灯光随着音乐动，一起摇摆
编者注：本文作者为Akiba，原发于 FreakLabs 。
很多人问过我关于灯光控制和排序的问题，其中涉及到安装、显示和可穿戴设计等方方面面，所以我想干脆做一个详细的教程好了！
为此我制作了一个文本教程和一个视频教程，其中视频教程分为两部分，如下所示：
视频一：怎么使用Arduino和Vixen控制发光序列
时间线：
00:15 - 在面包板上搭建LED电路
01:46 - 配置Vixen软件
03:40 - 设置新的发光顺序
05:12 - 检查音序的串行输出
07:08 - 编写Arduino代码解码音序数据
10:28 - 在Arduino 系统上测试发光序列
视频二：怎么使用无线的方式控制发光序列
时间线：
00:32 - 将原来的系统改成收发器系统
01:05 - 写出freakduino发送器代码
03:00 - 写入freakduino接收器代码
04:52 - 使用Vixen测试无线系统
05:48 - 使用晶体管实现LED发光条和控制电路的交互
06:55 - 户外测试
07:42 - 实例：花式调酒和Wrecking Crew Orchestra乐队
而视频上看不明白的，就让我们用文字来解决。首先让我们一起来研究一下怎么使用有线的方式实现对LED发光的控制，这样操作起来更加简单，对于新手来说这一步也格外关键。
准备Arduino、面包板和六颗LED灯，按下图的方式进行连接：
这里我们选择的是D2~D7这六个输出口连接LED，注意在LED和每个接口之间需要串接一个100Ω的限流电阻。因为LED只需要20mA的电流即可正常发光，串接100Ω的电阻差不多刚好能让标准LED获得良好的表现。按照电路图连接好之后是这样的：
首先你可以测试一下LED能不能闪，如果你能控制LED闪烁，你就能控制LED的一切。一旦你学会了控制LED，控制其它电子设备也就是说手到擒来的事情。
Vixen
接下来我们来了解一下Vixen软件，这是一款免费软件。之前我曾经用Vixen 2开发过一个项目，但Vixen 2用起来老是崩溃，还好现在我们有Vixen 3版本了。另外必须注意的一点是Vixen 3支持的系统至少要是Windows 7，并不支持Windows XP。点击 这里 下载。
Vixen 3的设置比Vixen 2要稍微复杂一点，你必须先摸索一下其将发光方式映射到输出上的方式。（视频上的解释更容易懂一点，但是因为说的是英语，我们还是看看文字版吧。）
首先需要配置我们将会用到的发光元素。因为我们只有6个LED，所以我们只需要配置6个单独的元素，其中每个元素都是可调节的灯光或设备，发光等级从0-255可调。
另外，你还可以设置调光曲线和显示颜色。调光曲线很容易上手，因为许多LED更多是使用对数调光，而不是线性调光。你可以很轻松地设置设备的线性变化，让它们的发光亮度在0-255之间均匀变化。
接下来我们需要设置音序器的输出，这里需要用到通用串行端口输出将数据输出到串口，此处需要设置输出的信道的数量。其将会通过串口为每一个信道一次输出一个值。在本项目中，我们需要设置发光单元和信道的一一对应，所以我们需要创建6个信道。
然后设置串口参数。Vixen 3在这方面比Vixen 2进步不少，因为Vixen 2只能使用计算机的COM1-4，而Vixen 2则能够自动检测计算机的所有串口，并且还都可以使用。串口的设置相对标准，这里采用的参数是57600 bps, 8位, 无奇偶校验和1位停止位。
接下来，配置音序器输出发送头文件，该文件是一个ASCII的“+>”，该头文件能够帮助软件实现同步已避免出现掉帧的情况。最坏的情况下，在再次进行同步之前会掉2帧。如果我们设置的时序解析率是10微秒，那么就将出现20微秒的差异，这点时间人类根本无法感知，所以不用担心。
最后，我们需要将LED和我们的输出对应起来。因为我们采用的是一一对应的方式，设置方式就很简单了，只需要高亮发光元素和信道，然后点击Patch按钮即可。完成之后，应该就能看到图像化的一一对应示意图了。
到这里，Vixen的设置就完成了。接下来就该设置新的序列了，点击“Start”按钮开始设置序列流。
然后点击New Sequence按钮，会弹出一个用于创建新序列的窗口，可以看到其中每一个LED对应的序列。
接下来该在时间上加入音频信号了。
下面我用到了一个内置的节奏检测器，可以自动根据音频的节奏在时间线上自动进行标记，这让我们的工作轻松不少。这一步并不是必需的，我们也可以进行手动编辑。
接下来，还需要为已经标记的重音设置表现效果。因为这些标记都是自动生成的，为他们设置好的表现效果看起来就像是精确控制的实时表现。你可以设置LED在重音点改变颜色、闪烁或者亮度突变。
Arduino
接下来是Arduino代码部分。在编程之前，首先需要检查串口出来的数据是什么格式的。不过这一步并不是必须的，只是说能够加深我们对项目的理解，在书写代码时也更加方便。
我利用Arduino的代码实现了一个状态机，通过这个状态机，我们可以很容易地实现串行协议的解码。
#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;
}
}
}
这个状态机拥有4个状态，第一个状态为空闲（IDLE）状态，该状态为默认状态。在该状态时，程序等待“+”符号，这是帧标记的起点。“+”进入后，状态机进入第二个状态DELIM。在此状态下，程序等待第二个分隔符标记“>”，此符号到来后则帧开始运作。这样做可以减少出现误报帧的可能，毕竟按一定的序列出现两个特定符号的可能性还是比较小的。
两个符号齐备了之后，状态机进入第三个状态READ，此时读取剩余的帧，并将其存储到数组中。完成之后，状态机过渡到DISP状态。此时我们就要展示我们的数据了。在该状态下，我们会循环数组中的每个数值，如果该数组是非零的，那么就将LED打开，否则就关闭LED。如果我们在这些引脚上再配置上PWM（脉冲宽度调制），就能实现对LED光亮度的控制。但为了教程的简单，这里暂时只使用了简单的开关功能。
上面也就基本上实现了Arduino对LED的控制。接下来我们将换用无线的方式来实现这样的功能。
无线
在开发这个项目时我将Arduino换成了Freakduino，不过本质上都是一样的。
这里我使用的是900 MHz大覆盖面积版的Freakduino，这个版本的无线穿墙效果不错，范围也比较大。另外，900MHz频段的干扰也比较少，很少WiFi具有这个频段，在人多的地方进行表演时，这一点格外重要。
#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;
}
}
}
首先让我们来看看发送器代码，这个代码和上面有线版本的代码大致类似。其中最主要的不同点是我们需chibiArduino来通过无线的方式来发送代码。chibiArduino是一个无线协议栈，是我根据开放的IEEE 802.15.4标准编写的，我已经在配置和特性上对其进行了很大程度的简化，你只需要简单地启动它就可以实现数据的收发了。不过对一般用户而言，使用什么样的通信标准其实都没有关系。
仔细研究一下代码，你会发现其中还新定义了源地址和目标地址。源地址是我们自己的地址，而目标地址则是数据需要发送到的地址。
我也使用chibiInit()函数初始化了chibiArduino栈，这一步会将栈和寄存器设置成默认值，并使其为数据接收做好准备。chibiSetShortAddr()函数则可以根据我们设置的设备地址和其它设备建立通信。我们只需要设置短地址一次就可以了，然后改地址会被存储到非易失性存储器中。但在这个项目中，我们每一次开机都要对地址进行设置。
我们仍然使用Vixen的状态机来实现对串行协议的解码。在循环代码中，在DISP状态的主要不同在于我们不再循环数据数列和开关LED，我们将数列和通过无线的方式发送给接收器，这一步通过chibiTx()函数实现。chibiTx()含有三个参数：目标地址、以数列形式存储的数据和数据的长度。
#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);
}
}
接下来是接收端的代码。在接收端我们需要接受发送端传送的数据，并将这些数据通过LED表现出来。
同样我们首先设置源地址和目标地址，然后我们初始化引脚和chibi栈。
在循环函数中，我们加入了一些新代码。在循环函数中，首先会对数据的接受情况进行检查，如果数据接受，则函数chibiDataRcvd()会返回“真”，然后就接受数据。为了接受数据，我们声明了一个len变量，其存储的是要接收的数据的字节长度以及一个100字节长度的字节数列。为什么要选择100字节呢？因为chibiArduino栈的最大负载为100字节。你可以设置小一点以节约RAM。
然后chibiGetData()函数被作为字节数列的一个参数调用。其将会将接收到的数据逐个写入到这个字节数列中，并返回接收数据的长度。另外，我们进行了一下长度检查，以防止数据长度为0的情况。如果长度为0，则说明我们之前已经接受到过这个数据，这是一个重复的数据包。接收到的数据应该包含6个字节，接下来就是逐个字节检查，并将对应的LED的亮度进行相应的调整。
另外我还在chibiArduino栈中额外增加了一些其它的数据，这些数据不是必需的，但是对调试等工作有很重要的帮助。比如记录信号强度的变化，多个源地址可以从多个来源接收信号，同时也可以对可能的设备故障进行检查，这在户外应用时还是大有裨益的。
至此，对Arduino和Vixen实现对LED灯光的控制的介绍就完成了，赶快自己做一个来装饰你的家吧。
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正文到此结束
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