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[K10项目分享] 基于 ESP-IDF 和行空板 K10 的智能风扇与 LED 灯带控制系统

本帖最后由云天于 2025-9-1 13:24 编辑

在当今的智能硬件时代，将物联网技术应用于日常生活中的设备控制，不仅可以提升生活的便利性，还能增添许多乐趣。本文将介绍如何使用 ESP-IDF 开发框架和行空板 K10 开发板，实现一个智能风扇和 LED 灯带控制系统。通过这个项目，你可以远程控制风扇的开关、速度调节，以及 LED 灯带的颜色和闪烁模式，打造一个个性化的智能环境。

【项目背景】
随着智能家居概念的普及，越来越多的家庭开始尝试将各种设备接入智能控制系统。行空板 K10 是一款功能强大的开发板，它集成了 ESP32 芯片，具备强大的网络连接能力和丰富的 GPIO 接口，非常适合用于开发智能硬件项目。ESP-IDF 是 ESP32 官方的开发框架，提供了底层硬件操作和网络通信的全面支持，能够帮助开发者高效地实现各种功能。
【硬件准备】

行空板 K10：作为主控制器，负责运行程序和处理各种指令。
电磁继电器模块：用于控制风扇的开关，连接到行空板的 P0 引脚。
LED 灯带：连接到行空板的 P1 引脚，用于实现各种灯光效果。
风扇（微动开关）：通过电磁继电器连接到行空板，实现远程控制。
电源适配器：为风扇和 LED 灯带提供稳定的电源。
连接线：用于连接各个模块。

【软件环境】

Visual Studio Code：一个轻量级但功能强大的代码编辑器，支持 ESP-IDF 开发。
ESP-IDF：ESP32 的官方开发框架，提供底层硬件操作和网络通信功能。
MCP Server：一个用于设备控制和通信的轻量级服务器框架，方便实现远程控制功能。

学习小智AI终端控制GPIO[简单教程]，完成代码修改。

【功能实现风扇控制】
风扇的控制通过电磁继电器实现。我们定义了一个 lamp_light 类来封装风扇的控制逻辑。通过 MCP Server 提供的接口，可以远程获取风扇的运行状态、打开、关闭以及调节速度。

获取风扇状态：通过风扇.获取运行状态接口，返回风扇的当前开/关状态。
打开风扇：通过风扇.打开接口，控制电磁继电器闭合，启动风扇。
关闭风扇：通过风扇.关闭接口，控制电磁继电器断开，停止风扇。
提速一档：通过风扇.提速一档接口，模拟风扇速度调节功能。

新建文件“lamp_oc.h”：

#include "mcp_server.h"
#include <esp_log.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#define TAG1 "风扇事件："

class lamp_light  {          // 1. 类名改成 lamp_light 
private:
    bool power_ = false;
    gpio_num_t gpio_num_;
    int bs=0;

public:
    explicit lamp_light (gpio_num_t gpio_num) : gpio_num_(gpio_num) {
        gpio_config_t cfg = {
            .pin_bit_mask = (1ULL << gpio_num_),
            .mode = GPIO_MODE_OUTPUT,
            .pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE,
            .pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE,
            .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE,
        };
        ESP_ERROR_CHECK(gpio_config(&cfg));
        gpio_set_level(gpio_num_, 0);       //初始化为低电平

        /* 2. 把 MCP 工具名改成风扇相关 */
        
        auto& server = McpServer::GetInstance();
        server.AddTool("风扇.获取运行状态", "返回风扇的开/关状态",      // 工具名称   , 工具描述    
                       PropertyList(), [this](const PropertyList&) {

                           ESP_LOGW(TAG1, "获取到了风扇的当前状态，当前状态为%s", power_ ? "开" : "关");     //日志记录
                           return power_ ? "{"运行状态：":风扇是开着的！}" : "{"运行状态：":风扇是关着的！}";       //返回状态
                       
                       });
   
        server.AddTool("风扇.打开", "打开风扇",     // 工具名称   , 工具描述
                       PropertyList(), [this](const PropertyList&) {
                        if(bs==0){
                           power_ = true;
                           gpio_set_level(gpio_num_, 1);    //设置为高电平
                           // 等待0.2秒
                           vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                           gpio_set_level(gpio_num_, 0);    //设置为低电平
                           bs=1;
                           ESP_LOGW(TAG1, "已打开风扇！");   //日志记录
                           return true;     //返回告诉小智执行成功！
                        }
                        else{
                            return false;     //返回告诉小智执行不成功！ 
                        }
                       });

        server.AddTool("风扇.关闭", "关闭风扇",     // 工具名称   , 工具描述
                       PropertyList(), [this](const PropertyList&) {
                        if(bs!=0){
                            power_ = false;
                            switch(bs){
                            case 1:gpio_set_level(gpio_num_, 1);    //设置为高电平
                                  // 等待0.2秒
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 0);    //设置为低电平
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 1);    //设置为高电平
                                  // 等待0.2秒
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 0);    //设置为低电平
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 1);    //设置为高电平
                                  // 等待0.2秒
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 0);    //设置为低电平
                                  break;
                            case 2:gpio_set_level(gpio_num_, 1);    //设置为高电平
                                  // 等待0.2秒
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 0);    //设置为低电平
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 1);    //设置为高电平
                                  // 等待0.2秒
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 0);    //设置为低电平
                                  break;
                            case 3:gpio_set_level(gpio_num_, 1);    //设置为高电平
                                  // 等待0.2秒
                                  vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                                  gpio_set_level(gpio_num_, 0);    //设置为低电平
                                  break;
                           }
                           bs=0;
                           ESP_LOGW(TAG1, "已关闭风扇！");    //日志记录
                           return true;     //返回告诉小智执行成功！
                        }
                        else{
                            return false;     //返回告诉小智执行不成功！ 
                        }
                       });
        server.AddTool("风扇.提速一档", "提速一档",     // 工具名称   , 工具描述
                        PropertyList(), [this](const PropertyList&) {
                            power_ = false;
                        if(bs!=0 && bs!=3 ){
                            gpio_set_level(gpio_num_, 1);    //设置为高电平
                            // 等待0.2秒
                            vTaskDelay(0.2 / portTICK_PERIOD_MS * 1000);
                            gpio_set_level(gpio_num_, 0);    //设置为低电平
                            ESP_LOGW(TAG1, "已提速一档！");    //日志记录
                            bs++;
                            return true;     //返回告诉小智执行成功！
                        }
                        else{
                            return false;     //返回告诉小智执行不成功！  
                        }
                        });
    }
};
复制代码

【LED 灯带控制】
LED 灯带的控制通过 LedStripControl 类实现。该类提供了多种方法来控制灯带的亮度、颜色和闪烁模式。

获取亮度：通过 LED灯带.获取亮度接口，返回当前的亮度等级。
设置亮度：通过 LED灯带.设置亮度接口，调整灯带的亮度。
设置单个灯颜色：通过 LED灯带.设置单个灯颜色接口，控制灯带上某个特定位置的灯的颜色。
设置所有灯颜色：通过 LED灯带.设置所有灯颜色接口，统一设置灯带上所有灯的颜色。
闪烁：通过 LED灯带.闪烁接口，让灯带以指定的颜色和间隔闪烁。
跑马灯：通过 LED灯带.跑马灯接口，实现跑马灯效果。
关闭灯带：通过 LED灯带.关闭接口，关闭灯带。

修改“led_control.cc”文件内容：

#include "led_control.h"
#include "settings.h"
#include "mcp_server.h"
#include <esp_log.h>


#define TAG2 "灯带事件："

int LedStripControl::LevelToBrightness(int level) const {
    if (level < 0) level = 0;
    if (level > 8) level = 8;
    return (1 << level) - 1;  // 2^n - 1
}

StripColor LedStripControl::RGBToColor(int red, int green, int blue) {
    return {static_cast<uint8_t>(red), static_cast<uint8_t>(green), static_cast<uint8_t>(blue)};
}

LedStripControl::LedStripControl(CircularStrip* led_strip_my) 
    : led_strip_(led_strip_my) {
    // 从设置中读取亮度等级
    Settings settings("led_strip_my");
    brightness_level_ = settings.GetInt("brightness", 4);  // 默认等级4
    led_strip_->SetBrightness(LevelToBrightness(brightness_level_), 4);

    auto& mcp_server = McpServer::GetInstance();
    mcp_server.AddTool("LED灯带.获取亮度",
        "获取LED灯带的亮度（0-8）",
        PropertyList(), [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
            return brightness_level_;
        });

    mcp_server.AddTool("LED灯带.设置亮度",
        "设置LED灯带的亮度（0-8）",
        PropertyList({
            Property("level", kPropertyTypeInteger, 0, 8)
        }), [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
            int level = properties["level"].value<int>();
            ESP_LOGI(TAG2, "Set LedStrip brightness level to %d", level);
            brightness_level_ = level;
            led_strip_->SetBrightness(LevelToBrightness(brightness_level_), 4);

            // 保存设置
            Settings settings("led_strip_my", true);
            settings.SetInt("brightness", brightness_level_);

            return true;
        });

    mcp_server.AddTool("LED灯带.设置单个灯颜色", 
        "设置单个LED灯的颜色。", 
        PropertyList({
            Property("index", kPropertyTypeInteger, 0, 23),
            Property("red", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("green", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("blue", kPropertyTypeInteger, 0, 255)
        }), [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
            int index = properties["index"].value<int>();
            int red = properties["red"].value<int>();
            int green = properties["green"].value<int>();
            int blue = properties["blue"].value<int>();
            ESP_LOGI(TAG2, "Set led strip single color %d to %d, %d, %d",
                index, red, green, blue);
            led_strip_->SetSingleColor(index, RGBToColor(red, green, blue));
            return true;
        });

    mcp_server.AddTool("LED灯带.设置所有灯颜色", 
        "设置所有LED灯的颜色。", 
        PropertyList({
            Property("red", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("green", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("blue", kPropertyTypeInteger, 0, 255)
        }), [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
            int red = properties["red"].value<int>();
            int green = properties["green"].value<int>();
            int blue = properties["blue"].value<int>();
            ESP_LOGI(TAG2, "Set led strip all color to %d, %d, %d",
                red, green, blue);
            led_strip_->SetAllColor(RGBToColor(red, green, blue));
            return true;
        });

    mcp_server.AddTool("LED灯带.闪烁", 
        "让LED灯带闪烁。", 
        PropertyList({
            Property("red", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("green", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("blue", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("interval", kPropertyTypeInteger, 0, 1000)
        }), [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
            int red = properties["red"].value<int>();
            int green = properties["green"].value<int>();
            int blue = properties["blue"].value<int>();
            int interval = properties["interval"].value<int>();
            ESP_LOGI(TAG2, "Blink led strip with color %d, %d, %d, interval %dms",
                red, green, blue, interval);
            led_strip_->Blink(RGBToColor(red, green, blue), interval);
            return true;
        });

    mcp_server.AddTool("LED灯带.跑马灯", 
        "让LED灯带跑马灯。", 
        PropertyList({
            Property("red", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("green", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("blue", kPropertyTypeInteger, 0, 255),
            Property("length", kPropertyTypeInteger, 1, 7),
            Property("interval", kPropertyTypeInteger, 0, 1000)
        }), [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
            int red = properties["red"].value<int>();
            int green = properties["green"].value<int>();
            int blue = properties["blue"].value<int>();
            int interval = properties["interval"].value<int>();
            int length = properties["length"].value<int>();
            ESP_LOGI(TAG2, "Scroll led strip with color %d, %d, %d, length %d, interval %dms",
                red, green, blue, length, interval);
            StripColor low = RGBToColor(4, 4, 4);
            StripColor high = RGBToColor(red, green, blue);
            led_strip_->Scroll(low, high, length, interval);
            return true;
        });
        mcp_server.AddTool("LED灯带.关闭",
            "关闭LED灯带",
            PropertyList(), [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                ESP_LOGI(TAG2, "Turn off led strip");
                led_strip_->clear();  // 清除所有LED灯的颜色，即关闭灯光
                return true;
            });

}
复制代码

【注册设备】
“df_k10_board.cc”——物联网初始化，添加对 AI 可见设备

#include "lamp_oc.h"
    // 物联网初始化，添加对 AI 可见设备
    void InitializeIot() {

        led_strip_ = new CircularStrip(GPIO_NUM_2, 24);
        new LedStripControl(led_strip_);
        static lamp_light lamp_light(GPIO_NUM_1);
        
    }
复制代码

行空板k10上的P0与P1引脚对应“GPIO_NUM_1”，与“GPIO_NUM_2”。参考https://img.dfrobot.com.cn/wikicn/5cabf4771804207b131ae8cb/36b61e6635492b977df87d55fe5dca4e.pdf
基于 ESP-IDF 和行空板 K10 的智能风扇与 LED 灯带控制系统图1

另：在led/circular_strip.cc中增加“关闭LED灯”函数。

void CircularStrip::clear() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    led_strip_clear(led_strip_);
    led_strip_refresh(led_strip_);
}
复制代码

【演示视频】

【项目总结】
通过这个项目，我们成功实现了基于 ESP-IDF 和行空板 K10 的智能风扇和 LED 灯带控制系统。通过简单的代码实现，你可以远程控制风扇的开关和速度调节，以及 LED 灯带的颜色和闪烁模式。这个项目不仅展示了 ESP-IDF 和行空板的强大功能，还为智能家居爱好者提供了一个有趣的实践案例。你可以根据自己的需求进一步扩展和优化这个项目，例如添加更多的传感器或实现更复杂的控制逻辑，让智能家居生活更加丰富多彩。希望这篇文章能够激发你的创造力，推动你探索更多有趣的智能硬件项目！

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