基于Arduino Pro mini的語音彩燈播報系統

ID:137406 · 發表于 2017-12-6 15:27

一  項目簡介
   睡前給小朋友講故事，哄自己的寶貝睡覺，已經成為很多家長的沉重負擔，特別是很多女性，既要在外面拼搏，又要負責繁重的家務，好不容易想躺一下，不通情達理的心肝寶貝吵著聽故事，真累！
   這款智能設備可以為您分憂解難：通過ardiuno min單片機，語音模塊，RGBLED模塊，機智云平臺，用手機作為控制界面，隨心所欲地控制一個深受小朋友喜愛的，能播放故事，音樂，還能發出五彩繽紛，變幻莫測的燈光，秒殺小主人的無理要求，讓你瞬間從糾纏中解脫出來。

二硬件準備

序號	名稱	規格/型號	數量
1	主機	arduino Pro Mimi	一臺
2	從機	Arduino Pro Mimi	一臺
3	ESP826WiFi模塊	ESP-12F	一個
4	語音模塊	N9200B	一個
5	RGBLED彩燈模塊	WS2812B 16通道	一個
6	微型音箱	8Ω/3W	一個
7	直流過濾器	5V/5A	一個
8	WiFi模式配置按鈕	機械復位	一個
9	濾波電容	60V 1uF	一個
10	兒童硅膠玩具	萌寵小動物	一個
11	TF卡	1G	一個

改裝前的硅膠玩具

改裝后的語音播放彩燈系統

分解后的模塊

完全肢解后的零部件

三  軟件開發環境以及工具
（1）單片機
  1）代碼編輯：Notepad++
  2）編譯工具：Arduino IDE
  3）燒寫工具：OpenJumper
（2）固件燒寫工具
ESP_DOWNLOAD_TOOL_V2.4
（3）手機測試用Demo App
請到機智云物聯網云平臺下載，與本系統配置綁定后立刻可以控制體驗。

四  控制思路
（1）主機
  1）主機MCU1  專注與云端和從機的通信，把采集，處理后的數據發送到相應的設備。
  2）數據點  開關類：啟動/停止播放或燈光，數據類型：布爾值。選項類：確定被控制對象的多項模式，數據類型：枚舉。模擬類：對連續變化變量控制，數據類型：數值。詳細數據內容請參閱下表：

語音彩燈控制系統數據點
顯示名稱	標識名	讀寫類型	數據類型	數值				枚舉	備注
顯示名稱	標識名	讀寫類型	數據類型	分辨率	增量	數據范圍最小值	數據范圍最大值	選項
開關	Switch	可寫	布爾值						設備總開關
播放	Play_Pause	可寫	布爾值						語音開關
播放模式	Play_Mode	可寫	枚舉					全部循環,單循環,隨機播放	語音播放模式
播放內容	Proj_Select	可寫	枚舉					故事會,音樂會	播放選項
單色控制	EVENT_LED_COLOR	可寫	枚舉					關閉,黃色,紫色,粉色	彩燈單色控制
彩燈花樣	Scene	可寫	枚舉					關閉,涂色效果,戲劇追逐效果,彩虹效果	彩燈花樣選擇
音量	Volume	可寫	數值	1	0	0	30		音量控制
選曲模式	Control_Mode	可寫	數值	1	0	0	40		播放順序選擇
環境溫度	Temperature	只讀	數值	1	-13	-13	187		備用
環境濕度	Humidity	只讀	數值	1	0	0	100		備用

（2）從機
  1）語音專用模塊MCU2 專注于解析從主機發來的數據包，依據自身規定的命令集，發揮語音模塊豐富的功能，使用方法請參閱附件“N9200 MP3模塊說明書（不帶配置）v1.3”。

  2）彩燈控制器MCU3 通過開源的Adafruit_NeoPixel函數庫，控制WS2812B彩燈模塊發出五顏六色的絢麗光彩。
五  代碼說明
（1）使用機智云的代碼自動生成工具，方法請參閱bigfanofloT老師的“史上最詳細的Arduino uno R3接入機智云教程”一文。

（2）主機代碼
  1）WiFi配置用代碼的修改

void wifiStatusHandle()
{
//WIFI配置為SOFTAP模式
if(myGizwits.wifiHasBeenSet(WIFI_SOFTAP))
{
sd_data = 'R';//設置標志字符為“R”
Data_Send();//向從機發送點亮RGBLED紅色燈指令
}
//WIFI配置為AIRLINK模式
if(myGizwits.wifiHasBeenSet(WIFI_AIRLINK))
{
sd_data = 'G';//設置標志字符為“G”
Data_Send();//向從機發送點亮RGBLED綠色燈指令
}
//WIFI配置成功
if(myGizwits.wifiHasBeenSet(WIFI_CON_ROUTER))
{
sd_data = 'F';//設置標志字符為“F”
Data_Send();//向從機發送關閉RGBLED燈指令
}

復制代碼
作為配置狀態的顯示手段，WS2812B 16通道RGBLED燈分別在SOFTAP模式時，點亮紅色，AIRLINK模式時，點亮綠色，成功時關閉所有通道的燈。
2）語音模塊控制代碼
語音模塊的指令集比較多，這里只簡單說明幾個數據包如何發送，其他都大同小異，主機完整代碼里面有詳細的注釋，請參閱為盼。下面我們根據廠家提供的N9200B語音模塊的部分指令集，說明一下如何添加這部分的邏輯代碼：

N9200B指令（16進制數據）
指令名稱	指令代碼	反碼	數據長度	數據1	數據2	校驗和
播放	04	FB	01	01	-	01
暫停	04	FB	01	02	-	02
上一曲	04	FB	01	04	-	04
音量控制	06	F9	02	01	VOL	04

①首先需要定義一個多維數組“unsigned char data[7] = {0,0,0,0,0,0,0};”，用于儲存語音數據包。然后根據不同的指令，把16進制的數據添加到下面各個函數的數組中，其中播放，暫停，上一目錄的數據都是常量，只有音量的第二組數據為變量v，由于校驗和w，表示除了校驗和本身之外，所有字節之和，所以校驗和也成了變量w。
②然后創建播放Control_Play()，暫停Control_Pause()，上一目錄Control_Back_dir()以及音量控制Control_Volume()4個函數，這樣在各個邏輯代碼區域就可以調用了。

void Control_Play(){
unsigned char data[7] = {0x04,0xfb,0x01,0x01,0x01};//將播放數據包存進數組儲存器
mySerial1.write(data,7);//將以上數據包發送到語音模塊
}
void Control_Pause(){
unsigned char data[7] = {0x04,0xfb,0x01,0x02,0x02}; //將暫停數據包存進數組儲存器
mySerial1.write(data,7);//將以上數據包發送到語音模塊
}
void Control_Back_dir(){
unsigned char data[7] = {0x04,0xfb,0x01,0x12,0x12};//將上一目錄數據包存進數組儲存器
mySerial1.write(data,7);//將以上數據包發送到語音模塊
}
void Control_Volume(){
unsigned char data[7] = {0x06,0xf9,0x02,0x01,v,w};//將音量數據包存進數組儲存器
mySerial1.write(data,7);//將以上數據包發送到語音模塊
}

復制代碼
③函數的調用
因為音樂控制需要用到變量，下面我們詳細說明一下如何調用音量控制函數對音量進行控制。其他函數的調用大同小異，請舉一反三，與此類推。
(myGizwits.hasBeenSet(EVENT_Volume))，myGizwits.read(EVENT_Volume,&varR_Volume);都是機智云自動生成的代碼，用于讀取云端的數據，我們只管使用就行。
上面介紹過，語音模塊廠家的音量通信指令格式為（06 F9 02 01 v w），其中，v為音量數據，廠家規定音量等級范圍為（0-30），w為校驗和，表示除了校驗和本身之外，所有字節之和，這里我們有一個更簡易的計算方法：w=v+2。下面的第9行代碼就是用這個公式計算校驗和的。第2-6行代碼表示從云端讀取音量變量 varR_Volume的數值，并存入v，當音量在規定范圍內(0 <= v < 31)時，調用 Control_Volume();，注意函數內的數組unsigned char data[7] = {0x06,0xf9,0x02,0x01,v,w};，的變量將被替代成unsigned char data[7] = {0x06,0xf9,0x02,0x01,v,(v+2)};，例如：當將手機的音量滑動條移到20等級的音量位置時，v將存入0x14的16進制數據（十進制20的HEX值），數組將替代成unsigned char data[7] = {0x06,0xf9,0x02,0x01,0x14,0x16};。另外其他的二種狀態：音量小于0時(v < 0)，音量大于最大值時(v > 30)的時候，系統強制限定其回歸規定范圍內，數組變量替代方法以及調用的函數都大同小異，這里不再累述。

//音量控制
if(myGizwits.hasBeenSet(EVENT_Volume))
{
myGizwits.read(EVENT_Volume,&varR_Volume);//Address for storing data
//收到來自云端的音量控制指令
v = varR_Volume;//將云端下發的音量數值存到V
if(0 <= v < 31)//音量在規定范圍內
{
w = v + 2;//計算校驗和，并將結果存入w
Control_Volume();//調用帶有當前音量數值的音量控制函數
}
else if(v < 0)//音量小于0時
{
v = 0;//強制靜音
w = v + 2;//計算校驗和，并將結果存入w
Control_Volume();//調用帶有當前音量數值的音量控制函數
}
else if(v > 30)//音量大于規定值時
{
v = 30;//強制限定到音量最大值
w = v + 2;//計算校驗和，并將結果存入w
Control_Volume();//調用帶有當前音量數值的音量控制函數
}
}

復制代碼
3）RGBLED彩燈控制
由于彩燈運行時，CPU一直以循環的方式依次對彩燈做花樣模式變換控制，非常“忙綠”，如果這時云端有數據進入，會有點應接不暇，所以我們追加了一個從機，專門負責彩燈“事務”，主機和從機都參與了對彩燈的控制，但是主機只專注于將云端的彩燈控制指令收集，分類后通過串口用字符代號轉發給從機，從機利用庫函數進行控制。下面我們分析主機的這部分代碼。

//設定彩燈花樣標志
if(myGizwits.hasBeenSet(EVENT_Scene))
{
myGizwits.read(EVENT_Scene,&varR_Scene);//Address for storing data
switch(varR_Scene){
//自定義
case Scene_VALUE0:
sd_data = 'F';
Data_Send();
break;
//涂色效果
case Scene_VALUE1:
sd_data = 'W';
Data_Send();
break;
//戲劇追逐效果
case Scene_VALUE2:
sd_data = 'C';
Data_Send();
break;
//彩虹效果
case Scene_VALUE3:
sd_data = 'B';
Data_Send();
break;
//default;
//break;
}
}
//binary datapoint handle
myGizwits.process();
}
//發送彩燈控制數據
void Data_Send(){
mySerial2.println(sd_data);
}

復制代碼
①彩燈花樣模式控制    上面代碼的第1-31行，用于彩燈花樣控制，varR_Scene用于讀取云端彩燈場景變量值，然后通過讀取的結果，調用函數。其中Scene_VALUE0-3是機智云根據數據點生成的結構體枚舉數據，一共有4個，根據這4個條件，調用Data_Send();函數，分別發送F,W,C,B 4個字符代號，用于發送給從機執行“關閉，涂色效果，戲劇追逐效果和彩虹效果”等命令。
②WiFi配置狀態顯示彩燈控制
   詳細請參閱本文“1）WiFi配置用代碼的修改”。
（4）從機代碼
   1）語音控制模塊
   模塊是市售成品，沒有開源資料，只有使用說明書，按照說明書提供的指令集就可以用代碼控制了。
   2）彩燈控制器
   該代碼充分利用當下流行的Adafruit_NeoPixel函數庫，作為控制主線，讀取主機串口的指令字符集，判斷相關條件，添加相應代碼，完成對WS2812B  16通道RGBLED彩燈模塊的控制。詳細代碼：

①彩燈花樣控制代碼
   花樣五花百門，時間關系，我們只介紹“戲劇追逐效果”這部分的代碼。
②彩燈花樣函數
“theaterChase()”是一個不斷循環的三色追逐效果函數，只要不斷電，就一直循環下去，除非串口收到字符“F”，循環才會中斷。

void theaterChase(){
Serial.println(ch);
ch = ' '; //清空字符儲存器
while(1){
theaterChase(strip.Color(127, 0, 0), 12); // 紅色-指定第12號燈開始紅色追逐
theaterChase(strip.Color(0, 127, 0), 12); // 綠色-指定第12號燈開始綠色追逐
theaterChase(strip.Color( 0, 0, 127), 12); // 藍色-指定第12號燈開始藍色追逐
ch = Serial.read(); //讀取串口數據
if(ch == 'F'){
RGB_LED_Off(); //當串口收到字符“F”，脫出死循環，關閉所有通道的LED燈
break;
}
}
return;
}

復制代碼
③花樣函數的調用
字符：“C”是主機通過串口發過來的，在手機界面上的意思是啟動“戲劇追逐效果”場景，從機收到這個字符后，會立刻調用“theaterChase();”函數，這樣RGBLED彩燈就會發出絢麗奪目的光亮了。

void loop() {
if(Serial.available() > 0){
ch = Serial.read();
}
switch(ch){
case 'C':theaterChase();break;//戲劇追逐效果
default :
break;
}
}

復制代碼
上面通過舉例，說明了該系統的部分代碼，更詳細和完整的內容，請參閱附件的“ardiuno完整代碼”。為方便大家分享，附件還添加了電路圖，代碼，模塊，固件燒寫包等詳細資料，請查閱為盼。鑒于篇幅所限，未能提供更多的說明，這方面的教程，請參閱Genius，admin以及bigfanofloT等老師的文章，里面都有非常詳細，非常實用的內容。
感謝大家的關注，如有不妥之處，懇請批評指正。

作者：清風duino

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基于Arduino Pro mini的語音彩燈播報系統