M：固定（Method）。

Say：固定，沟通指令。

ID：固定。

xx1：可变，发送目标的唯一通讯ID。

C：固定（content）。

xx2：可变（数据类型自定，符合Json字符穿要求即可），发送指令内容

本系统主要功能代码如下：

Local function run（）

localcu=net.createConnection（net.TCP）//通过TCP连接云平台服务器

cu：on（"receive"，function（cu，c）//收到云平台服务器cjson格式的数据信息

r=cjson.decode（c）//解码cjson格式数据

if r.M=="say"then

if r.C=="play"then

gpio.write（LEDG，gpio.LOW）//通过控制引脚，点亮RGB三色灯中的绿色灯

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

C="LEDturnon！"}）//将灯状态信息编码为cjson格式数据

cu：send（played.."＼n"）//发送至云平台服务器

end

end

end）

5 系统测试（The system test）

为了验证WIFI模块TCP连接云平台服务器之后，Android手机通过2G/3G连接云服务器进行远程控制RGB三色灯，这里选择贝壳物联云平台，手机端APP通过发出“Play”或者“Stop”，远程控制开灯和关灯，如图6所示的手机端控制界面。

6 结论（Conclusion）

文中基于ESP8266WiFI芯片上运行的NodeMCU固件平台，通过Lua脚本语言编程及云平台通信，实现移动终端设备通过2G/3G方式远程控制RGB三色灯。实验结果表明：该系统操作方便和通信可靠，具有一定的应用前景。

参考文献（References）

[1] Komkrit Chooruang，Pongpat Mangkalakeeree.Wireless Heart Rate Monitoring System Using MQTT[J].Procedia Computer Science，2016，86：160-163.

[2] Pavel Masek，et al.Implementation of True IoT Vision：Survey on Enabling Protocols and Hands-On Experience[J].International Journal of Distributed Sensor Networks，2016，2016：1-18.

[3] T.A.Abdulrahman，et al.Design，Specification and Implementation of a Distributed Home Automation System[J].Procedia Computer Science，2016，94：473-478.

[4] 姜仲，刘丹.ZigBee技术与实训教程[M].北京：清华大学出版社，2014：137-140.

[5] 王浩，浦灵敏.物联网技术应用开发[M].北京：中国水利水电出版社，2015：113-115.

[6] 张少军.无线传感器网络技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2010：156-160.

[7] 高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天出版社，2009：128-134.

[8] 潘伟.基于ZigBee技术的无线传感网络研究[J].计算机技术与发展，2008，18（9）：24-27.

作者简介：

王 浩（1971-），男，硕士，副教授.研究领域：物联网工程应用研究.

王 东（1969-），男，博士，教授.研究领域：RFID应用工程技术与系统研究.