基于esp32的物联网设计
本篇是最近在学校做一个物联网温室控制的课题，在此基础上做了一些对物联网的探索
物联网
物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。
在最近几年随着5G技术的兴起，芯片算力的提高，物联网渐渐的开进入了普罗大众的眼中。其实经过我的初步探索，物联网技术就是将各种传感器，和被控制物体连接起来达到利用互联网或者局域网来控制下端设备。
基于esp32的温室光照物联网控制系统
我们的目的是在于搭建一个web网页的服务器，客户端通过连接到esp32之后通过按下网页上不同的按钮来对系统上的外设进行操纵的目的，
比如开关灯，或者监控传感器信息等。废话不多说，直接开始。
** 1 主控的选择**
至于我为什么选择esp32呢，我之前接触过的单片机有stm32，51，tc264，w806等。总的对比下来，不是价格太贵就是资料不齐全或者就是性能太差。而作为比较esp32是乐鑫推出的专门为物联网量身打造的嵌入式soc。
高度集成的ESP32 将天线开关、RF balun、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能集于一体。ESP32 只需极少的外围器件，即可实现强大的处理性能、可靠的安全性能，和 Wi-Fi & 蓝牙功能。
同时乐鑫esp32支持arduino开发环境这为我之后搭建这套系统带来了极大的便利。
2 外设的选择
这里就不过多赘述，大家需要什么功能就加什么器件。我这里用我之前学习LVGL的板子来作为演示。
DHT11温湿度传感器
这块板子板载光敏电阻和一个DHT11温湿度传感器。可以用来展示一些基础的功能。
3 系统搭建
其实基于arduino成熟的开发环境和完善的开源社区，我们搭建这套系统可以说是十分的简单。
首先介绍一下我们的目标要搭建web服务器首先得连上WiFi或者自己开启WiFi。这里我选择连上WiFi作为一个sta端连接到ap服务端，为什么呢？因为这样我们就可以通过ap端连接互联网了。有了互联网之后这个系统的可拓展性会得到极大的提升。
那么开启WiFi
第一步
设置你要连接的WiFi账号密码
const char* ssid = "DESKTOP"; //wifi密码和名称
const char* password = "11111111";
第二步
开始连接，在arduino上非常简单
WiFi.mode(WIFI_STA); //wifi 的打开和连接
WiFi.begin(ssid, password);
if (WiFi.waitForConnectResult() != WL_CONNECTED) {
Serial.printf("WiFi Failed!\n");
return;
}
Serial.print("IP Address: ");
Serial.println(WiFi.localIP()); //获取到的ip地址，这个地址之后要显示在屏幕上
不过经过我的测试，如果连接不到WiFi的话会在if哪里卡很久，具体我没仔细测试，可能在不断尝试重新连接吧。
然后呢我们连上WiFi之后就可以进行
web服务端和websocket的初始化，为什么要弄websocket我们后面再说。
首先我们需要安装一个库ESPAsyncWebServer。
其实Arduino for ESP8266 和 Arduino for ESP32 中默认就有WebServer，不过这些WebServer都是同步的，不支持同时处理多个连接，这在很多时候其实是不太好用的。
如果用户请求一个页面，该页面中链接了很多文件的情况下，因为不支持同时处理多个连接，其中部分文件可能就获取失败了，最终导致呈现在用户眼前的页面功能缺失。再或者有多个用户频繁的发起请求，其中部分请求也有可能会无法响应。
使用ESPAsyncWebServer就可以极大的规避上述问题，使在Arduino for ESP8266&ESP32中搭建WebServer真正可用、好用
ESPAsyncWebServer项目地址如下：
https://github.com/me-no-dev/ESPAsyncWebServer
这里我简要的介绍一下websocket
WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。WebSocket通信协议于2011年被IETF定为标准RFC 6455，并由RFC7936补充规范。WebSocket API也被W3C定为标准。
WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。
WebSocket 是独立的、创建在 TCP 上的协议。
Websocket 通过HTTP/1.1 协议的101状态码进行握手。
为了创建Websocket连接，需要通过浏览器发出请求，之后服务器进行回应，这个过程通常称为“握手”（handshaking）。
众所周知HTTP是基于请求/响应范式的。也就是说客户端不请求，服务端就不能发送消息给客户端。但是我们需要服务器不停的推送数据来达到监控传感器数据的目的。在早期通过轮询等方式来不断请求数据，但这样很耗费cpu性能，所以在websocket出现之后这种方式就渐渐被取代了
在我们这个系统里网络模型大致如图
在第六步时，这时候客户端就发送了升级成websocket的请求。之后服务器收到请求就建立了连接。
接下来是初始化部分
第一步
初始化端口号，一般情况是80
AsyncWebServer server(80); //web端口号 80
const char* PARAM_MESSAGE = "usernum";
第二步
初始化事件回调和注册URL等
ws.onEvent(onEventHandle); // WebSocket事件回调函数
server.addHandler(&ws); // 将WebSocket添加到服务器中
server.on("/", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){ //url 主页面请求
request->send(200, "text/html",web_main);
});
server.on("/post", HTTP_POST, [](AsyncWebServerRequest *request){ //账户密码提交页面请求
String message;
char resive_name[10]={0}, //存放客户端发来的账号
resive_pswd[10]={0}; //存放客户端发来的密码
if (request->hasParam("usernum", true)) { //找usernum这个键
strcpy(resive_name,request->getParam("usernum", true)->value().c_str());
Serial.printf("usernum: %s\n",resive_name);
}
if (request->hasParam("pswd", true)){//找pswd这个键
// message = request->getParam("pswd", true)->value();
strcpy(resive_pswd,request->getParam("pswd", true)->value().c_str());
Serial.printf("pswd: %s\n",resive_pswd);
}
if(strcmp(resive_name,hujingxuan.u_nume)==0){ //得到提交数据之后开始密码校验
Serial.printf("已找到用户:%s,开始密码校验...\n",resive_name);
if(strcmp(resive_pswd,hujingxuan.u_pawd)==0){
Serial.printf("用户密码正确!\n");
connet_flag=1;
request->send(200, "text/html",web_app);
}
else{
Serial.printf("对不起，您输入的密码有误!\n");
}
}
else{
request->send(200, "text/html",web_main);
Serial.printf("找不到指定用户，请重新输入!\n");
}
});
server.onNotFound(notFound);
server.begin();
需要注意的是
WebSocket事件回调函数为
// WebSocket事件回调函数
uint32_t clientID=0; //用于存储连接对象的id
void onEventHandle(AsyncWebSocket *server, AsyncWebSocketClient *client, AwsEventType type, void *arg, uint8_t *data, size_t len)
{
if (type == WS_EVT_CONNECT) // 有客户端建立连接
{
Serial.printf("ws[%s][%u] connect\n", server->url(), client->id());
clientID= client->id();
client->printf("Hello Client %u !", client->id()); // 向客户端发送数据
client->ping(); // 向客户端发送ping
}
else if (type == WS_EVT_DISCONNECT) // 有客户端断开连接
{
//Serial.printf("ws[%s][%u] disconnect: %u\n", server->url(), client->id());
connet_flag=0;
Serial.printf("服务端断开连接\n");
}
else if (type == WS_EVT_ERROR) // 发生错误
{
Serial.printf("ws[%s][%u] error(%u): %s\n", server->url(), client->id(), *((uint16_t *)arg), (char *)data);
}
else if (type == WS_EVT_PONG) // 收到客户端对服务器发出的ping进行应答（pong消息）
{
Serial.printf("ws[%s][%u] pong[%u]: %s\n", server->url(), client->id(), len, (len) ? (char *)data : "");
}
else if (type == WS_EVT_DATA) // 收到来自客户端的数据
{
AwsFrameInfo *info = (AwsFrameInfo *)arg;
Serial.printf("ws[%s][%u] frame[%u] %s[%llu - %llu]: ", server->url(), client->id(), info->num, (info->message_opcode == WS_TEXT) ? "text" : "binary", info->index, info->index + len);
data[len] = 0;
data_deal((char *)data);
Serial.printf("%s\n", (char *)data);
}
}
404的回调
void notFound(AsyncWebServerRequest *request) { //客户端错误请求时调用
request->send(404, "text/plain", "Not found");
}
然后是网页的代码
登录HTML页面
const char* web_main="" //登录页面
""
" "
" "
" 测试网页 "
""
""
" 大棚温室光照登录系统
"
"
" 账号:
"
" 密码:
"
"
"
" "
""
"";
控制页面HTML代码
String web_app = String("") + //控制页面
"\n"+
"\n"+
"\n"+
" \n"+
" WebSocket Test \n"+
" \n"+
"\n"+
"\n"+
" \n"+
" \n"+
" 智能温室光照补偿控制系统
\n"+
" \n"+
" \n"+
" \n"+
" 调试内容\n"+
" \n"+
" \n"+
" \n"+
"\n"+
""
;
注意：格式一定要按照这个格式，否则里面的JavaScript代码不会正常执行。别问为什么，问就是坑了我一下午。
在这里主体核心部分已经搭建完成，其余就是一些数据处理的代码和和硬件相关的代码
如果有小伙伴对HTML和JavaScript不是很熟，建议看教程
遇见狂神说 JavaScript他也有相关教程。
在我写这篇文章的时候为止，服务器向客户端推送的数据被我打包成json格式，但是客户端返回目前我只做了简单的命令形式的处理。考虑到系统的拓展性。之后会修改为json格式传输。
这里说明一下使用了cjson这个库来解析和构造json数据。
这部分不再赘述，如果有什么不明白可以去网上查查相关资料，还是很简单的
然后给出全部代码，注释写的非常详细了
#include 测试网页 "
""
""
" 大棚温室光照登录系统
"
"
" 账号:
"
" 密码:
"
"
"
" "
""
"";
String web_app = String("") + //控制页面
"\n"+
"\n"+
"\n"+
" \n"+
" WebSocket Test \n"+
" \n"+
"\n"+
"\n"+
" \n"+
" \n"+
" 智能温室光照补偿控制系统
\n"+
" \n"+
" \n"+
" \n"+
" 调试内容\n"+
" \n"+
" \n"+
" \n"+
"\n"+
""
;
void data_pick()//采集外设数据，并打包成json发送到客户端
{
cJSON *TCP = cJSON_CreateObject(); //创建一个对象
cJSON_AddNumberToObject(TCP,"light",analogRead(ligth_pin)); //构造json数据
cJSON_AddNumberToObject(TCP,"Humidity",Humidity); //添加整型数字
cJSON_AddNumberToObject(TCP,"Temperature",Temperature); //添加浮点型数字
json_data = cJSON_Print(TCP); //JSON数据结构转换为JSON字符串
}
void notFound(AsyncWebServerRequest *request) { //客户端错误请求时调用
request->send(404, "text/plain", "Not found");
}
AsyncWebSocket ws("/"); // WebSocket对象，url为/
void data_deal(char* resivedata)//数据处理函数，对客户端发来的数据进行解析，如果执行比较大的程序，比如刷新led建议标记，在主循环处理。
{
Serial.printf("这里是数据处理函数%s\n", resivedata);
if(strcmp(resivedata,"led_off")==0){
led_on;
}
else if(strcmp(resivedata,"led_on")==0){
led_off;
}
else{
Serial.printf("对不起没有找到指令:%s\n", resivedata);
}
}
// WebSocket事件回调函数
uint32_t clientID=0; //用于存储连接对象的id
void onEventHandle(AsyncWebSocket *server, AsyncWebSocketClient *client, AwsEventType type, void *arg, uint8_t *data, size_t len)
{
if (type == WS_EVT_CONNECT) // 有客户端建立连接
{
Serial.printf("ws[%s][%u] connect\n", server->url(), client->id());
clientID= client->id();
client->printf("Hello Client %u !", client->id()); // 向客户端发送数据
client->ping(); // 向客户端发送ping
}
else if (type == WS_EVT_DISCONNECT) // 有客户端断开连接
{
//Serial.printf("ws[%s][%u] disconnect: %u\n", server->url(), client->id());
connet_flag=0;
Serial.printf("服务端断开连接\n");
}
else if (type == WS_EVT_ERROR) // 发生错误
{
Serial.printf("ws[%s][%u] error(%u): %s\n", server->url(), client->id(), *((uint16_t *)arg), (char *)data);
}
else if (type == WS_EVT_PONG) // 收到客户端对服务器发出的ping进行应答（pong消息）
{
Serial.printf("ws[%s][%u] pong[%u]: %s\n", server->url(), client->id(), len, (len) ? (char *)data : "");
}
else if (type == WS_EVT_DATA) // 收到来自客户端的数据
{
AwsFrameInfo *info = (AwsFrameInfo *)arg;
Serial.printf("ws[%s][%u] frame[%u] %s[%llu - %llu]: ", server->url(), client->id(), info->num, (info->message_opcode == WS_TEXT) ? "text" : "binary", info->index, info->index + len);
data[len] = 0;
data_deal((char *)data);
Serial.printf("%s\n", (char *)data);
}
}
void tim1Interrupt()
{
if(connet_flag)//如果连接打开
{
data_pick();
// Serial.printf("%s\n", json_data);
ws.printf(clientID, json_data);//向建立连接的客户端发送信息
ws.cleanupClients(); // 关闭过多的WebSocket连接以节省资源
}
else{
// Serial.printf("等待连接建立...\n");
}
}
static TimerHandle_t timer1_Handle=NULL;
static TimerHandle_t timer2_Handle=NULL;
void timer_callback();
void timer2_callback();
void setup() {
Serial.begin(115200);
pinMode(led_pin,OUTPUT); //初始化led引脚，并关闭led
digitalWrite(led_pin,HIGH);
DHT11.setup(T_S_pin); //初始化温湿度传感器
WiFi.mode(WIFI_STA); //wifi 的打开和连接
WiFi.begin(ssid, password);
if (WiFi.waitForConnectResult() != WL_CONNECTED) {
Serial.printf("WiFi Failed!\n");
return;
}
Serial.print("IP Address: ");
Serial.println(WiFi.localIP()); //获取到的ip地址，这个地址之后要显示在屏幕上
ws.onEvent(onEventHandle); // WebSocket事件回调函数
server.addHandler(&ws); // 将WebSocket添加到服务器中
server.on("/", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){ //url 主页面请求
request->send(200, "text/html",web_main);
});
server.on("/post", HTTP_POST, [](AsyncWebServerRequest *request){ //账户密码提交页面请求
String message;
char resive_name[10]={0}, //存放客户端发来的账号
resive_pswd[10]={0}; //存放客户端发来的密码
if (request->hasParam("usernum", true)) { //找usernum这个键
strcpy(resive_name,request->getParam("usernum", true)->value().c_str());
Serial.printf("usernum: %s\n",resive_name);
}
if (request->hasParam("pswd", true)){//找pswd这个键
// message = request->getParam("pswd", true)->value();
strcpy(resive_pswd,request->getParam("pswd", true)->value().c_str());
Serial.printf("pswd: %s\n",resive_pswd);
}
if(strcmp(resive_name,hujingxuan.u_nume)==0){ //得到提交数据之后开始密码校验
Serial.printf("已找到用户:%s,开始密码校验...\n",resive_name);
if(strcmp(resive_pswd,hujingxuan.u_pawd)==0){
Serial.printf("用户密码正确!\n");
connet_flag=1;
request->send(200, "text/html",web_app);
}
else{
Serial.printf("对不起，您输入的密码有误!\n");
}
}
else{
request->send(200, "text/html",web_main);
Serial.printf("找不到指定用户，请重新输入!\n");
}
});
server.onNotFound(notFound);
server.begin();
//开启一个freertos定时器，注意，定时器1不能时间间隔太短否则会导致消息堆积，发不出去
timer1_Handle=xTimerCreate("timer1_Handle",250,pdTRUE,(void*)1,(TimerCallbackFunction_t )timer_callback);
if(timer1_Handle!=NULL){xTimerStart(timer1_Handle,0);}
timer2_Handle=xTimerCreate("timer2_Handle",1000,pdTRUE,(void*)2,(TimerCallbackFunction_t )timer2_callback);
if(timer2_Handle!=NULL){xTimerStart(timer2_Handle,0);}
Serial.printf("初始化结束\n");
}
unsigned char time1_flag=0,time2_flag=0;
void loop() {
if(time1_flag)
{
time1_flag=0;
tim1Interrupt(); //定时回调
}
if(time2_flag)
{
time2_flag=0;
if(((int)DHT11.getHumidity()<500)&&((int)DHT11.getTemperature()<500))//滤除错误数据
{
Humidity=(int)DHT11.getHumidity();
Temperature=(int)DHT11.getTemperature();
Serial.printf("Humidity=%d,Temperature=%d\n",(int)DHT11.getHumidity(),(int)DHT11.getTemperature());
}
}
}
void timer_callback()//注意，这个函数还是在内部任务调用的，所以不能放太多内容，否则会堆栈溢出
{
time1_flag=1;
}
void timer2_callback()
{
time2_flag=1;
}
实验现象
实验现象
在最后呢，我想提一下，我只是一个大三学生。如果有什么正确的地方请多多包涵。同时这套系统后期可以拓展的东西很多，比如OTA网页升级程序，这将会大大减少用户的使用难度和维护成本。同时也可以接入互联网进行超远程控制。因为时间有限，没有做这些拓展。有兴趣可以自行设计加入。