STM32與物聯網01-ESP8266基本操作

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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 功能的控制晶元，它帶有完整的 TCP/IP 協議棧，因此可以用作物聯網開發。

ESP8266 本身也是一個性能不錯的 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 收到的網路數據。

在作為外圍模塊使用時，ESP8266 主要通過串口收發命令和數據，因此任意可以使用串口並設置波特率的 MCU 理論上都可以操作 ESP8266 實現物聯網功能，包括但不限於 51 單片機、AVR 、STM32 和樹莓派。

這裡選用 ESP-01 作為 WiFi 模塊，其外觀為：

它具有的優點為：

價格非常低廉，僅需個位數
尺寸很小，大約為 25mm x 15mm
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、串口收發等功能
市面上大多數 ESP-01 模塊在售賣時已經內置了串口控製程序，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 固件下載器，結合商家給出的資料就可以重新燒入固件

在詳細介紹 ESP8266 的使用方法之前，最好先瞭解以下背景知識：

ESP8266 所使用的 WiFi 是工作頻率在 2.4GHz 波段的區域網無線通信。有些筆記本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 連接上。

ESP8266 支持兩種 WiFi 通信模式：AP 和 Sta 。AP 表示接入點(access point)，可以創建一個 WiFi 熱點讓其餘設備連接，一般作為區域網伺服器使用；Sta 表示連接設備，該模式下 ESP8266 可以主動連接其它 WiFi 信號，一般作為區域網客戶端使用。不過 ESP8266 支持 Sta 和 AP 兩模式共存，可以在連接 WiFi 的同時被其餘設備連接。

在 ESP-01 模塊中，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，未連接或高電平為正常工作模式
4	RXD	串口 0 數據接收，也可用作普通 GPIO
5	VCC	3.3V 供電
6	RST	複位線，若通過外部置為低電平則複位
7	CH_PD	高電平使能晶元，低電平失能晶元
8	TXD	串口 0 數據發送，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 庫的代碼，或使用其餘類似的單片機編寫作用相似的代碼。

串口接收不定長數據方法

在正式介紹 ESP8266 操作方法之前，首先介紹一個基本的要點：如何使用串口接收 ESP8266 可能發來的不定長數據並解析。

不定長數據的接收方法有很多，例如可以通過空字元確定結尾。這裡使用串口的空閑中斷實現該方法，空閑中斷的的產生是由於在兩次數據發送間隔，串口沒有檢測到數據輸入而產生的，從而可以判斷數據接收完畢，停止接收數據。

首先，為了保存接收數據，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;

註意，由於不總是在中斷函數內處理接收數據，因此需要一個比特的欄位用於判斷數據是否接收完畢。

為了接收串口空閑中斷，需要先在初始化函數內使能它：

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

對應的串口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();
    }
}

在串口中斷函數中，對以下兩個中斷類型響應：USART_IT_RXNE 表示數據接收寄存器收到內容，那麼將接收到的內容作為一個字元放入緩衝區中；USART_IT_IDLE 表示數據包接收完畢，在緩衝器結尾添加上一個空字元使其變為字元串，並將結束標誌位置 1 。

註意在不接收中斷時，串口空閑中斷會一直產生，從而干擾程式運行；清除串口空閑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 寄存器，再讀取 USART_DR 寄存器。

在程式的最後使用一個回調函數來處理本次接收的數據包，它可以根據當前項目的使用情況自行編寫或替換為相應的語句。

ESP8266簡單使用

設備連接與初始化

根據上文的介紹，單片機最少需要 4 個 I/O 口與 ESP8266 相連：這裡選用 USART3 作為與 ESP8266 通信的串口，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巨集操作引腳：

#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：通過電腦的串口調試工具將命令發送給 STM32 ，STM32 接收後轉發給 ESP8266 ，並將接收到的數據再轉發給串口調試工具：

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);
}

註意，初始化 STM32 連接到 ESP8266 的串口時，需要將波特率設置為 115200 ，否則數據無法被正常接收。當連接上 ESP8266 後，可以通過後續發送指令修改 ESP8266 的串口波特率。

除此之外，還有一些其它的外設如定時器、調試用串口等，其使用情況可以根據項目需要自行管理，對應的初始化過程不再介紹。

在串口 3 中斷中，將接收到的 ESP8266 數據轉發回串口調試工具：

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

串口 1 的中斷處理過程與以上類似，這裡不再重覆。

AT指令簡介

既然是使用串口通信的方式操作 ESP8266 ，那麼收、發數據都需要遵循一定格式。ESP8266 的固件內置了 AT 指令，可以通過串口發送 AT 指令控制 ESP8266 。

所謂 AT 指令，是一種字元串形式的數據，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：

指令類型	指令格式	說明
測試指令	AT+<x>=?	用於查詢設置命令或內部程式設置的參數以及其取值範圍
查詢指令	AT+<x>?	用於查詢參數當前設置的值
設置命令	AT+<x>=<...>	用於設置用戶自定義的參數值
執行指令	AT+<x>	用於執行受模塊內部程式控制的變參數不可變的功能

每一個 AT 指令以換行符 CRLF \r\n 作為結尾的標誌，在串口調試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 指令可以從文檔中查看。

註意，某些廠商在生產開發板時，可能會對 AT 固件做一些裁剪，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文檔。

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

AT
AT


OK

（博客園的代碼無法高亮出哪部分屬於輸入，如果分辨不夠清楚的可以查看原文）

上面發送了一個指令 AT ，而 ESP8266 則先回覆了指令內容 AT ，再回覆一個 OK ，這種先覆述指令內容再發送有效數據的方式稱為回顯。回顯會在一定程度上影響數據解析，並且在設計時 STM32 在接到串口調試工具發送的消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

這樣後續發送指令時只會回覆有效數據了。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 查看當前固件的版本信息：

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

如果固件版本過舊，可能也會缺少一些命令。可以使用專用的固件燒入模塊通過 USB 為 ESP8266 更新固件。

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> 設置 ESP8266 的通信模式：參數 <mode> 為 1 代表 ESP8266 設置為 Sta 模式；2 代表設置為 AP 模式；參數 3 則是 Sta 模式和 AP 模式共存。

這裡將其設置為 Sta 模式，主動連接路由器或筆記本提供的 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，每項數據都占一行，有 5 個元素，第一個元素 <ecn> 列出了 WiFi 所使用的加密類型，值 4 代表加密類型為 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> 是設備的 MAC 地址；最後一個元素 <channel> 代表頻道。

註意，ESP8266 返回的數據都是 UTF-8 編碼的，需要將串口調試工具的編碼也設置為 UTF-8 ，否則可能出現中文亂碼。

連接(Join) WiFi 可以通過以下命令執行：

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


OK

WiFi 名和密碼都要以字元串的形式放在雙引號內，兩者間使用逗號隔開。

連接到 WiFi 後，可以使用 AT+CIFSR 命令查看當前設備的 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文檔。接下來介紹 ESP8266 從連接 WiFi 到接收網路數據的一般過程。

WiFi連接與數據收發測試

以下測試也全部在串口調試工具中發送命令與接收數據。

首先提前設置好 WiFi 名和密碼，然後讓 ESP8266 主動連接 WiFi ：

AT+CWMODE=1


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


OK

這裡將電腦和 ESP8266 都主動連接到路由器提供的 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數據。

連接後，需要在電腦中查看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 主動向電腦發起連接，併發送查詢當前時間的命令；電腦接到命令後，向 ESP8266 返回當前的時間。在電腦的客戶端，使用 Python 編寫如下套接字程式：

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 編寫套接字程式的方法可以參考這篇文章。運行該程式後，在單片機端通過設置指令 AT+CIPSTART 向該區域網 IP 地址與埠號發起 TCP 連接：

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

CONNECT

OK

連接完成以後，可以通過設置指令 AT+CIPSEND 發送數據，參數 <length> 為數據的長度：

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發送的數據；後續通過串口發送的數據可以不用以新行結尾，當數據長度達到 <length> 時，ESP8266 才會將數據發送出去並返回 OK 。

在收到網路數據時，ESP8266 會以 +IPD 的指令形式返回，第一個逗號後面代表數據的長度，冒號後面跟隨的是實際的數據。最後的 CLOSE 代表連接中斷，它和數據是是分兩次接收的。通過解析數組 ESP8266_Buffer.Body 中保存的數據，單片機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口轉發這麼麻煩的方式，可以在程式中直接操作串口按指定的形式收發數據，後續將會介紹相應程式的編寫方法。