“物联网开发实战”学习笔记-（二）手机控制智能电灯

如果搭建好硬件平台后，这一次我们的任务主要是调试好智能电灯，并且连接到腾讯云的物联网平台。

腾讯云物联网平台

腾讯物联网平台的优势：

腾讯云链接: link.
到物联网平台的原因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。

1.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。
2.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

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”。

创建一个新产品“智能电灯”。

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，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。

定义物模型

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。

完成“交互开发”配置

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。
设备名称、设备秘钥和产品 ID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 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。

硬件调配

这里有github上的对这个详细介绍：链接: link.
这里通过的开发板 NodeMCU 上的 GPIO 管脚来控制 LED 等的颜色。这里有好多个颜色，不用管这么多，只要关注带浅黄色背景的“**GPIO”**的几个管脚就够了。
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。

这个是老师创建的 LED 类文件

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()

使用继电器控制电灯的开关

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。
这里使用的一款基于 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”。
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。
这个是创建的 Relay 类文件，提供参考

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。电路中各模块的连线情况，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)

使用MQTT实现远程控制

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，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')

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。
NodeMCU 连接到 Wi-Fi 路由器可以通过串口 REPL 来完成，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、用户名和密码。我把这些参数整理到了一张表里

用户名和密码不太好手动生成，我们可以借助网页工具（百度下在线生成用户名和密码）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())

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": ""
  }
}

通过手机小程序控制电灯

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。

这里可以用手机来远程控制智能电灯的开关状态和颜色了。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。