STM32与物联网01-ESP8266基本操作

ESP8266物联网简介

ESP8266简介

ESP8266 是上海乐鑫公司开发的一款具有 WiFi 功能的控制芯片，它带有完整的 TCP/IP 协议栈，因此可以用作物联网开发。

ESP8266 本身也是一个性能不错的 32 位微控制器，完全可以作为普通的 MCU 使用。然而，考虑到 ESP8266 作为 MCU 时需要一整套开发环境，且 ESP8266 的外设并不算丰富，因此这里仅将其作为一个普通外围器件使用，通过 STM32 等 MCU 控制它并接收 ESP8266 收到的网络数据。

在作为外围模块使用时，ESP8266 主要通过串口收发命令和数据，因此任意可以使用串口并设置波特率的 MCU 理论上都可以操作 ESP8266 实现物联网功能，包括但不限于 51 单片机、AVR 、STM32 和树莓派。

这里选用 ESP-01 作为 WiFi 模块，其外观为：

它具有的优点为：

价格非常低廉，仅需个位数
尺寸很小，大约为 25mm x 15mm
功能完善，它本身也是一个微型开发板，具有 8 个引脚，可以实现程序下载、串口收发等功能
市面上大多数 ESP-01 模块在售卖时已经内置了串口控制程序，上电后便可以正常工作。如果没有也不要紧，只需再花个位数价格就可以再买一个 ESP8266 固件下载器，结合商家给出的资料就可以重新烧入固件

在详细介绍 ESP8266 的使用方法之前，最好先了解以下背景知识：

ESP8266 所使用的 WiFi 是工作频率在 2.4GHz 波段的局域网无线通信。有些笔记本电脑或路由器默认使用的是 5GHz 的网络频段，如果不修改将会无法与 ESP8266 连接上。

ESP8266 支持两种 WiFi 通信模式：AP 和 Sta 。AP 表示接入点(access point)，可以创建一个 WiFi 热点让其余设备连接，一般作为局域网服务器使用；Sta 表示连接设备，该模式下 ESP8266 可以主动连接其它 WiFi 信号，一般作为局域网客户端使用。不过 ESP8266 支持 Sta 和 AP 两模式共存，可以在连接 WiFi 的同时被其余设备连接。

在 ESP-01 模块中，具有 8 个引脚，各个引脚的作用为：

序号	名称	功能
1	GND	接地
2	GPIO 2	通用输入输出（内部已上拉）
3	GPIO 0	选择模式：低电平为下载模式，未连接或高电平为正常工作模式
4	RXD	串口 0 数据接收，也可用作普通 GPIO
5	VCC	3.3V 供电
6	RST	复位线，若通过外部置为低电平则复位
7	CH_PD	高电平使能芯片，低电平失能芯片
8	TXD	串口 0 数据发送，也可用作普通 GPIO

接下来的程序使用基于 STM32 的标准库编写，并可以比较容易地修改为 HAL 库的代码，或使用其余类似的单片机编写作用相似的代码。

串口接收不定长数据方法

在正式介绍 ESP8266 操作方法之前，首先介绍一个基本的要点：如何使用串口接收 ESP8266 可能发来的不定长数据并解析。

不定长数据的接收方法有很多，例如可以通过空字符确定结尾。这里使用串口的空闲中断实现该方法，空闲中断的的产生是由于在两次数据发送间隔，串口没有检测到数据输入而产生的，从而可以判断数据接收完毕，停止接收数据。

首先，为了保存接收数据，需要定义一个缓冲区。这里通过一个结构体的形式确定缓冲区所需成员：

#define USART_RX_BUF_SIZE 1024
typedef struct {
    char Body[USART_RX_BUF_SIZE];
    uint16_t Length     :15;
    uint16_t FinishFlag :1;
} USART_Buffer;

注意，由于不总是在中断函数内处理接收数据，因此需要一个比特的字段用于判断数据是否接收完毕。

为了接收串口空闲中断，需要先在初始化函数内使能它：

void USART_Config(void) {
    // ...
    USART_ITConfig(USART3, USART_IT_IDLE, ENABLE);
}

对应的串口中断函数的实现如下：

USART_Buffer ESP8266_Buffer;
void USART3_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        if (ESP8266_Buffer.Length < (USART_RX_BUF_SIZE - 1))
            ESP8266_Buffer.Body[ESP8266_Buffer.Length++] = (char)USART_ReceiveData(USART3);
    }
    if (USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_IDLE) != RESET) {
        ESP8266_Buffer.FinishFlag = 1;
        ESP8266_Buffer.Body[ESP8266_Buffer.Length] = '\0';
        volatile uint16_t temp;
        temp = USART3->SR;
        temp = USART3->DR;
        ESP8266_FrameFinish_CallBack();
    }
}

在串口中断函数中，对以下两个中断类型响应：USART_IT_RXNE 表示数据接收寄存器收到内容，那么将接收到的内容作为一个字符放入缓冲区中；USART_IT_IDLE 表示数据包接收完毕，在缓冲器结尾添加上一个空字符使其变为字符串，并将结束标志位置 1 。

注意在不接收中断时，串口空闲中断会一直产生，从而干扰程序运行；清除串口空闲中断标志位需要由软件完成，具体做法是通过程序先读取 USART_SR 寄存器，再读取 USART_DR 寄存器。

在程序的最后使用一个回调函数来处理本次接收的数据包，它可以根据当前项目的使用情况自行编写或替换为相应的语句。

ESP8266简单使用

设备连接与初始化

根据上文的介绍，单片机最少需要 4 个 I/O 口与 ESP8266 相连：这里选用 USART3 作为与 ESP8266 通信的串口，则 PB10 与 ESP8266 的 RXD 相连，PB11 与 TXD 相连；PA4 与 RST 相连，PA5 与 CH_PD 相连：

这里主要通过以下两个宏操作引脚：

#define ESP8266_RST(state)   GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)state)
#define ESP8266_CH_PD(state) GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)state)

本节先介绍一个最简单的、手动操作 ESP8266 的方式演示操作的整个过程：通过计算机的串口调试工具将命令发送给 STM32 ，STM32 接收后转发给 ESP8266 ，并将接收到的数据再转发给串口调试工具：

因此，在初始化 ESP8266 时需要初始化相应的 GPIO 及两个 USART 外设，并将 RST 和 CH_PD 都置高电平：

void ESP8266_Init(void) {
    ESP8266_GPIO_Config();
    ESP8266_USART_Config();
    ESP8266_RST(SET);
    ESP8266_CH_PD(SET);
}

注意，初始化 STM32 连接到 ESP8266 的串口时，需要将波特率设置为 115200 ，否则数据无法被正常接收。当连接上 ESP8266 后，可以通过后续发送指令修改 ESP8266 的串口波特率。

除此之外，还有一些其它的外设如定时器、调试用串口等，其使用情况可以根据项目需要自行管理，对应的初始化过程不再介绍。

在串口 3 中断中，将接收到的 ESP8266 数据转发回串口调试工具：

static void ESP8266_FrameFinish_CallBack(void) {
    printf("%s", ESP8266_Buffer.Body);
    ESP8266_Buffer.FinishFlag = 0;
    ESP8266_Buffer.Length = 0;
}

串口 1 的中断处理过程与以上类似，这里不再重复。

AT指令简介

既然是使用串口通信的方式操作 ESP8266 ，那么收、发数据都需要遵循一定格式。ESP8266 的固件内置了 AT 指令，可以通过串口发送 AT 指令控制 ESP8266 。

所谓 AT 指令，是一种字符串形式的数据，但开头都是 AT 两个字符，后续跟上具体的选项。AT 指令有以下 4 种主要的表现形式：

指令类型	指令格式	说明
测试指令	AT+<x>=?	用于查询设置命令或内部程序设置的参数以及其取值范围
查询指令	AT+<x>?	用于查询参数当前设置的值
设置命令	AT+<x>=<...>	用于设置用户自定义的参数值
执行指令	AT+<x>	用于执行受模块内部程序控制的变参数不可变的功能

每一个 AT 指令以换行符 CRLF \r\n 作为结尾的标志，在串口调试工具中需要另起一行。

AT 指令很多，但是并不是每一个都会用得到。这里仅介绍需要的 AT 指令，完整的 AT 指令可以从文档中查看。

注意，某些厂商在生产开发板时，可能会对 AT 固件做一些裁剪，去除一些用处不大的指令，因此在使用时请阅读商家提供的说明文档。

最简单的 AT 指令就是单个 AT ，用于测试 AT 固件是否能用。如果能用，ESP8266 会返回 OK ：

AT
AT


OK

（博客园的代码无法高亮出哪部分属于输入，如果分辨不够清楚的可以查看原文）

上面发送了一个指令 AT ，而 ESP8266 则先回复了指令内容 AT ，再回复一个 OK ，这种先复述指令内容再发送有效数据的方式称为回显。回显会在一定程度上影响数据解析，并且在设计时 STM32 在接到串口调试工具发送的消息时已经执行了一次回显操作，因此可以使用 ATE0 指令关闭回显：

ATE0
ATE0


OK
AT

OK

这样后续发送指令时只会回复有效数据了。在后续的操作中全部关闭回显，命令都是通过 STM32 收到后立即转发回来的。

可以使用 AT+GMR 查看当前固件的版本信息：

AT+GMR

AT version:0.22.0.0(Mar 20 2015 10:04:26)
SDK version:1.0.0
compile time:Mar 20 2015 11:00:32

OK

如果固件版本过旧，可能也会缺少一些命令。可以使用专用的固件烧入模块通过 USB 为 ESP8266 更新固件。

上文曾经提到 ESP8266 有两种主要的工作模式：Sta 和 AP 。可以使用 AT+CWMODE=<mode> 设置 ESP8266 的通信模式：参数 <mode> 为 1 代表 ESP8266 设置为 Sta 模式；2 代表设置为 AP 模式；参数 3 则是 Sta 模式和 AP 模式共存。

这里将其设置为 Sta 模式，主动连接路由器或笔记本提供的 WiFi ：

AT+CWMODE=1


OK

在 Sta 模式下，可以使用执行命令 AT+CWLAP 列出(List)当前环境下可用的 WiFi 接入点：

AT+CWLAP

+CWLAP:(4,"Laptop",-54,"ac:4e:aa:b2:1f:f2",1)
+CWLAP:(4,"TP-LINK",-28,"51:38:39:a8:d5:e0",1)
+CWLAP:(4,"Mobile",-86,"a8:79:4b:22:42:e6",11)

OK

返回的结果中，每项数据都占一行，有 5 个元素，第一个元素 <ecn> 列出了 WiFi 所使用的加密类型，值 4 代表加密类型为 WPA_WPA2_PSK ；第二个元素 <ssid> 代表 WiFi 名，第三个元素 <rssi> 代表 WiFi 强度，绝对值越小强度越高；第四个元素 <mac> 是设备的 MAC 地址；最后一个元素 <channel> 代表频道。

注意，ESP8266 返回的数据都是 UTF-8 编码的，需要将串口调试工具的编码也设置为 UTF-8 ，否则可能出现中文乱码。

连接(Join) WiFi 可以通过以下命令执行：

AT+CWJAP="TP-LINK","abc123456"


OK

WiFi 名和密码都要以字符串的形式放在双引号内，两者间使用逗号隔开。

连接到 WiFi 后，可以使用 AT+CIFSR 命令查看当前设备的 IP 地址：

AT+CIFSR

+CIFSR:STAIP,"192.168.137.129"
+CIFSR:STAMAC,"65:e8:db:a5:9b:84"

OK

更多的 AT 指令及其用法可以参考官方文档。接下来介绍 ESP8266 从连接 WiFi 到接收网络数据的一般过程。

WiFi连接与数据收发测试

以下测试也全部在串口调试工具中发送命令与接收数据。

首先提前设置好 WiFi 名和密码，然后让 ESP8266 主动连接 WiFi ：

AT+CWMODE=1


OK
AT+CWJAP="TP-LINK","abc123456"


OK

这里将计算机和 ESP8266 都主动连接到路由器提供的 WiFi 中，两者处于同一个局域网内，这样便可以比较方便地互发数据。

连接后，需要在计算机中查看本机在局域网内的地址：(IPv4 Address)

C:\Users\Hello> ipconfig

Windows IP Configuration

Wireless LAN adapter WLAN:

    Connection-specific DNS Suffix  . :
    IPv4 Address. . . . . . . . . . . : 192.168.1.105
    Subnet Mask . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
    Default Gateway . . . . . . . . . : 192.168.1.1

以下通过 ESP8266 主动向计算机发起连接，并发送查询当前时间的命令；计算机接到命令后，向 ESP8266 返回当前的时间。在计算机的客户端，使用 Python 编写如下套接字程序：

import socket, time
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind(('', 12000))
server.listen(1)
while True:
    connect, address = server.accept()
    print(address)
    message = connect.recv(1024)
    print(message)
    if message.decode() == 'time':
        connect.send(time.ctime().encode())
    connect.close()

使用 Python 编写套接字程序的方法可以参考这篇文章。运行该程序后，在单片机端通过设置指令 AT+CIPSTART 向该局域网 IP 地址与端口号发起 TCP 连接：

AT+CIPSTART="TCP","192.168.1.105",12000

CONNECT

OK

连接完成以后，可以通过设置指令 AT+CIPSEND 发送数据，参数 <length> 为数据的长度：

AT+CIPSEND=4


OK
> time
SEND OK

+IPD,24:Mon Jul 11 14:58:48 2022CLOSED

当收到此命令后，会换行返回 > 符号，表示接下来可以继续接收待发送的数据；后续通过串口发送的数据可以不用以新行结尾，当数据长度达到 <length> 时，ESP8266 才会将数据发送出去并返回 OK 。

在收到网络数据时，ESP8266 会以 +IPD 的指令形式返回，第一个逗号后面代表数据的长度，冒号后面跟随的是实际的数据。最后的 CLOSE 代表连接中断，它和数据是是分两次接收的。通过解析数组 ESP8266_Buffer.Body 中保存的数据，单片机就可以通过网络获取当前的实时时间，并用于校正当前的 RTC 时钟等。

当然，在实际使用时不会通过串口转发这么麻烦的方式，可以在程序中直接操作串口按指定的形式收发数据，后续将会介绍相应程序的编写方法。

参考资料/延伸阅读

https://docs.espressif.com/projects/esp-at/en/release-v2.2.0.0_esp8266/Get_Started/index.html

ESP-AT 指令文档。不过很少有商家的固件会有这么新的版本。

posted @ 2022-07-12 11:05 冰封残烛阅读(7698) 评论(0) 编辑收藏举报

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