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17 | 远程控制：怎样打造联网的智能电灯？
你好，我是郭朝斌。
在上一讲，我们把智能电灯开发的实验环境搭好了。今天，我们就一起去完成智能电灯的开发工作，并且连接到腾讯云的物联网平台吧（如有需要，你可以根据这份文档自行采购相关硬件）。
那为什么一定要连接到一个物联网平台呢？这是因为物联网平台提供了基本的设备管理功能，可以帮助我们更快速地实现设备的远程控制功能。比如说，我们可以通过“腾讯连连”小程序，来控制电灯的状态，而不用自己花费时间和精力去写相应的代码等工作。
物联网平台上需要做什么准备？
那为什么要选择腾讯云的物联网平台呢？
主要是两个原因。一方面是，它的平台是开放注册的，我们普通的用户也可以注册来使用，不像很多平台那样需要企业用户才能注册。另一方面是，腾讯云提供的交互方式非常方便，不需要编译，或者下载其他App，在微信上用小程序就可以进行。
注册与登录
确定了要接入腾讯云的物联网平台以后，我们就需要先在这个平台上做一些准备工作了。准备工作的第一步，当然就是你得先注册个账号并且登录。注册和登录的流程非常简单，你打开这个链接，一眼就能看明白。
创建项目和产品
登录之后，我们直接进入准备工作的第二步，创建项目和产品。我们先在物联网开发平台创建一个新项目“智能家居”。
然后，进入这个“智能家居”项目，创建一个新产品“智能电灯”。到这里，我们需要简单设置几个参数：
- 产品品类，直接选择“智能生活”-->“电工照明”-->“灯”。
- 认证方式选择密钥认证，这个比较简单，而且适合我们的开发板NodeMCU。
- 通信方式，选择Wi-Fi。
- 数据协议选择“数据模板”，也就是基于物模型来解析数据。
设置完成后，我们就可以点击进入智能电灯这个产品了，然后开始定义物模型。
物模型在哪里使用？
点击进入产品，我们可以看到“数据模板”界面中列出了“电灯开关”“亮度”“颜色”和“色温”等属性和事件。这些都是平台根据上一步选择的产品品类，自动生成的。
当然了，我们也可以通过“导入 JSON”的方式，把我们在第6讲编写的 JSON 文本导入，完成产品功能的定义。
定义好物模型之后，我们就完成了“设备开发”的工作，需要继续完成“交互开发”配置了。
交互界面如何定义？
在“交互开发”界面中，我们需要关注两个配置项：“使用官方小程序控制产品”的选项要保持打开，因为我们后面要通过小程序来控制智能电灯；在“扫一扫产品介绍”配置项中，设置产品图片和备注信息。
其他项目，比如“配置引导”“面板配置”和“快捷入口配置”，我们保持默认配置就行，当然你也可以根据自己的喜好进行调整。
这些都配置好之后，我们就可以开始准备“调试设备”的配置了。
为调试设备做准备
在“设备调试”界面中，我们创建一个测试设备。点击“新建设备”，输入设备名称“Led_1”。
创建成功后，在测试设备列表中，点击“Led_1”，进入设备的详情页面：
在这个“设备信息”标签页，我们可以看到“设备名称”“设备秘钥”和“产品ID”的信息。我们需要把这些信息记录下来，因为在后面设备的开发中需要用到。
这里有一点我们要注意下。设备名称（DeviceName）、设备秘钥（SecretKey）和产品ID（ProductID）也经常被称为设备三元组。它完整地标识了一个设备。在调试阶段，设备名称可以手动命名，不过在正式应用中，为了保证设备名称的唯一性，平台会帮你自动生成设备名称。
另外，在“设备调试”标签页，你需要点击下图中“二维码”，获取这个设备的二维码，并保存好。因为在后面的步骤中，你需要使用“腾讯连连”小程序扫描这个二维码，将设备添加到小程序中。
这是我在这个配置界面中定义的产品的二维码。
这个二维码的信息内容，如下所示：
{"DeviceName":"Led_1","ProductId":"XNXP231VQA","Signature":"2aa86e4e826b49b2a93949955f50761"}
可以看到，这个链接中主要包含了产品ID的信息。每个产品 ID 是唯一的，所以你的产品 ID 与这个不同。
到这里，我们就完成了腾讯云的物联网开发平台的准备工作。接下来，我们就要实打实地在开发板上，实现一个功能更加完善的智能电灯产品了。
如何打造智能电灯设备？
在上一讲，我们用代码实现了开发板上LED的控制。不过那个功能非常简单，为了让我们的智能电灯功能更完善，效果更酷炫，我们可以开发更多的功能，主要包括控制LED灯的颜色、开关，并能够实现远程控制。
我们先看看如何控制灯的颜色。
如何控制 LED 灯的颜色？
我们使用的 RGB LED 灯模块，是使用 PWM （Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）来实现控制 LED 的颜色和亮度的。PWM的原理是，通过芯片的数字管脚（GPIO）来获得模拟电路信号的输出，它会控制芯片管脚在高电平和低电平之间进行快速切换。
那如何产生不同的 PWM 信号呢？这涉及到 2 个 PWM 信号的参数：频率和占空比。PWM 信号是一个方波信号，如下图的样子：
频率，是指1秒内方波的周期个数，一个周期包含一个完整的高、低电平变化。比如一个周期是 20 ms（毫秒），那么通过计算：
1000毫秒/20毫秒 = 50Hz
我们可以知道方波的频率是50 Hz（赫兹）。
那PWM输出的方波信号的频率不同，会对我们有什么影响呢？
如果频率小于 100 Hz的话，我们的肉眼就会感受到灯的闪烁，甚至产生生理上的不适，比如视觉疲劳、偏头痛等。因此，对于 LED 灯，PWM 的频率必须大于 100Hz，最好在 200Hz以上。对于我们选择的NodeMCU 开发板来说，可以选择它支持的最大值，也就是1000Hz。
在PWM的信号图中，我们还可以看到一个叫做“脉宽时间”的标识，它代表的是一个周期里高电平的占用时间。而所谓的占空比，就是脉宽时间占整个周期时间的比例。比如，脉宽时间是10ms，那占空比的计算公式就是：
10/20 = 50%
占空比等于 50%。关于占空比参数，我需要提前说明一下：在 MicroPython 代码中，占空比 Duty 不是使用百分比数值来表示的，而是 0 到 1023 之间的数值。0 代表占空比为 0%，1023 代表占空比为 100%。
在代码中，当你设置了不同的占空比参数时，对应管脚输出的方波信号也会不同。下图展示了占空比分别为 0%、25%、50%、75% 和 100% 的方波信号，它们的平均电压（下图右侧）逐渐增大。我们正是通过平均电压的变化，达到了控制 LED 颜色和亮度等效果的目的。
关于PWM信号，我们了解这些就够了。接下来，我们解决的问题，就是通过上一讲选定的开发板NodeMCU上的GPIO管脚来控制LED等的颜色了。NodeMCU的管脚图如下所示：
一下子看到这么多管脚，你不要担心，因为只要关注带浅黄色背景的“GPIO”的几个管脚就够了。
我们先考虑一个问题，NodeMCU 开发板中的所有 GPIO 管脚都可以连接 RGB LED 模块吗？
答案是不可以。因为不是所有的 GPIO 管脚都可以输出 PWM 信号。NodeMCU 开发板是基于 ESP8266 芯片的，管脚GPIO0、GPIO2、GPIO4、GPIO5、GPIO12、GPIO13、GPIO14 和 GPIO15 具备 PWM 的输出能力，它们分别对应 NodeMCU 开发板的 D3、D4、D2、D1、D6、D7、D5 和 D8 接口。
因此，我们选择 D1、D2和D3这三个接口，分别连接 RGB LED 模组的红色、绿色和蓝色通道。
这里，我提供一下我创建的LED类文件，供你参考：
from machine import PWM
from machine import Pin
class Led():
"""
创建LED类
"""
def __init__(self, rpin, gpin, bpin, freq=1000):
"""
构造函数
:param pin: 接LED的管脚，必须支持PWM
:param freq: PWM的默认频率是1000
"""
self.pin_red = Pin(rpin)
self.pin_green = Pin(gpin)
self.pin_blue = Pin(bpin)
self.led_red = PWM(self.pin_red, freq = freq)
self.led_green = PWM(self.pin_green, freq = freq)
self.led_blue = PWM(self.pin_blue, freq = freq)
def rgb_light(self, red, green, blue, brightness):
if red in range(256) and \
green in range(256) and \
blue in range(256) and \
0.0 <= brightness and \
brightness <=1.0:
self.led_red.duty(int(red/255*brightness*1023))
self.led_green.duty(int(green/255*brightness*1023))
self.led_blue.duty(int(blue/255*brightness*1023))
else:
print("red green blue must between 0 and 255, and brightness from 0.0 to 1.0")
def deinit(self):
"""
析构函数
"""
self.led_red.deinit()
self.led_green.deinit()
self.led_blue.deinit()
如何控制电灯的开关？
智能电灯的“开”和“关”控制，我们使用继电器来实现。
继电器分为弱电（小电流、低电压）和强电（大电流、高电压）两个部分。其中，弱电的部分可以接微处理芯片；强电部分可以连接交流电设备，比如电风扇、冰箱和灯泡等。继电器其实就像是我们现实生活中“中间人”的角色，它通过电磁器件、或者光耦单元将弱电和强电联系起来，以完成微处理芯片对强电设备的控制。
在这次的实验中，我使用的一款基于 SRD-05VDC-SL-C 型号的电磁继电器。使用中，模块的控制接口，需要连接 NodeMCU 开发板的 GPIO 管脚。我们通过设置这个 GPIO 的输出电平高、低状态，实现控制继电器强电部分电路的“通”和“断”。
需要注意的是：在我们这一讲的实战中，继电器强电部分连接的 LED 灯，属于低电压设备，电压不超过 5V，这是对人体没有危害的电压；我们实战的目的是学习知识，在这个基础上，我们基于安全考虑，不建议把继电器的强电部分，连接220V交流电供电的电灯。
如果你有一定的交流电实践经验，那么在实践时也要注意两点：
- 注意自身和周围人的安全，比如强电部分不要有裸露的电线，一定用绝缘胶带包扎好；
- 弱电部分的供电，不要使用电脑的 USB 接口；为了电脑设备安全，建议使用独立的电源为开发板供电。
我同样把我创建的Relay类文件放在这里，供你参考：
from machine import ADC
from machine import Pin
class Relay():
def __init__(self, pin):
self.relaypin = Pin(pin, Pin.OUT)
self.last_status = 1
def set_state(self, state):
self.relaypin.value(state)
self.last_status = state
智能电灯的整体电路如何搭建？
确定了LED的技术方案和继电器后，我们就可以搭建出智能电灯的电路。我简单画了一下电路中各模块的连线情况，你在连接电路的时候按照这个连线来就行。
电路搭建完成后，你可以运行下面的代码测试一下：
from machine import PWM, Pin
import time
#设置对应红、绿、蓝的三个GPIO管脚
led_red = PWM(Pin(5), freq = 1000)
led_green = PWM(Pin(4), freq = 1000)
led_blue = PWM(Pin(0), freq = 1000)
#继电器的GPIO管脚
relaypin = Pin(16, Pin.OUT)#
#通过PWM的占空比设置颜色
def rgb_light(red, green, blue, brightness):
pwm_red = led_red.duty(int(red/255*brightness*1023))
pwm_green = led_green.duty(int(green/255*brightness*1023))
pwm_blue = led_blue.duty(int(blue/255*brightness*1023))
rgb_light(255, 255, 0, 1.0)
#周期点亮、熄灭
while True:
relaypin.on()
time.sleep(2)
relaypin.off()
time.sleep(2)
远程控制如何实现？
准备好了智能电灯设备后，要实现远程控制，我们还需要让智能电灯连接到物联网平台。那智能电灯如何与物联网平台通信交互呢？这里就要用到MQTT通信协议了。
首先，你需要在NodeMCU开发板上安装一个 MQTT 客户端代码库 umqtt.simple 库。它来自MicroPython官方维护的非内核标准库 micropython-lib，你可以使用upip包管理器来安装。在串口 REPL 中运行下面的命令，就可以完成安装：
>>> import upip
>>> upip.install('micropython-umqtt.simple')
安装命令是不是很简单？但是这里有一个前提要求，就是NodeMCU需要连接到Wi-Fi路由器上，也就是能够访问网络，因为这个安装过程是从网络下载安装文件。
怎么让NodeMCU连接到Wi-Fi路由器呢？你仍然可以通过串口 REPL 来完成。你可以在REPL中依次输入下面的命令来接入网络：
>>> import network
>>> wifi = network.WLAN(network.STA_IF)
>>> wifi.active(True)
>>> wifi.scan()
>>> wifi.isconnected()
>>> wifi.connect('你家中Wi-Fi的SSID', '你家中Wi-Fi密码')
>>> wifi.isconnected()
安装好 umqtt.simple 库之后，我们需要再设置一下物联网平台的MQTT协议交互的 Topic和具体的连接参数。
我们用到的MQTT Topic主要有两个：一个用于发布消息，即消息流向是从设备到物联网平台；另一个用于接收订阅消息，即消息流向是从物联网平台到设备。
#发布消息
$thing/up/property/ProductID/DeviceName
#接收订阅消息
$thing/down/property/ProductID/DeviceName
需要注意的是，ProductID和DeviceName需要替换为我们在上面创建设备的具体值。
设备与物联网平台建立MQTT连接，涉及Broker 服务器地址、端口号、设备ID（ClientID）、用户名（UserName）和密码（Password）。我把这些参数整理到了一张表里，供你参考。
用户名和密码不太好手动生成，我们可以借助一个网页工具来生成。下载完成后，你可以解压缩，得到一些网页原文件，双击打开sign.html，然后在页面输入设备三元组，点击“Generate”即可生成用户名和密码。
有了这些信息，我们就可以开始为智能电灯设备编写MQTT代码了：
from LED import Led
from Button import Button
from Relay import Relay
import time
import uasyncio
import network
import ujson
from umqtt.simple import MQTTClient
"""
Wi-Fi Gateway : SSID and Password
"""
WIFI_AP_SSID = "你家的Wi-Fi SSID"
WIFI_AP_PSW = "你家的Wi-Fi密码"
"""
QCloud Device Info
"""
DEVICE_NAME = "你的设备名称"
PRODUCT_ID = "你的产品ID"
DEVICE_KEY = "你的设备密钥"
"""
MQTT topic
"""
MQTT_CONTROL_TOPIC = "$thing/down/property/"+PRODUCT_ID+"/"+DEVICE_NAME
MQTT_CONTROL_REPLY_TOPIC = "$thing/up/property/"+PRODUCT_ID+"/"+DEVICE_NAME
led = Led(5, 4, 0)
relay = Relay(16)
button = Button(14)
mqtt_client = None
color = 0 #enum 0=red, 1=green, 2=blue
name= "" #light name. it is optional
brightness = 100 # 0%~100%
light_changed = False
async def wifi_connect(ssid, pwd):
sta = network.WLAN(network.STA_IF)
sta.active(True)
sta.connect(ssid, pwd)
while not sta.isconnected():
print("Wi-Fi Connecting...")
time.sleep_ms(500)
def mqtt_callback(topic, msg):
global led, relay, button
global color, name, brightness, light_changed
print((topic, msg))
msg_json = ujson.loads(msg)
if msg_json['method'] == 'control':
params = msg_json['params']
power_switch_tmp = params.get('power_switch')
if power_switch_tmp is not None:
power_switch = power_switch_tmp
relay.set_state(power_switch)
brightness_tmp = params.get('brightness')
if brightness_tmp is not None:
brightness = brightness_tmp
color_tmp = params.get('color')
if color_tmp is not None:
color = color_tmp
name_tmp = params.get('name')
if name_tmp is not None:
name = name_tmp
if brightness_tmp is not None or color_tmp is not None:
light_changed = True
async def mqtt_connect():
global mqtt_client
MQTT_SERVER = PRODUCT_ID + ".iotcloud.tencentdevices.com"
MQTT_PORT = 1883
MQTT_CLIENT_ID = PRODUCT_ID+DEVICE_NAME
MQTT_USER_NAME = "你的用户名"
MQTTT_PASSWORD = "你的密码"
mqtt_client = MQTTClient(MQTT_CLIENT_ID, MQTT_SERVER, MQTT_PORT,MQTT_USER_NAME, MQTTT_PASSWORD, 60)
mqtt_client.set_callback(mqtt_callback)
mqtt_client.connect()
def mqtt_report(client, color, name, switch, brightness):
msg = {
"method": "report",
"clientToken": "clientToken-2444532211",
"params": {
"color": color,
"color_temp": 0,
"name": name,
"power_switch": switch,
"brightness": brightness
}
}
client.publish(MQTT_CONTROL_REPLY_TOPIC.encode(), ujson.dumps(msg).encode())
async def light_loop():
global led, relay, button
global color, name, brightness, light_changed
switch_status_last = 1
LED_status = 1
color = 2 #blue
brightness = 100 #here 100% == 1
led.rgb_light(0, 0, 255, brightness/100.0)
time_cnt = 0
mqtt_client.subscribe(MQTT_CONTROL_TOPIC.encode())
while True:
mqtt_client.check_msg()
switch_status = button.state()
LED_status = relay.state()
if switch_status != switch_status_last:
if switch_status == 0 and switch_status_last == 1:
LED_status = 0 if LED_status else 1
relay.set_state(LED_status)
switch_status_last = switch_status
if light_changed:
light_changed = False
led.rgb_light(255 if color==0 else 0, 255 if color==1 else 0, 255 if color==2 else 0, brightness/100.0)
if time_cnt >= 20:
mqtt_report(mqtt_client, color, name, LED_status, brightness)
time_cnt = 0
time_cnt = time_cnt+1
uasyncio.sleep_ms(50)
async def main():
global mqtt_client
# Wi-Fi connection
try:
await uasyncio.wait_for(wifi_connect(WIFI_AP_SSID, WIFI_AP_PSW), 20)
except uasyncio.TimeoutError:
print("wifi connected timeout!")
# MQTT connection
try:
await uasyncio.wait_for(mqtt_connect(), 20)
except uasyncio.TimeoutError:
print("mqtt connected timeout!")
await uasyncio.gather(light_loop())
uasyncio.run(main())
如何通过手机远程控制？
在完成代码后，我们通过ampy工具或者pyboard.py工具，将这些源代码上传到NodeMCU开发板中。程序开始自动执行，智能电灯自动接入物联网平台。打开物联网平台的设备调试页面，我们就可以看到设备显示“在线”。
点击“调试”，通过调试界面发送MQTT消息来控制智能电灯。
点击“发送”，物联网平台会向设备发送下面这样的消息内容：
{
"method": "control",
"clientToken": "clientToken-e9d920ea-a1f4-4a53-aada-a1d36fbbdd20",
"params": {
"power_switch": 1,
"brightness": 50,
"color": 0,
"color_temp": 0,
"name": ""
}
}
那怎么通过手机小程序控制电灯呢？这也很好实现，我们只需要在小程序上添加设备，就可以使用小程序界面控制了。
打开“腾讯连连”小程序，点击“+”按钮，扫描我们在“设备调试”界面保存的二维码，就完成添加动作了。
然后，点击设备卡片，进入设备交互界面，就可以进行远程控制了。
到这里，我们就可以用手机来远程控制智能电灯的开关状态和颜色了。
小结
在这一讲中，我们边实战边学习了智能电灯的电路组成、程序代码，以及与腾讯云物联网平台进行MQTT通信的相关知识。我再来帮你总结下需要记住的几个核心知识点。
- 基于物联网平台开发产品，我们一般需要完成三件事，分别是物理网平台的创建和设置、智能设备的功能开发（每个产品最重要的部分），以及用户交互界面的开发。
- 物模型是在物联网平台上定义设备的重要概念，你可以将第6讲的物模型直接导入来创建设备。
- PWM 是照明控制中非常重要的一种技术手段，了解了频率和占空比的概念，也就掌握了它的工作原理。
- 智能电灯通过MQTT通信协议与物联网平台交互。在NodeMCU开发板上可以安装一个 MQTT 客户端代码库 umqtt.simple 库，来开发MQTT客户端代码。
其实今天我们控制的 RGB LED 灯只是一颗灯珠，但是在实际产品中，我们很可能要控制多颗 LED。这时候，我们面临的首要问题，就是微控制芯片（MCU）的管脚不够用了。那怎么办呢？
关于这个问题，行业里已经有很多解决方案了。其中，NeoPixel 是开源硬件方案，你可以在网上搜索、了解一下，当然也可以和我多多交流。
思考题
最后，我给你留一道思考题吧。
在物联网平台的设备调试界面，我们可以发送MQTT 消息来控制设备，而且我还给出了具体的消息内容。你可以和我说说，这个消息的主题（Topic）是什么吗？
另外，在智能电灯的功能实现中，我们通过继电器实现了电路通断的控制，通过LED灯实现了颜色的调节。你可以实现一下按钮的功能吗？这样就可以通过设备本身来控制电灯的打开和熄灭了。这也更符合现实中灯的样式。
欢迎你在留言区和我分享你的思考，如果在实战今天的智能电灯控制时遇到了什么问题，也可以和我进一步交流。同时，也欢迎你把今天的内容分享给你的朋友，一起动手实现一个酷炫的智能电灯控制系统吧。