【一】

說起學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)，相信大家最先想到的應(yīng)該就是ESP8266了吧？這個(gè)模塊可以連網(wǎng)（就是連接你家中的路由器），也可以作為一個(gè)熱點(diǎn)來讓你的手機(jī)連接它，是不是很奇妙？

學(xué)習(xí)方法：
1、多去各大論壇查資料去B站找相關(guān)的視頻；
2、學(xué)會(huì)舉一反三，讓你點(diǎn)亮一個(gè)LED，就要會(huì)滅一個(gè)led；
3、多動(dòng)手，程序不是寫出來的，是調(diào)出來和改出來的。

ESP8266 01S簡介：

使用AT功能之前，模塊內(nèi)必須有AT的固件，每個(gè)模塊的生產(chǎn)廠商都會(huì)對(duì)樂鑫官方的AT固件做一些修改和刪減，但是其最核心的AT指令功能都是相同的。我們買的ESP8826模塊一般都有刷好的固件，所以不用自己刷固件。

ESP-01S WiFi模塊是一款低功耗高性價(jià)比的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊。可滿足智能電網(wǎng)、樓宇自動(dòng)化、安防、智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。該模塊核心處理器ESP8266在較小尺寸封裝中集成了業(yè)界領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡模式，主頻支持80MHz和160MHz，支持RTOS，板載天線。該模塊支持完整的TCP/IP協(xié)議棧。用戶可以使用該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。

（1）模塊供電電壓為直流3.3V、電流為500mA以上。

（2）Wi-Fi模塊IO最大輸出電流為12mA。

（3）Wi-Fi模塊NRST管腳低電平有效；EN使能管腳高電平有效。

（4）Wi-Fi模塊進(jìn)入升級(jí)模式：GPIO0處于低電平，然后模塊復(fù)位上電；Wi-Fi模塊進(jìn)入正常工作模式：GPIO0處于高電平，模塊復(fù)位上電。

（5）Wi-Fi模塊的RXD接外部MCU的TXD，Wi-Fi模塊的TXD接外部MCU的RXD。

ESP8266刷固件：

AT指令控制ESP8266模組：

樂鑫官方的AT指令有將近100條，但常用的就十幾條，理解起來也非常簡單，現(xiàn)在舉例一些常用指令，并使用這些指令一步一步的通過TCP連接到遠(yuǎn)程的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)，更多AT指令可以查閱《ESP8266 AT指令集手冊》。

1、測試模塊是否正常

2、開啟/關(guān)閉回顯

從上圖可以看出，我們發(fā)送了一個(gè)AT，模塊回復(fù)了AT OK，即模塊將發(fā)送過來的指令原封不動(dòng)的先復(fù)述了一遍后接著發(fā)送有效回復(fù)，我們稱這種復(fù)述為回顯，關(guān)閉回顯（發(fā)送ATE0）后如再次發(fā)送AT，則只回復(fù)OK。如下圖所示：

3、設(shè)置AP模式及AP參數(shù)

WIFI模式有兩種，一種叫AP模式，一種叫Station模式，AP就是我們平時(shí)所說的熱點(diǎn)，如WIFI路由器，開了熱點(diǎn)的手機(jī)，或者是公共熱點(diǎn)等，這些AP設(shè)備可以允許其他設(shè)備（如手機(jī)，筆記本電腦等）輸入熱點(diǎn)名和密碼（也可不設(shè)置密碼）后接入，Station則是前面說的連接AP的設(shè)備，如：手機(jī)，筆記本電腦等，當(dāng)ESP8266設(shè)置為AP模式時(shí)，其他設(shè)備可以接入該熱點(diǎn)，最多支持4臺(tái)Station設(shè)備接入。AP模式也是ESP8266默認(rèn)的模式。

設(shè)置ESP8266流程如下：

1、首先發(fā)送AT+CWMODE?查詢模塊當(dāng)前處于哪一種模式，下圖可以知道AT+CWMODE=2就是熱點(diǎn)模式。

3、我們現(xiàn)在自定義設(shè)置我們ESP8266的熱點(diǎn)名和密碼，來看看我們電腦能不能連接我們所設(shè)置的好的ESP8266模塊。

1、設(shè)置WIFI模式為AP模式

2、設(shè)置AP熱點(diǎn)屬性

AT+CWSAP=AT+CWSAP_DEF="ESP8266-XSD","12345678",5,3

4、設(shè)置為Station模式

1、設(shè)置WIFI模式為Station
2、連接到家中路由器

AT+CWJAP="liuyao","liuyao1001"

下圖為連接過程的串口輸出：

現(xiàn)在我們的ESP8266已經(jīng)與家中的路由器連接上了，現(xiàn)在我們?nèi)绻氆@取連接的這個(gè)ESP8266的IP可以使用AT+CIPSTA?指令，返回的是路由器分配給ESP8266的局域網(wǎng)IP以及網(wǎng)關(guān)地址和子網(wǎng)掩碼。

5、使用TCP實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備通信

建立TCP連接(AT+CIPSTART)

TCP實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備通信時(shí)先要讓ESP8266連接到家中的熱點(diǎn)。該條指令可以指定建立連接的協(xié)議類型，通常使用的有兩種：TCP和UDP。

接下來，發(fā)送AT指令建立TCP連接，成功連接會(huì)提示CONNECT，接著使用發(fā)送指令:AT+CIPSEND=14，其中15是發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，該指令發(fā)送完成后，接收窗口會(huì)顯示 > ，我們接著在發(fā)送窗口發(fā)送"I m TCP Client",TCP Server端會(huì)收到該信息，接著再通過TCP Server發(fā)送"I m TCP Server"，串口接收端會(huì)打印Client收到的數(shù)據(jù)。

哈哈，我相信很多初學(xué)者學(xué)到這里也不是很清楚。我這里簡單說一下，我們的用ESP8266是不是要讓它連到家中的網(wǎng)啊，那在這里我們的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的TCP Server就是我們要連接的網(wǎng)絡(luò)。

有人又要說了，我要連家中路由器的網(wǎng)啊，為啥要連網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的網(wǎng)啊？這是因?yàn)槿绻氵B家中的網(wǎng)，請(qǐng)問你如何給你家的路由器發(fā)送數(shù)據(jù)啊！你怎么知道路由器接收到了數(shù)據(jù)啊！路由器又咋給你發(fā)送數(shù)據(jù)啊！你又咋接收數(shù)據(jù)啊！我們這里用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的目的就是讓網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手來代替路由器局域網(wǎng)。TCP Server就是服務(wù)端的意思也是就是服務(wù)器。至于為啥用串口調(diào)試助手我就不用說了吧，只有你在串口助手上調(diào)試好了，我們才用單片機(jī)的串口結(jié)合ESP8266共同代替客服端，也就不需要調(diào)試助手了。

所以說，我們一定要在串口調(diào)試助手上把相關(guān)的數(shù)據(jù)調(diào)通了，把原理過程搞懂了之后我們再去搞單片機(jī)程序，再去搭建你的服務(wù)器而不是用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手代替了。怎么樣現(xiàn)在明白了吧！

開啟透傳傳輸(AT+CIPMODE=1)

前面在使用TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，在每次發(fā)送數(shù)據(jù)之前都要指定發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，而且在接收到數(shù)據(jù)之后，還會(huì)有+IPD,< len >的前綴，這樣很不方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，因此我們可以使用AT+CIPMODE=1指令開啟透傳模式，開啟透傳模式后只需要在第一次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使用ATD+CIPSEND指令來告訴ESP8266開始透傳發(fā)送，隨后我們直接發(fā)送想要的數(shù)據(jù)即可，在接收到數(shù)據(jù)時(shí)，也沒有了+IPD,< len >前綴。

下面就是ESP8266連接當(dāng)前環(huán)境的熱點(diǎn)，與服務(wù)器建立TCP連接，開啟透傳模式傳輸數(shù)據(jù)的過程，所有的字符和標(biāo)點(diǎn)必須是英。

（1）設(shè)置WIFI模式為Station：AT+CWMODE=1

（2）連家中路由器：AT+CWJAP="liuyao","liuyao1001"

（3）TCP：AT+CIPSTART="TCP","192.168.0.103",8080

（4）開啟透傳模式：AT+CIPMODE=1

（5）開始透傳發(fā)送：AT+CIPSEND

（6）串口調(diào)試助手發(fā)送：hello I m TCP Client!

（7）網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手發(fā)送：hello I m TCP Server!

6、使用SmartConfig為設(shè)備配網(wǎng)

前面使用了AT+CWJAP指令來主動(dòng)連接家中的WIFI，但是在大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中，缺少輸入WIFI密碼的輸入設(shè)備，如：鍵盤，更不能將程序交給用戶去修改家中的WIFI熱點(diǎn)名和密碼，在真正的項(xiàng)目開發(fā)中使用最多的方法就是通過一顆按鍵來使設(shè)備進(jìn)入某種模式，并使用手機(jī)將當(dāng)前WIFI的密碼告知該設(shè)備來實(shí)現(xiàn)WIFI配網(wǎng)，這種模式就是SmartConfig。在該模式下，ESP8266會(huì)監(jiān)聽指定端口的UDP廣播包，如果收到符合規(guī)定格式的廣播包后會(huì)對(duì)其進(jìn)行解析并獲得WIFI的SSID和PWD，然后自動(dòng)連接獲取到的WIFI熱點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)WIFI配網(wǎng)。

我們說到了ESP8266的AT指令集的使用。本來今天要講一下MQTT協(xié)議的，但考慮到物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)體系的完整性，決定還是先說一下物聯(lián)網(wǎng)智能家居的控制過程和流程，以及關(guān)于MQTT協(xié)議中的訂閱和發(fā)布是什么意思。就算是下一章的前奏吧，請(qǐng)大家耐心看完

簡單地說，我們最終實(shí)現(xiàn)的目的，是要用STM32+ESP8266外加傳感器和繼電器來控制家中的開關(guān)，以及得到家中的各個(gè)電器的運(yùn)行狀態(tài)。其原理是家里的電器先接帶STM32+ESP8266+繼電器的智能插座，智能插座再接家里的插座，這樣只要控制ESP8266的這個(gè)插座（類似中介）就能控制家里的任何電器。

下面這張圖就是控制方式，通過家用的路由器將各個(gè)電器和手機(jī)聯(lián)系起來了，手機(jī)可以通過路由器控制各個(gè)掛載在路由器上的器件，這是比較常用的模式。

一般來說，把手機(jī)叫做上位機(jī)，控制器叫做下位機(jī)，難道這就是我們常說的物聯(lián)網(wǎng)嗎？準(zhǔn)確地說，這是不對(duì)的。畢竟只能圍繞著這個(gè)路由器，有一定的局限性。

比如，你到公司才想起忘了關(guān)家里的燈，那么只能跑回家，運(yùn)氣好的話，在樓下就能連到家里的路由器，然后再通過手機(jī)app關(guān)燈。這時(shí)候你想，如果能在任何地方控制家里的電器該多好，要是真有這樣的功能，比如你冬天回家前可以先把家里的空凋打開……

我們這個(gè)項(xiàng)目就是ESP8266連接家中的路由器的網(wǎng)，手機(jī)連接的是4/5G網(wǎng)，這樣你就能在家中設(shè)備不斷電、不斷網(wǎng)的情況下，在任意地方來控制你家中的用電器設(shè)備了。

一、理論知識(shí)

那么，怎么樣才能讓你在任何地方控制家里的電器（當(dāng)然提前還是要有網(wǎng)）？

我們先來看下面這張圖，跟原來不一樣的地方是用云服務(wù)器代替了家里的路由器，就這么簡單！

那么，什么是云服務(wù)器？云服務(wù)器又在哪？你就把它當(dāng)作天上的一朵云就好了（阿里云、騰訊云），反正就是不管你的手機(jī)，還是別的什么設(shè)備，只要能連網(wǎng)就可以連接云服務(wù)器。

那么，連上服務(wù)器后，是不是就能直接控制了？當(dāng)然可以！

剛學(xué)單片機(jī)的小伙伴肯定玩過串口實(shí)驗(yàn)，從單片機(jī)發(fā)送字母xiaoshidi，串口調(diào)試助手就收到字母xiaoshidi，覺得很有趣。但有時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果你的串口通信的函數(shù)寫的不好，或者有誤的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)通信錯(cuò)誤，比如接收的數(shù)據(jù)是亂碼等，那么它的可靠性就不是很好了。

到底什么叫可靠性不好呢？比如這邊發(fā)過去的時(shí)候是xiaoshidi，運(yùn)氣不好的話，那邊只可能收到的是shidi，這樣就會(huì)出事。所以，我們也不能直接向云服務(wù)器發(fā)送個(gè)簡單指令去控制下位機(jī)，需要有一定的約定。

比如，事先告訴服務(wù)器我要發(fā)送9個(gè)字母過來了，云服務(wù)器收到后就知道了，如果接收xiaoshidi，一般來說是正確接收了；如果只收到shidi，說明丟了4個(gè)字母，這就是我們常說的丟包。那么，這樣的約定就是我們常說的協(xié)議！

有句話叫“沒有物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議就沒有智能安全”，其實(shí)關(guān)鍵就是協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)中常用的就是MQTT協(xié)議。那么，為什么不用我們常見的http協(xié)議呢？只能自己百度了。這邊簡單介紹一下MQTT協(xié)議的原理，因?yàn)橹灰獣?huì)MQTT，就能玩轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)。

我們先來看個(gè)例子：

為什么能收到呢？是因?yàn)槲谊P(guān)注它了，我想這些玩微博的小伙伴都知道。

下面，我再用圖表示一下：

通過這樣的控制方式，就可以解決在單位也能開/關(guān)家里電燈的問題了。不過前提是，手機(jī)和單片機(jī)都能連上云服務(wù)器（手機(jī)可以用家里的網(wǎng)或者4G就可以連到云服務(wù)器，單片機(jī)可以通過家里的WIFI就可以連到云服務(wù)器）。

這時(shí)可能有人會(huì)問，在微博里像“曉艷考研”那么有名，有很多人都會(huì)關(guān)注，比如小雅、小李等等，只要“曉艷考研”發(fā)布消息了，關(guān)注的人都能收到。

有的小伙伴腦子轉(zhuǎn)的溜，感覺這樣控制是有問題的。因?yàn)檫@樣的話，手機(jī)是統(tǒng)一控制了家里的電器，總不能都一起開、一起關(guān)吧？

關(guān)于MQTT理論，我們先說到這兒，其實(shí)還有很多玩法，比如在微博里“曉艷考研”也關(guān)注了我呢？這個(gè)有什么用？這樣可以用控制器采集信息上傳到我們的手機(jī)了！那就可以采集家中的環(huán)境數(shù)據(jù)上發(fā)到你的手機(jī)。

二、實(shí)現(xiàn)部分

根據(jù)下面這張圖，我們要做三部分：單片機(jī)、云服務(wù)器、手機(jī)。

1、單片機(jī)

一般來說，單片機(jī)也叫作控制器，或者下位機(jī)。我們這里用的是STM32單片機(jī)。

這時(shí)有人會(huì)問，為什么不用51單片機(jī)，或者arduino？因?yàn)楝F(xiàn)在用STM32的人太多了，arduino又體現(xiàn)不出你是一個(gè)電子信息專業(yè)的，51就不用說了。

可能又有人說，你為啥不用esp32，本來就可以當(dāng)一塊單片機(jī)，搞個(gè)STM32豈不是太麻煩？

此言差矣！我們這里是把ESP8266當(dāng)做一個(gè)模塊使用，我僅僅用STM32的串口就可以控制它連網(wǎng)。但如果單單只用ESP32的話，就大大增加了開發(fā)的難度，也就是我們通常說的SDK開發(fā)，而且學(xué)習(xí)的同時(shí)，又能鞏固單片機(jī)的知識(shí)，搞SDK確實(shí)不適合初學(xué)者。

最后，我們的MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換成C語言代碼已經(jīng)有前輩寫好了，我們的目的就是學(xué)會(huì)它，學(xué)會(huì)反向?qū)W習(xí)，才能增加你對(duì)新事物的學(xué)習(xí)興趣。MQTT協(xié)議是現(xiàn)成的，拿來用即可！

在理論部分提到的MQTT協(xié)議是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的核心，所以單片機(jī)、手機(jī)和云服務(wù)器都要有這協(xié)議。這就好比三個(gè)中國人在聊天，一個(gè)日本人過來聽，他根本聽不懂，因?yàn)樗麤]有“中文”這個(gè)能力。所以，控制器也要有這個(gè)解析協(xié)議的能力。

2、服務(wù)器

服務(wù)器可以理解成一臺(tái)普通的電腦，只是它的性能比較穩(wěn)定不容易死機(jī)。目前服務(wù)器有很多，做得比較大的像騰訊云、阿里云等等，購買服務(wù)器也是個(gè)坑，大家需謹(jǐn)慎！前期的話，大家學(xué)習(xí)不用買，登錄生活物聯(lián)平臺(tái)用現(xiàn)成的，后面我會(huì)講到。

3、手機(jī)

一般把手機(jī)也叫上位機(jī)，上位機(jī)還有電腦、平板等等，實(shí)驗(yàn)中是用手機(jī)發(fā)送命令來控制我們的單片機(jī)。那么手機(jī)能打開直接能操作嗎？顯然不能，需要編寫相應(yīng)的程序界面。

如果你是安卓手機(jī)，可以用android studio軟件編寫相應(yīng)的app程序。當(dāng)然，前期的話，大家不要去想著做一個(gè)app，難度還是蠻大的。

【三】

在學(xué)習(xí)MQTT之前，我們要明白MQTT通訊是通過很多的報(bào)文組成的，這就好比二戰(zhàn)時(shí)期發(fā)電報(bào)進(jìn)行兩軍之間的通信。這個(gè)報(bào)文呢，主要由三部分組成：固定報(bào)文+可變報(bào)文+有效載荷，這是官方起的名字，你可以把它理解為開頭+正文+結(jié)尾，這樣就好理解多了是吧？！

基本在MQQTT中，所有的報(bào)文都由這三部分組成。比如今天要說的Connect控制報(bào)文，顧名思義就是客戶端（ESP8266）請(qǐng)求與服務(wù)端（阿里云服務(wù)器）建立連接的報(bào)文。

啥意思呢？這就好比你第一次去你女朋友家，你要首先打一個(gè)電話（Connect控制報(bào)文）征得叔叔阿姨的同意啊！叔叔阿姨同意之后（服務(wù)器確認(rèn)建立連接）你才能去對(duì)吧，如果不同意或者電話沒打通你就不能去你女朋友家啊，就算去了也不招待見對(duì)吧！

00:22

1、CONNECT控制報(bào)文主要由三部分組成：固定報(bào)頭、可變報(bào)頭、有效載荷。

2、假設(shè)我們得到了固定報(bào)頭是“l(fā)iuyao”、可變報(bào)頭是“iloveyou”、有效載荷是“zhuxiaoya”。我們要把這些字母轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制。然后再把它們串聯(lián)起起來就得到。

1、固定報(bào)頭

最終固定報(bào)頭：綜上可得固定報(bào)頭為:10 ??（??我們在后面的實(shí)驗(yàn)會(huì)提到，先不著急）。

2、可變報(bào)頭

2.1 協(xié)議名

2.2 協(xié)議級(jí)別

2.3 連接標(biāo)志

2.4 保持連接

2.5 總結(jié)

2.6 最終可變報(bào)頭

綜上，我們可得有效報(bào)頭為：00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 64

3、有效載荷

3.1 原始數(shù)據(jù)

3.2 加工后的數(shù)據(jù)

3.3 轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制

最終可得：

• 客戶端： 00 264C 59 2D 31 7C 73 65 63 75 72 65 6D 6F 64 65 3D 33 2C 73 69 67 6E 6D 65 74 68 6F 64 3D 68 6D 61 63 73 68 61 31 7C
• 用戶名： 00 104C 59 2D 31 26 61 31 30 7A 77 6B 55 78 51 55 53
• 密碼： 00 2837 61 30 33 33 36 38 65 37 34 30 66 66 39 65 66 62 38 33 31 38 63 36 62 61 32 61 30 32 36 30 66 32 61 35 39 36 66 38 37
• 組合到一起： 00 264C 59 2D 31 7C 73 65 63 75 72 65 6D 6F 64 65 3D 33 2C 73 69 67 6E 6D 65 74 68 6F 64 3D 68 6D 61 63 73 68 61 31 7C00 104C 59 2D 31 26 61 31 30 7A 77 6B 55 78 51 55 53 00 2837 61 30 33 33 36 38 65 37 34 30 66 66 39 65 66 62 38 33 31 38 63 36 62 61 32 61 30 32 36 30 66 32 61 35 39 36 66 38 37

3.4 最終有效載荷

這樣我們就得到了有效載荷：

00 264C 59 2D 31 7C 73 65 63 75 72 65 6D 6F 64 65 3D 33 2C 73 69 67 6E 6D 65 74 68 6F 64 3D 68 6D 61 63 73 68 61 31 7C00 104C 59 2D 31 26 61 31 30 7A 77 6B 55 78 51 55 53 00 2837 61 30 33 33 36 38 65 37 34 30 66 66 39 65 66 62 38 33 31 38 63 36 62 61 32 61 30 32 36 30 66 32 61 35 39 36 66 38 37

4、Connect控制報(bào)文

固定報(bào)頭+可變報(bào)頭+有效載荷

• 10??00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 6400 264C 59 2D 31 7C 73 65 63 75 72 65 6D 6F 64 65 3D 33 2C 73 69 67 6E 6D 65 74 68 6F 64 3D 68 6D 61 63 73 68 61 31 7C00 104C 59 2D 31 26 61 31 30 7A 77 6B 55 78 51 55 5300 2837 61 30 33 33 36 38 65 37 34 30 66 66 39 65 66 62 38 33 31 38 63 36 62 61 32 61 30 32 36 30 66 32 61 35 39 36 66 38 37

• 106E00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 6400 264C 59 2D 31 7C 73 65 63 75 72 65 6D 6F 64 65 3D 33 2C 73 69 67 6E 6D 65 74 68 6F 64 3D 68 6D 61 63 73 68 61 31 7C00 104C 59 2D 31 26 61 31 30 7A 77 6B 55 78 51 55 5300 2837 61 30 33 33 36 38 65 37 34 30 66 66 39 65 66 62 38 33 31 38 63 36 62 61 32 61 30 32 36 30 66 32 61 35 39 36 66 38 37

5、斷開鏈接