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STM32與物聯網01-ESP8266基本操作

2022-07-12 12:00:53

ESP8266物聯網簡介

ESP8266簡介

ESP8266 是上海樂鑫公司開發的一款具有 WiFi 功能的控制晶片，它帶有完整的 TCP/IP 協定棧，因此可以用作物聯網開發。

ESP8266 本身也是一個效能不錯的 32 位微控制器，完全可以作為普通的 MCU 使用。然而，考慮到 ESP8266 作為 MCU 時需要一整套開發環境，且 ESP8266 的外設並不算豐富，因此這裡僅將其作為一個普通外圍器件使用，通過 STM32 等 MCU 控制它並接收 ESP8266 收到的網路資料。

在作為外圍模組使用時，ESP8266 主要通過串列埠收發命令和資料，因此任意可以使用串列埠並設定波特率的 MCU 理論上都可以操作 ESP8266 實現物聯網功能，包括但不限於 51 微控制器、AVR 、STM32 和樹莓派。

這裡選用 ESP-01 作為 WiFi 模組，其外觀為：

它具有的優點為：

  1. 價格非常低廉，僅需個位數
  2. 尺寸很小，大約為 25mm x 15mm
  3. 功能完善，它本身也是一個微型開發板，具有 8 個引腳，可以實現程式下載、串列埠收發等功能
  4. 市面上大多數 ESP-01 模組在售賣時已經內建了串列埠控制程式，上電後便可以正常工作。如果沒有也不要緊，只需再花個位數價格就可以再買一個 ESP8266 韌體下載器，結合商家給出的資料就可以重新燒入韌體

在詳細介紹 ESP8266 的使用方法之前，最好先了解以下背景知識：

ESP8266 所使用的 WiFi 是工作頻率在 2.4GHz 波段的區域網無線通訊。有些筆記型電腦或路由器預設使用的是 5GHz 的網路頻段，如果不修改將會無法與 ESP8266 連線上。

ESP8266 支援兩種 WiFi 通訊模式：AP 和 Sta 。AP 表示接入點(access point)，可以建立一個 WiFi 熱點讓其餘裝置連線，一般作為區域網伺服器使用；Sta 表示連線裝置，該模式下 ESP8266 可以主動連線其它 WiFi 訊號，一般作為區域網使用者端使用。不過 ESP8266 支援 Sta 和 AP 兩模式共存，可以在連線 WiFi 的同時被其餘裝置連線。

在 ESP-01 模組中，具有 8 個引腳，各個引腳的作用為：

序號 名稱 功能
1 GND 接地
2 GPIO 2 通用輸入輸出（內部已上拉）
3 GPIO 0 選擇模式：低電平為下載模式，未連線或高電平為正常工作模式
4 RXD 串列埠 0 資料接收，也可用作普通 GPIO
5 VCC 3.3V 供電
6 RST 復位線，若通過外部置為低電平則復位
7 CH_PD 高電平使能晶片，低電平失能晶片
8 TXD 串列埠 0 資料傳送，也可用作普通 GPIO

接下來的程式使用基於 STM32 的標準庫編寫，並可以比較容易地修改為 HAL 庫的程式碼，或使用其餘類似的微控制器編寫作用相似的程式碼。

串列埠接收不定長資料方法

在正式介紹 ESP8266 操作方法之前，首先介紹一個基本的要點：如何使用串列埠接收 ESP8266 可能發來的不定長資料並解析。

不定長資料的接收方法有很多，例如可以通過空字元確定結尾。這裡使用串列埠的空閒中斷實現該方法，空閒中斷的的產生是由於在兩次資料傳送間隔，串列埠沒有檢測到資料輸入而產生的，從而可以判斷資料接收完畢，停止接收資料。

首先，為了儲存接收資料，需要定義一個緩衝區。這裡通過一個結構體的形式確定緩衝區所需成員：

#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，由於不總是在中斷函數內處理接收資料，因此需要一個位元的欄位用於判斷資料是否接收完畢。

為了接收串列埠空閒中斷，需要先在初始化函數內使能它：

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

對應的串列埠中斷函數的實現如下：

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();
    }
}

在串列埠中斷函數中，對以下兩個中斷型別響應：USART_IT_RXNE 表示資料接收暫存器收到內容，那麼將接收到的內容作為一個字元放入緩衝區中；USART_IT_IDLE 表示封包接收完畢，在緩衝器結尾新增上一個空字元使其變為字串，並將結束標誌位置 1 。

注意在不接收中斷時，串列埠空閒中斷會一直產生，從而干擾程式執行；清除串列埠空閒中斷標誌位需要由軟體完成，具體做法是通過程式先讀取 USART_SR 暫存器，再讀取 USART_DR 暫存器。

在程式的最後使用一個回撥函數來處理本次接收的封包，它可以根據當前專案的使用情況自行編寫或替換為相應的語句。

ESP8266簡單使用

裝置連線與初始化

根據上文的介紹，微控制器最少需要 4 個 I/O 口與 ESP8266 相連：這裡選用 USART3 作為與 ESP8266 通訊的串列埠，則 PB10 與 ESP8266 的 RXD 相連，PB11 與 TXD 相連；PA4 與 RST 相連，PA5 與 CH_PD 相連：

這裡主要通過以下兩個宏操作引腳：

#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)

本節先介紹一個最簡單的、手動操作 ESP8266 的方式演示操作的整個過程：通過計算機的串列埠偵錯工具將命令傳送給 STM32 ，STM32 接收後轉發給 ESP8266 ，並將接收到的資料再轉發給串列埠偵錯工具：

因此，在初始化 ESP8266 時需要初始化相應的 GPIO 及兩個 USART 外設，並將 RST 和 CH_PD 都置高電平：

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

注意，初始化 STM32 連線到 ESP8266 的串列埠時，需要將波特率設定為 115200 ，否則資料無法被正常接收。當連線上 ESP8266 後，可以通過後續傳送指令修改 ESP8266 的串列埠波特率。

除此之外，還有一些其它的外設如定時器、偵錯用串列埠等，其使用情況可以根據專案需要自行管理，對應的初始化過程不再介紹。

在串列埠 3 中斷中，將接收到的 ESP8266 資料轉發回串列埠偵錯工具：

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

串列埠 1 的中斷處理過程與以上類似，這裡不再重複。

AT指令簡介

既然是使用串列埠通訊的方式操作 ESP8266 ，那麼收、發資料都需要遵循一定格式。ESP8266 的韌體內建了 AT 指令，可以通過串列埠傳送 AT 指令控制 ESP8266 。

所謂 AT 指令，是一種字串形式的資料，但開頭都是 AT 兩個字元，後續跟上具體的選項。AT 指令有以下 4 種主要的表現形式：

指令型別 指令格式 說明
測試指令 AT+<x>=? 用於查詢設定命令或內部程式設定的引數以及其取值範圍
查詢指令 AT+<x>? 用於查詢引數當前設定的值
設定命令 AT+<x>=<...> 用於設定使用者自定義的引數值
執行指令 AT+<x> 用於執行受模組內部程式控制的變引數不可變的功能

每一個 AT 指令以換行符 CRLF \r\n 作為結尾的標誌，在串列埠偵錯工具中需要另起一行。

AT 指令很多，但是並不是每一個都會用得到。這裡僅介紹需要的 AT 指令，完整的 AT 指令可以從檔案中檢視。

注意，某些廠商在生產開發板時，可能會對 AT 韌體做一些裁剪，去除一些用處不大的指令，因此在使用時請閱讀商家提供的說明檔案。

最簡單的 AT 指令就是單個 AT ，用於測試 AT 韌體是否能用。如果能用，ESP8266 會返回 OK ：

AT
AT


OK

（部落格園的程式碼無法高亮出哪部分屬於輸入，如果分辨不夠清楚的可以檢視原文 ）

上面傳送了一個指令 AT ，而 ESP8266 則先回復了指令內容 AT ，再回復一個 OK ，這種先複述指令內容再傳送有效資料的方式稱為回顯。回顯會在一定程度上影響資料解析，並且在設計時 STM32 在接到串列埠偵錯工具傳送的訊息時已經執行了一次回顯操作，因此可以使用 ATE0 指令關閉回顯：

ATE0
ATE0


OK
AT

OK

這樣後續傳送指令時只會回覆有效資料了。在後續的操作中全部關閉回顯，命令都是通過 STM32 收到後立即轉發回來的。

可以使用 AT+GMR 檢視當前韌體的版本資訊：

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

如果韌體版本過舊，可能也會缺少一些命令。可以使用專用的韌體燒入模組通過 USB 為 ESP8266 更新韌體。

上文曾經提到 ESP8266 有兩種主要的工作模式：Sta 和 AP 。可以使用 AT+CWMODE=<mode> 設定 ESP8266 的通訊模式：引數 <mode> 為 1 代表 ESP8266 設定為 Sta 模式；2 代表設定為 AP 模式；引數 3 則是 Sta 模式和 AP 模式共存。

這裡將其設定為 Sta 模式，主動連線路由器或筆電提供的 WiFi ：

AT+CWMODE=1


OK

在 Sta 模式下，可以使用執行命令 AT+CWLAP 列出(List)當前環境下可用的 WiFi 接入點：

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

返回的結果中，每項資料都佔一行，有 5 個元素，第一個元素 <ecn> 列出了 WiFi 所使用的加密型別，值 4 代表加密型別為 WPA_WPA2_PSK ；第二個元素 <ssid> 代表 WiFi 名，第三個元素 <rssi> 代表 WiFi 強度，絕對值越小強度越高；第四個元素 <mac> 是裝置的 MAC 地址；最後一個元素 <channel> 代表頻道。

注意，ESP8266 返回的資料都是 UTF-8 編碼的，需要將串列埠偵錯工具的編碼也設定為 UTF-8 ，否則可能出現中文亂碼。

連線(Join) WiFi 可以通過以下命令執行：

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


OK

WiFi 名和密碼都要以字串的形式放在雙引號內，兩者間使用逗號隔開。

連線到 WiFi 後，可以使用 AT+CIFSR 命令檢視當前裝置的 IP 地址：

AT+CIFSR

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

OK

更多的 AT 指令及其用法可以參考官方檔案。接下來介紹 ESP8266 從連線 WiFi 到接收網路資料的一般過程。

WiFi連線與資料收發測試

以下測試也全部在串列埠偵錯工具中傳送命令與接收資料。

首先提前設定好 WiFi 名和密碼，然後讓 ESP8266 主動連線 WiFi ：

AT+CWMODE=1


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


OK

這裡將計算機和 ESP8266 都主動連線到路由器提供的 WiFi 中，兩者處於同一個區域網內，這樣便可以比較方便地互發資料。

連線後，需要在計算機中檢視本機在區域網內的地址：(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

以下通過 ESP8266 主動向計算機發起連線，並行送查詢當前時間的命令；計算機接到命令後，向 ESP8266 返回當前的時間。在計算機的使用者端，使用 Python 編寫如下通訊端程式：

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 編寫通訊端程式的方法可以參考這篇文章。執行該程式後，在微控制器端通過設定指令 AT+CIPSTART 向該區域網 IP 地址與埠號發起 TCP 連線：

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

CONNECT

OK

連線完成以後，可以通過設定指令 AT+CIPSEND 傳送資料，引數 <length> 為資料的長度：

AT+CIPSEND=4


OK
> time
SEND OK

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

當收到此命令後，會換行返回 > 符號，表示接下來可以繼續接收待傳送的資料；後續通過串列埠傳送的資料可以不用以新行結尾，當資料長度達到 <length> 時，ESP8266 才會將資料傳送出去並返回 OK 。

在收到網路資料時，ESP8266 會以 +IPD 的指令形式返回，第一個逗號後面代表資料的長度，冒號後面跟隨的是實際的資料。最後的 CLOSE 代表連線中斷，它和資料是是分兩次接收的。通過解析陣列 ESP8266_Buffer.Body 中儲存的資料，微控制器就可以通過網路獲取當前的實時時間，並用於校正當前的 RTC 時鐘等。

當然，在實際使用時不會通過串列埠轉發這麼麻煩的方式，可以在程式中直接操作串列埠按指定的形式收發資料，後續將會介紹相應程式的編寫方法。

參考資料/延伸閱讀

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

ESP-AT 指令檔案。不過很少有商家的韌體會有這麼新的版本。