Mit dem ESP8266 WS2812B LED Strips am Smartphone steuern

DER ESP8266 Mikrocontroller und der WS2812B LED Streifen haben zwei Dinge gemeinsam: Sie kosten nicht viel, aber können sehr viel. Der ESP32 hat einen Wifi Empfänger und kann einen eigenen Webserver hosten. Mit den zusätzlichen GPIO Pins kann der ESP8266 WS2812 LED Streifen steuern und dient als Controller.

Entweder können die LEDs anschließend per Weboberfläche gesteuert werden, oder der ESP8266 wird per MQTT, Websocket oder REST API angesprochen, z.B. von einem Raspberry Pi. Somit lässt sich dieses Tutorial auch wunderbar ins eigene Smart Home einbauen.

Übrigens: Manchmal ließt man von NodeMCU statt/sowie ESP8266. Dabei heißt die ursprüngliche Firmware für den ESP8266 NodeMCU. Mehr Informationen findest du in diesem Artikel.

Zubehör

Den ESP8266 gibt es in verschiedenen Bauweisen. Die kleinste Form davon ist der ESP01, welcher zwei GPIOs hat. Der ESP32 hingegen besitzt mehr frei programmierbare Pins und es gibt ihn auch als Dev Board zu kaufen, wobei man es einfach per USB anschließen kann.

Folgende Optionen stehen zur Verfügung:

1. ESP-01  mit USB Serial Adapter
2. ESP8266 Dev Board (+ Micro USB Kabel)

Da wir nur einen Pin brauchen, ist der ESP01 ausreichend. Ich habe für dieses Tutorial ein ESP8266 Development Board verwendet.

Darüber hinaus brauchen wir noch den LED Streifen. Der WS2812B hat nur einen Datenpin und ist daher recht günstig. Es gibt ihn in verschiedenen Längen (1-5 Meter) und mit unterschiedlicher Anzahl an LEDs pro Meter:

• WS2812B mit 30 LEDs/m
• WS2812B mit 60 LEDs/m (ideal)
• WS2812B mit 144 LEDs/m

Meiner Meinung nach bietet die WS2812B Version mit 60 LEDs pro Meter das beste Preis/Leistungsverhältnis. Mehr werden nur selten benötigt, wohingegen der Effekt bei bei nur 30 LEDs/m nicht immer flüssig ist (man sieht die einzelnen LEDs leuchten).

Zu guter letzt brauchen wir eine entsprechende Stromversorgung. Bei voller Last braucht eine WS2812B LED bis zu 60mA. Bei einem Meter mit 60LEDs wären das also bis zu max. 1.8 A bei 5V (= 9 Watt). Meiner Erfahrung nach, sind diese Werte sehr hoch und es kommt nur selten zur vollen Last (ich rechne meist mit ~40mA pro LED). Nichtsdestotrotz brauchen wir ein Netzteil. Die benötigte Leistung des Netzteils kannst du entsprechend der Anzahl von LEDs selbst berechnen.

1. 5V Netzteil (mindestens 2A)
2. DC Power Jack
3. Jumper Kabel
4. optimal: Breadboard

Vorbereitung: Verkabelung des ESP8266 mit WS2812B

Die Verkabelung des WS2812B LED Streifens ist sehr einfach, da nur ein Datenpin vorhanden ist. Damit die LEDs und der ESP von der gleichen Stromquelle versorgt werden, nutzen wir den Power Jack, wie in der Abbildung zu sehen ist.

Die positi8ve Eingangsspannung kommt an VIN vom ESP sowie an +5V vom LED Streifen. GND wird ebenfalls an GND angeschlossen. Als Datenpin des ESP8266 nehmen wir D1 (GPIO 5) und verbinden diesen an DIN.

Vorbereitung – IDE konfigurieren und Flashen

Die Software für den ESP8266 spielen wir mittels Arduino IDE auf. Hierfür müssen wir unter Datei > Einstellungen folgende URL setzen (mehr Details sind in diesem Tutorial beschrieben):

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Suche anschließend unter Tools > Board > Boardverwalter nach „ESP8266“ und installiere das Paket.

Die Software, die wir gleich auf den ESP flashen werden, hat einige Abhängigkeiten. Diese müssen wir zunächst installieren. Gehe dazu unter Sketch > „Bibliotheken einbinden“ > „Bibliotheken verwalten“. Hier kannst du nach allen benötigten Bibliotheken suchen und diese installieren. Eine Liste aller benötigten Bibliotheken findest du hier.

Nicht alle sind in der Arduino IDE auffindbar. In diesem Fall musst du auf die Github Seite der verlinkten Projekte und die Zip Dateien herunterladen (Clone or Download Button > Download ZIP). Anschließend kannst du die Datei in der Arduino IDE einbinden ( Sketch > „Bibliotheken einbinden“ > „ZIP Bibliothek hinzufügen“ ).

Wenn der ESP8266 per USB angeschlossen ist, wähle den enstprechenden COM Port aus, und schaue, dass die Einstellungen unter Tools, wie hier zu sehen sind:

Anschließend können wir starten. Lade dir das Projekt McLighting herunter und entpacke die Zip Datei. Öffne die Datei „Arduino/McLighting/McLighting.ino“ mit der Arduino IDE und drücke den oberen „Upload Button“. Das wird ein paar Minuten dauern.

Solltest du vorher Einstellungen ändern wollen, kannst du dies in der Datei „definitions.h“ vor dem Kompilieren tun.

Einstellungen am ESP32 setzen

Nachdem alles auf den ESP geflasht wurde, können wir den Seriellen Monitor öffnen (unter Tools). Sobald der ESP startet, ist folgende Ausgabe sichtbar:

Da wir noch mit keinem Netzwerk verbunden sind, startet der ESP im „AP Mode“. Das bedeutet, dass ein eigenes WLAN Netz geöffnet wird, mit dem wir uns verbinden können und anschließend unsere Einstellungen vornehmen können.

Wir brauchen also nun ein Gerät mit Wifi-Adapter (Smartphone, Laptop). Damit suchen wir nach neuen Wireless-Lan Netzen:

Wähle das Netzwerk aus und öffne die angegebene URL im Browser (192.168.4.1). Wähle „Configure Wifi“, woraufhin du folgenden Screen angezeigt bekommst:

Hier kannst du nun die Daten deines eigentlichen Netzwerks (Name und Passwort) angeben, sowie die Anzahl der WS2812B LEDs, ddie Nummer des verwendeten GPIO und ggf. den MQTT Broker (nützlich für OpenHAB Smart Home).

Speichere die Einstellungen und verbinde dich wieder mit dem normalen Netzwerk.

Anschließend kannst du die intern vergebene IP Adresse des ESP aufrufen und siehst das Webinterface, mit dem du die LEDs steuern kannst und Farben, Effekte, sowie Geschwindigkeit der Effekte einstellen kannst. Die IP Adresse bekommst du entweder über deinen Router oder über den seriellen Monitor raus, nachdem der ESP32 mit dem Netzwerk verbunden ist.

WS2812B Steuerung mittels ESP8266 Webserver per MQTT, REST, Websocket – Smart Home Verwendung

Das Einstellen per Weboberfläche am Smartphone ist zwar nett, aber eine Integrations ins eigene Smart Home System (OpenHAB, Home Assistant, Homebridge, Node Red, usw.) ist häufiger die angestrebte Lösung. Dafür gibt es glücklicherweise verschiedene Möglichkeiten, da das McLighting Projekt über ein ansprechbares Interface verfügt.

HTTP REST API

Die einfachste Möglichkeit Werte auszulesen und zu ändern, ist die REST API. Hierbei werden alle Parameter mittels URL übergeben (GET). Du benötigst lediglich die interne IP Adresse des ESP8266.

Hiermit setzen wir bspw. die Farbe auf Rot bei 50% Helligkeit:

http://<esp8266_ip>/set_mode?rgb=ff0000&c=50

Du kannst alle Einstellungen und Modi auslesen, sie setzen und natürlich Farben und Effekte einstellen. Hier findest du die Übersicht von allen möglichen Calls.

WS2812B MQTT Steuerung

MQTT stellt eine eifnache und effiziente Methode zur IoT Geräte Kommunikation dar. Dabei benötigen wir einen Broker, der die Nachrichten weiterleitet (Details gibt es in diesem Tutorial). Wir gehen es am Beispiel eines Raspberry Pi MQTT Brokers durch.

Öffne ein Terminal am Raspberry Pi und installiere den Broker:

sudo apt-get install -y mosquitto mosquitto-clients

Setze anschließend folgenden Befehl ab (wir setzen damit alle LEDs auf die Farbe rot):

mosquitto_pub -h localhost -t McLighting01/in -m "*ff0000"

Auf dem ESP sind zwei Topics vorhanden: „<name>/in“ (eingehende Befehle) und „<name>/out“ (Antworten), wobei <name> in der „definitons.h“ Datei angegeben ist (in unserem Fall „McLighting01“. Falls du mehrere ESP’s nutzt, müssen die Namen angepasst werden.

Alle weiteren Befehle zum Setzen bzw. Auslesen der Einstellungen, findest du hier.

Websocket API

Die Websocket API ist auf dem Port 81 verfügbar:

ws://<esp8266_ip>:81/

Hierbei ist die mitgegebene Payload für den Befehl entscheidend. Die Beispiele dafür findest du hier.