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 協議棧，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：
- 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、串列埠收發等功能
- 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。有些膝上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，一般作為區域網客戶端使用。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式內處理接收資料，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，需要先在初始化函式內使能它：
void USART_Config(void) {
// ...
USART_ITConfig(USART3, USART_IT_IDLE, ENABLE);
}
對應的串列埠中斷函式的實現如下：
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();
}
}
在串列埠中斷函式中，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 表示資料包接收完畢，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式來處理本次接收的資料包，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：通過計算機的串列埠除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除錯工具：
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、除錯用串列埠等，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 資料轉發回串列埠除錯工具：
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，在串列埠除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 指令可以從文件中檢視。
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文件。
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 在接到串列埠除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，需要將串列埠除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文件。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除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，併傳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。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 指令文件。不過很少有商家的韌體會有這麼新的版本。