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編者注：本文作者為Akiba，原發(fā)于FreakLabs。
很多人問過我關于燈光控制和排序的問題，其中涉及到安裝、顯示和可穿戴設計等方方面面，所以我想干脆做一個詳細的教程好了！
為此我制作了一個文本教程和一個視頻教程，其中視頻教程分為兩部分，如下所示：
視頻一：怎么使用Arduino和Vixen控制發(fā)光序列
時間線：
00:15 - 在面包板上搭建LED電路
01:46 - 配置Vixen軟件
03:40 - 設置新的發(fā)光順序
05:12 - 檢查音序的串行輸出
07:08 - 編寫Arduino代碼解碼音序數(shù)據(jù)
10:28 - 在Arduino 系統(tǒng)上測試發(fā)光序列
視頻二：怎么使用無線的方式控制發(fā)光序列
時間線：
00:32 - 將原來的系統(tǒng)改成收發(fā)器系統(tǒng)
01:05 - 寫出freakduino發(fā)送器代碼
03:00 - 寫入freakduino接收器代碼
04:52 - 使用Vixen測試無線系統(tǒng)
05:48 - 使用晶體管實現(xiàn)LED發(fā)光條和控制電路的交互
06:55 - 戶外測試
07:42 - 實例：花式調(diào)酒和Wrecking Crew Orchestra樂隊
而視頻上看不明白的，就讓我們用文字來解決。首先讓我們一起來研究一下怎么使用有線的方式實現(xiàn)對LED發(fā)光的控制，這樣操作起來更加簡單，對于新手來說這一步也格外關鍵。
準備Arduino、面包板和六顆LED燈，按下圖的方式進行連接：
這里我們選擇的是D2~D7這六個輸出口連接LED，注意在LED和每個接口之間需要串接一個100Ω的限流電阻。因為LED只需要20mA的電流即可正常發(fā)光，串接100Ω的電阻差不多剛好能讓標準LED獲得良好的表現(xiàn)。按照電路圖連接好之后是這樣的：
首先你可以測試一下LED能不能閃，如果你能控制LED閃爍，你就能控制LED的一切。一旦你學會了控制LED，控制其它電子設備也就是說手到擒來的事情。
Vixen
接下來我們來了解一下Vixen軟件，這是一款免費軟件。之前我曾經(jīng)用Vixen 2開發(fā)過一個項目，但Vixen 2用起來老是崩潰，還好現(xiàn)在我們有Vixen 3版本了。另外必須注意的一點是Vixen 3支持的系統(tǒng)至少要是Windows 7，并不支持Windows XP。點擊這里下載。
Vixen 3的設置比Vixen 2要稍微復雜一點，你必須先摸索一下其將發(fā)光方式映射到輸出上的方式。（視頻上的解釋更容易懂一點，但是因為說的是英語，我們還是看看文字版吧。）
首先需要配置我們將會用到的發(fā)光元素。因為我們只有6個LED，所以我們只需要配置6個單獨的元素，其中每個元素都是可調(diào)節(jié)的燈光或設備，發(fā)光等級從0-255可調(diào)。
另外，你還可以設置調(diào)光曲線和顯示顏色。調(diào)光曲線很容易上手，因為許多LED更多是使用對數(shù)調(diào)光，而不是線性調(diào)光。你可以很輕松地設置設備的線性變化，讓它們的發(fā)光亮度在0-255之間均勻變化。
接下來我們需要設置音序器的輸出，這里需要用到通用串行端口輸出將數(shù)據(jù)輸出到串口，此處需要設置輸出的信道的數(shù)量。其將會通過串口為每一個信道一次輸出一個值。在本項目中，我們需要設置發(fā)光單元和信道的一一對應，所以我們需要創(chuàng)建6個信道。
然后設置串口參數(shù)。Vixen 3在這方面比Vixen 2進步不少，因為Vixen 2只能使用計算機的COM1-4，而Vixen 2則能夠自動檢測計算機的所有串口，并且還都可以使用。串口的設置相對標準，這里采用的參數(shù)是57600 bps, 8位, 無奇偶校驗和1位停止位。
接下來，配置音序器輸出發(fā)送頭文件，該文件是一個ASCII的“+>”，該頭文件能夠幫助軟件實現(xiàn)同步已避免出現(xiàn)掉幀的情況。最壞的情況下，在再次進行同步之前會掉2幀。如果我們設置的時序解析率是10微秒，那么就將出現(xiàn)20微秒的差異，這點時間人類根本無法感知，所以不用擔心。
最后，我們需要將LED和我們的輸出對應起來。因為我們采用的是一一對應的方式，設置方式就很簡單了，只需要高亮發(fā)光元素和信道，然后點擊Patch按鈕即可。完成之后，應該就能看到圖像化的一一對應示意圖了。
到這里，Vixen的設置就完成了。接下來就該設置新的序列了，點擊“Start”按鈕開始設置序列流。
然后點擊New Sequence按鈕，會彈出一個用于創(chuàng)建新序列的窗口，可以看到其中每一個LED對應的序列。
接下來該在時間上加入音頻信號了。
下面我用到了一個內(nèi)置的節(jié)奏檢測器，可以自動根據(jù)音頻的節(jié)奏在時間線上自動進行標記，這讓我們的工作輕松不少。這一步并不是必需的，我們也可以進行手動編輯。
接下來，還需要為已經(jīng)標記的重音設置表現(xiàn)效果。因為這些標記都是自動生成的，為他們設置好的表現(xiàn)效果看起來就像是精確控制的實時表現(xiàn)。你可以設置LED在重音點改變顏色、閃爍或者亮度突變。
Arduino
接下來是Arduino代碼部分。在編程之前，首先需要檢查串口出來的數(shù)據(jù)是什么格式的。不過這一步并不是必須的，只是說能夠加深我們對項目的理解，在書寫代碼時也更加方便。
我利用Arduino的代碼實現(xiàn)了一個狀態(tài)機，通過這個狀態(tài)機，我們可以很容易地實現(xiàn)串行協(xié)議的解碼。
#define MAX_CHANNELS 6
int ch;
int state;
int chVal[MAX_CHANNELS] = {0};
int pins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7};
enum states
{
IDLE,
DELIM,
READ,
DISP
};
void setup()
{
for (ch=0; ch<MAX_CHANNELS; ch++)
{
pinMode(pins[ch], OUTPUT);
digitalWrite(pins[ch], LOW);
}
state = IDLE;
ch = 0;
Serial.begin(57600);
}
void loop()
{
if (Serial.available())
{
switch (state)
{
case IDLE:
ch = 0;
if (Serial.read() == '+')
{
state = DELIM;
}
else
{
state = IDLE;
}
break;
case DELIM:
ch = 0;
if (Serial.read() == '>')
{
state = READ;
}
else
{
state = IDLE;
}
break;
case READ:
chVal[ch++] = Serial.read();
if (ch >= MAX_CHANNELS)
{
ch = 0;
state = DISP;
}
break;
case DISP:
state = IDLE;
for (ch=0; ch<MAX_CHANNELS; ch++)
{
if (chVal[ch] > 0)
{
digitalWrite(pins[ch], HIGH);
}
else
{
digitalWrite(pins[ch], LOW);
}
}
break;
}
}
}
這個狀態(tài)機擁有4個狀態(tài)，第一個狀態(tài)為空閑（IDLE）狀態(tài)，該狀態(tài)為默認狀態(tài)。在該狀態(tài)時，程序等待“+”符號，這是幀標記的起點?！?”進入后，狀態(tài)機進入第二個狀態(tài)DELIM。在此狀態(tài)下，程序等待第二個分隔符標記“>”，此符號到來后則幀開始運作。這樣做可以減少出現(xiàn)誤報幀的可能，畢竟按一定的序列出現(xiàn)兩個特定符號的可能性還是比較小的。
兩個符號齊備了之后，狀態(tài)機進入第三個狀態(tài)READ，此時讀取剩余的幀，并將其存儲到數(shù)組中。完成之后，狀態(tài)機過渡到DISP狀態(tài)。此時我們就要展示我們的數(shù)據(jù)了。在該狀態(tài)下，我們會循環(huán)數(shù)組中的每個數(shù)值，如果該數(shù)組是非零的，那么就將LED打開，否則就關閉LED。如果我們在這些引腳上再配置上PWM（脈沖寬度調(diào)制），就能實現(xiàn)對LED光亮度的控制。但為了教程的簡單，這里暫時只使用了簡單的開關功能。
上面也就基本上實現(xiàn)了Arduino對LED的控制。接下來我們將換用無線的方式來實現(xiàn)這樣的功能。
無線
在開發(fā)這個項目時我將Arduino換成了Freakduino，不過本質(zhì)上都是一樣的。
這里我使用的是900 MHz大覆蓋面積版的Freakduino，這個版本的無線穿墻效果不錯，范圍也比較大。另外，900MHz頻段的干擾也比較少，很少WiFi具有這個頻段，在人多的地方進行表演時，這一點格外重要。
#include <chibi.h>
#define MAX_CHANNELS 6
#define MY_ADDR 5
#define DEST_ADDR 3
int ch;
int state;
byte chVal[MAX_CHANNELS] = {0};
enum states
{
IDLE,
DELIM,
READ,
DISP
};
void setup()
{
state = IDLE;
ch = 0;
chibiInit();
chibiSetShortAddr(MY_ADDR);
Serial.begin(57600);
}
void loop()
{
if (Serial.available())
{
switch (state)
{
case IDLE:
ch = 0;
if (Serial.read() == '+')
{
state = DELIM;
}
else
{
state = IDLE;
}
break;
case DELIM:
ch = 0;
if (Serial.read() == '>')
{
state = READ;
}
else
{
state = IDLE;
}
break;
case READ:
chVal[ch++] = Serial.read();
if (ch >= MAX_CHANNELS)
{
ch = 0;
state = DISP;
}
break;
case DISP:
state = IDLE;
chibiTx(DEST_ADDR, chVal, MAX_CHANNELS);
break;
}
}
}
首先讓我們來看看發(fā)送器代碼，這個代碼和上面有線版本的代碼大致類似。其中最主要的不同點是我們需chibiArduino來通過無線的方式來發(fā)送代碼。chibiArduino是一個無線協(xié)議棧，是我根據(jù)開放的IEEE 802.15.4標準編寫的，我已經(jīng)在配置和特性上對其進行了很大程度的簡化，你只需要簡單地啟動它就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)了。不過對一般用戶而言，使用什么樣的通信標準其實都沒有關系。
仔細研究一下代碼，你會發(fā)現(xiàn)其中還新定義了源地址和目標地址。源地址是我們自己的地址，而目標地址則是數(shù)據(jù)需要發(fā)送到的地址。
我也使用chibiInit()函數(shù)初始化了chibiArduino棧，這一步會將棧和寄存器設置成默認值，并使其為數(shù)據(jù)接收做好準備。chibiSetShortAddr()函數(shù)則可以根據(jù)我們設置的設備地址和其它設備建立通信。我們只需要設置短地址一次就可以了，然后改地址會被存儲到非易失性存儲器中。但在這個項目中，我們每一次開機都要對地址進行設置。
我們?nèi)匀皇褂肰ixen的狀態(tài)機來實現(xiàn)對串行協(xié)議的解碼。在循環(huán)代碼中，在DISP狀態(tài)的主要不同在于我們不再循環(huán)數(shù)據(jù)數(shù)列和開關LED，我們將數(shù)列和通過無線的方式發(fā)送給接收器，這一步通過chibiTx()函數(shù)實現(xiàn)。chibiTx()含有三個參數(shù)：目標地址、以數(shù)列形式存儲的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的長度。
#include <chibi.h>
#define MAX_CHANNELS 6
#define MY_ADDR 3
#define DEST_ADDR 5
int pins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7};
int i;
void setup()
{
for (i=0; i<MAX_CHANNELS; i++)
{
pinMode(pins[i], OUTPUT);
digitalWrite(pins[i], LOW);
}
chibiInit();
chibiSetShortAddr(MY_ADDR);
Serial.begin(57600);
}
void loop()
{
int i;
// Check if any data was received from the radio. If so, then handle it.
if (chibiDataRcvd() == true)
{
int len, rssi, src_addr;
byte buf[100]; // this is where we store the received data
// retrieve the data and the signal strength
len = chibiGetData(buf);
// discard the data if the length is 0. that means its a duplicate packet
if (len == 0) return;
rssi = chibiGetRSSI();
src_addr = chibiGetSrcAddr();
// Print out the message and the signal strength
Serial.print("Data from node 0x");
Serial.print(src_addr, HEX);
Serial.print(": ");
for (i=0; i<len; i++)
{
if (buf[i] > 0)
{
digitalWrite(pins[i], HIGH);
}
else
{
digitalWrite(pins[i], LOW);
}
Serial.print(buf[i]);
Serial.print(" ");
}
Serial.print(", RSSI = 0x"); Serial.println(rssi, HEX);
}
}
接下來是接收端的代碼。在接收端我們需要接受發(fā)送端傳送的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過LED表現(xiàn)出來。
同樣我們首先設置源地址和目標地址，然后我們初始化引腳和chibi棧。
在循環(huán)函數(shù)中，我們加入了一些新代碼。在循環(huán)函數(shù)中，首先會對數(shù)據(jù)的接受情況進行檢查，如果數(shù)據(jù)接受，則函數(shù)chibiDataRcvd()會返回“真”，然后就接受數(shù)據(jù)。為了接受數(shù)據(jù)，我們聲明了一個len變量，其存儲的是要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)長度以及一個100字節(jié)長度的字節(jié)數(shù)列。為什么要選擇100字節(jié)呢？因為chibiArduino棧的最大負載為100字節(jié)。你可以設置小一點以節(jié)約RAM。
然后chibiGetData()函數(shù)被作為字節(jié)數(shù)列的一個參數(shù)調(diào)用。其將會將接收到的數(shù)據(jù)逐個寫入到這個字節(jié)數(shù)列中，并返回接收數(shù)據(jù)的長度。另外，我們進行了一下長度檢查，以防止數(shù)據(jù)長度為0的情況。如果長度為0，則說明我們之前已經(jīng)接受到過這個數(shù)據(jù)，這是一個重復的數(shù)據(jù)包。接收到的數(shù)據(jù)應該包含6個字節(jié)，接下來就是逐個字節(jié)檢查，并將對應的LED的亮度進行相應的調(diào)整。
另外我還在chibiArduino棧中額外增加了一些其它的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不是必需的，但是對調(diào)試等工作有很重要的幫助。比如記錄信號強度的變化，多個源地址可以從多個來源接收信號，同時也可以對可能的設備故障進行檢查，這在戶外應用時還是大有裨益的。
至此，對Arduino和Vixen實現(xiàn)對LED燈光的控制的介紹就完成了，趕快自己做一個來裝飾你的家吧。
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