零基础入门学用物联网（ESP8266） 第一部分 基础知识篇（一）

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一、概述

1、开发板详解

（1）本教程使用ESP8266-NodeMCU开发板进行学习，需要配备两块ESP8266-NodeMCU开发板。

（2）ESP8266-NodeMCU开发板的引脚定义如下图所示。

①对于数字引脚，ESP8266-NodeMCU开发板接受的高电平电压为3.3V，不可给数字输入输出引脚连接或控制其输出高于3.3V的电压，否则会损坏开发板。

1\]Arduino开发环境中，可使用digitalWrite函数****将数字引脚写为HIGH（高电平）或LOW（低电平）**** ，它有两个参数，第一个参数用于指示数字引脚，第二个参数用于指示高电平/低电平，该函数产生作用的前提是****该引脚需要通过pinMode函数设置为输出模式（OUTPUT）****。 \[2\]Arduino开发环境中，可使用digitalRead函数****读取数字引脚的当前电平，即HIGH（高电平）或LOW（低电平）****，它有一个参数用于指示数字引脚。 ②对于模拟引脚，ESP8266-NodeMCU开发板接受的电压范围为****0-1V****，这个边界同样不能逾越，否则也会损坏开发板。ESP8266只有一个模拟输入引脚（ADC）。 \[1\]Arduino开发环境中，analogWrite函数借助PWM调制，可以用于****输出模拟信号**** ，它有两个参数，第一个参数是模拟引脚号，第二个参数是****0到255之间的PWM频率值****，0对应"off"，255对应"on"。 \[2\]Arduino开发环境中，analogRead函数仅有一个参数用于指示模拟引脚，该函数用于****从Arduino的模拟输入引脚读取**** ****模拟电压的**** ****数值****。 ③特殊引脚情况说明： \[1\]GPIO2引脚在ESP8266-NodeMCU开发板启动时不能连接低电平。 \[2\]GPIO15引脚在开发板运行中一直保持低电平状态，因此不能使用GPIO15引脚来读取开关状态或进行I²C通讯。 \[3\]GPIO0引脚在开发板运行中需要一直保持高电平状态，否则ESP8266将进入程序上传工作模式，也就无法正常工作了。程序员无需对GPIO0引脚进行额外操作，因为ESP8266-NodeMCU的内置电路可以确保GPIO0引脚在工作时连接高电平而在上传程序时连接低电平。 \[4\]GPIO6-GPIO11引脚连接闪存，无特殊情况不能使用。 ④ESP8266有2个硬件串行端口（UART）。 \[1\]串行端口0（UART0）使用GPIO1和GPIO3引脚，其中GPIO1引脚是TX0，GPIO3是RX0。 \[2\]串行端口1（UART1）使用GPIO2和GPIO8引脚，其中GPIO2引脚是TX1，GPIO8是RX1。需要注意的是，由于GPIO8被用于连接闪存芯片，串行端口1只能使用GPIO2来向外发送串行数据。 ### 2、物联网的概念 （1）物联网（IOT）全称为Internet Of Things，简单来说，就是把我们日常生活中使用的各种物理设备，通过互联网连接起来，形成一个巨大的网络，这样，这些设备就可以互相通信、收集数据，并且可以被远程控制和智能化管理。  （2）物联网的工作流程通常分为四个步骤： ①感知：设备通过身上的"感官"------传感器，来收集信息。比如智能空调里的温度传感器感知室温；智能门锁上的摄像头捕捉人脸；智能手环里的加速度传感器记录你的步数。 ②连接：设备把感知到的信息，通过有线或无线的方式发送出去，这就像设备的"神经"，将信息传回大脑。常见的连接技术有：Wi-Fi（无线局域网）、蓝牙、4G/5G、LoRa（远距离低功耗无线通信技术，专门为物联网设计的一种低功耗、远距离的无线通信技术）、Zigbee（一种低功耗、低速率、短距离的无线通信技术）等。 ③处理：信息被发送到云端或本地的处理中心，在这里，数据被分析和解读，并做出决策。比如云端收到空调的数据，发现"当前室温28℃，而用户设定的目标是26℃"。 ④应用：系统根据处理结果，向设备发出指令，或者向用户展示信息。比如云端向空调发送指令------"开始制冷，直到室温降到26℃"，同时，手机App上收到一条通知------"空调已根据您的设定自动开启"。 ## 二、ESP8266互联网开发基础 ### 1、TCP/IP协议的概念 （1）TCP/IP协议包含如下协议，它们分布在计算机网络体系结构的不同层级中。  （2）关于TCP/IP协议及互联网基础的详细介绍，可参考《计算机网络》课程。 ### 2、链路层简介 （1）链路层的主要作用是实现设备之间的物理连接，比如日常使用的Wi-Fi就是链路层协议中的一种。 （2）ESP8266利用Wi-Fi联网时有三种工作模式： ①接入点模式：ESP8266可以建立Wi-Fi网络，其它设备通过查找网络名并输入密码，可以接入此网络（相当于作为一个Wi-Fi路由器）。  ②无线终端模式：ESP8266作为一个无线终端，连接Wi-Fi路由器，从而接入Wi-Fi网络，进而能够接入互联网。  ③混合模式：接入点模式和无线终端模式的混合，能够同时实现两种模式的功能。 ### 3、网络层简介 （1）网络层的主要作用是实现网络互连，进而实现数据包在各网络之间的传输，它需要解决网络层寻址问题，也就是一个数据包由谁发出、由谁接收，而IP地址正是用来标识"发件人"和"收件人"的。 （2）不同版本IP地址的格式： ①IPv4版本：由4个十进制数表示IP地址，每个数之间用点分割，每个数的取值范围为0\~255，如"192.168.0.3"，本教程主要关注该版本。 ②IPv6版本：由8个十六进制数表示IP地址，每个数之间用冒号分割，每个数的取值范围为0\~FFFF，如"2001:db8:1f70:999:de8:7648:3a49:6e8"。 （3）如下图所示，三台不同的设备与同一个Wi-Fi路由器连接，Wi-Fi路由器会为局域网络中的三台设备分别分配不同的IP地址，当设备想要向其它设备发送数据时，可通过配置报文中的IP地址字段以标识报文的发送方和接收方。  （4）如果电脑的系统是Windows，则可打开命令行，输入"ipconfig"，按下回车，即可查询电脑的IP地址，对于本教程，需要关注"无限局域网适配器 WLAN"部分。  ①Wi-Fi路由器是局域网络中的网关（"网关"可以理解为是各局域网衔接的"关口"），默认网关则是Wi-Fi路由器的IP地址。局域网要想与其它局域网通信，也就是接入互联网，那么Wi-Fi路由器需要连接服务器，服务器会为各网关再分配一个IP地址。  ②子网掩码用于标识IP地址中哪一部分属于子网地址、哪一部分属于设备在子网中的地址。 ### 4、传输层简介 （1）TCP协议简介： ①TCP协议的初衷是保证所有数据都能被接收端接收（这个保证并不是"打包票"，而是尽最大的能力保证数据的完整性），数据的传输顺序不会打乱，如果传输数据有损坏，则重发受损数据。 ②TCP协议的优点是数据传输的可靠性，那么相应地，其缺点就是传输速度并非最佳，因此TCP协议多应用于电子邮件、文件传输等注重数据可靠性的场景（数据传输可以慢，但不能出错）。 （2）UDP协议简介： ①UDP协议的数据传输速度比TCP协议快，但不保证所有数据都能被接收端接收，如果传输数据一旦受损，接收方将抛弃受损数据，并且发送方不会重发受损数据。 ②UDP协议的优点是传输速度快（相对于TCP协议而言），那么相应地，其缺点就是不能保证数据传输的可靠性，因此UDP协议多应用于在线语音视频、网络游戏等注重数据传输速率的场景（数据传输可以偶尔出现丢包的情况，但必须注重数据的实时性）。 ### 5、应用层HTTP协议介绍 （1）HTTP定义了浏览器（即万维网客户进程）怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及万维网服务器怎样把万维网文档传送给浏览器。（当然，这并不意味着HTTP协议仅应用于电脑访问网页） （2）如下图所示，使用用户主机来访问湖南科技大学的万维网服务器，可以看成是用户主机中的浏览器进程（即客户进程）与服务器中的服务器进程基于因特网的通信。 ①浏览器进程首先发起与服务器进程的TCP连接，使用熟知端口号80，基于这条已建立好的TCP连接，浏览器进程向服务器进程发送HTTP请求报文。 ②服务器进程收到HTTP请求报文后执行相应操作，然后给浏览器进程发回HTTP响应报文。  （3）HTTP/1.0采用非持续连接方式，在该方式下，每次浏览器要请求一个文件都要与服务器建立TCP连接，当收到响应后就立即关闭连接。 ①客户与服务器之间通过"三报文握手"进行TCP连接，在这三个报文中的最后一个报文的数据载荷部分携带有HTTP请求报文，服务器收到后给客户发回HTTP响应报文。 ②一次请求和响应所耗费的时间记为往返时间RTT，请求一个万维网文档所需的时间为2RTT+文档的传输时延。 ③每请求一个文档就要有两倍的RTT的开销。若一个网页上有很多引用对象（例如图片等），那么请求每一个对象都需要花费2RTT的时间。 ④为了减小时延，浏览器通常会建立多个并行的TCP连接同时请求多个对象，但是这会大量占用万维网服务器的资源，特别是万维网服务器往往要同时服务于大量客户的请求，这会使其负担很重。  （4）HTTP/1.1采用持续连接方式（默认采用持续连接方式，可以更改为非持续连接方式），在该方式下，万维网服务器在发送响应后仍然保持这条连接，使同一个客户（浏览器）和该服务器可以继续在这条连接上传送后续的HTTP请求报文和响应报文。 ①这并不局限于传送同一个页面上引用的对象，而是只要这些文档都在同一个服务器上就行。 ②为了进一步提高效率，HTTP/1.1的持续连接还可以使用流水线方式工作，即浏览器在收到HTTP的响应报文之前就能够连续发送多个请求报文。这样的一个接一个的请求报文到达服务器后，服务器就发回一个接一个的响应报文，这样就节省了很多个RTT时间，使TCP连接中的空闲时间减少，提高了下载文档的效率。（下图所示的是非流水线方式）  （5）HTTP是面向文本的，其报文中的每一个字段都是一些ASCII码串，并且每个字段的长度都是不确定的。 ①HTTP请求报文格式： \[1\]第一行是请求行。由方法字段开始，其后跟一个空格，后跟统一资源定位符字段，其后跟一个空格，后跟版本字段，最后是回车换行。 \[2\]从第二行开始是首部行。每一个首部行由首部字段名开始，其后跟一个冒号，再跟一个空格，然后是该字段的取值，最后是回车换行。 \[3\]可以有多个首部行，如下图所示，多个首部行组成请求头。 \[4\]在最后的首部行下面是一个空行。 \[5\]在空行下面是实体主体，通常不使用。   ②HTTP响应报文的格式： \[1\]第一行是状态行。由版本字段开始，其后跟一个空格，后跟状态码字段，其后跟一个空格，后跟短语字段，最后是回车换行。 \[2\]除状态行外，其它部分与HTTP请求报文格式的对应部分是相似的，它们会组成响应头，这里不再赘述。   ## 三、ESP8266物联网开发基础 ### 1、准备工作 （1）安装开发板驱动程序：前往驱动芯片制造商官网下载NODEMCU/ESP8266驱动（CP210x_Universal_Windows_Driver），下载到本地的是一个压缩包，将其解压后，右键选择其中的.inf文件，点击"安装"即可。  （2）用USB线将电脑与ESP8266-NodeMCU连接，然后打开设备管理器，查看端口选项，如果能看到下图所示的端口，说明驱动开发板驱动程序安装成功。  （3）为开发板搭建开发环境： ①打开Arduino IDE，在菜单栏中选择"文件"→"首选项"，在弹出的对话框中找到"其他开发板管理器地址"，将"http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json"填入此栏中，然后点击"确定"。  ②在菜单栏中选择"工具"→"开发板"→"开发板管理器"，搜索"esp8266"，找到对应项目后点击"安装"即可。  ③在菜单栏中选择"工具"→"开发板"→"esp8266"→"NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)"。  ④在菜单栏中选择"工具"→"端口"，然后选择ESP8266-NodeMCU与电脑连接的端口（在设备管理器中可查询，上面设备管理器的图示指出这里应选择COM5）。  ### 2、NodeMCU开发板的接入点模式（Access Point，AP） （1）将以下示例程序粘贴到代码区中，然后将其编译并上传NodeMCU开发板，NodeMCU开发板将会建立一个名为"Zevalin_esp8266"的Wi-Fi，可以使用手机或电脑连接该Wi-Fi，从而实现与NodeMCU的网络通讯，不过需要注意的是，该Wi-Fi目前没有连接互联网，所以当连接该Wi-Fi后，连接设备将无法访问互联网。  ```cpp #include //本程序使用ESP8266WiFi库 const char *ssid = "Zevalin_esp8266";//定义将要建立的Wi-Fi名称，此处以"Zevalin_esp8266"为示例 const char *password = "00114514"; //定义将要建立的Wi-Fi密码，此处以00114514为示例 //如果建立的Wi-Fi不要密码，则在双引号内不要填入任何信息 void setup() { Serial.begin(9600); //启动串口通讯 WiFi.softAP(ssid, password); //WiFi.softAP用于启动NodeMCU的AP模式 //ssid是Wi-Fi名，password是Wi-Fi密码 Serial.print("Access Point: "); //通过串口监视器输出信息，告知用户所建立的Wi-Fi名 Serial.println(ssid); Serial.print("IP address: "); //通过串口监视器输出信息，告知用户所建立的Wi-Fi的IP地址 Serial.println(WiFi.softAPIP()); //通过调用WiFi.softAPIP()可以得到NodeMCU的IP地址 } void loop() { } ``` （2）如果电脑的系统是Windows，则可打开命令行，输入"ping 192.168.4.1"。ping命令可用于测试电脑与网络上的某个设备是否成功建立连接，其中"192.168.4.1"是NodeMCU的默认IP地址，该命令会使电脑向目标设备发送数据，如果得到目标设备的回复，说明成功建立连接。  ### 3、NodeMCU开发板的无线终端模式（Station） （1）将以下示例程序粘贴到代码区中，然后将其编译并上传NodeMCU开发板，NodeMCU开发板将会连接名为"Zevalin_Computer"的Wi-Fi（本例使用电脑热点作为NodeMCU开发板的连接对象），连接成功后，NodeMCU开发板会被分配一个IP地址，此时IP地址不一定是NodeMCU开发板的默认IP地址。  ```cpp #include // 本程序使用ESP8266WiFi库 const char* ssid = "Zevalin_Computer"; // 连接WiFi名（此处使用Zevalin_Computer为示例） const char* password = "00114514"; // 连接WiFi密码（此处使用00114514为示例） void setup() { Serial.begin(9600); // 启动串口通讯 WiFi.begin(ssid, password); // 启动网络连接 Serial.print("Connecting to "); // 串口监视器输出网络连接信息 Serial.print(ssid); Serial.println(" ..."); // 告知用户NodeMCU正在尝试Wi-Fi连接 int i = 0; // 这一段程序语句用于检查Wi-Fi是否连接成功 while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { // WiFi.status()函数的返回值是由NodeMCU的Wi-Fi连接状态所决定的，如果Wi-Fi连接成功则返回值为WL_CONNECTED delay(1000); Serial.print(i++); Serial.print(' '); // 通过While循环让NodeMCU每隔一秒钟检查一次WiFi.status()函数返回值，同时NodeMCU将通过串口监视器输出连接时长读秒 } Serial.println(""); Serial.println("Connection established!"); // Wi-Fi连接成功后，NodeMCU将通过串口监视器输出"连接成功"信息 Serial.print("IP address: "); Serial.println(WiFi.localIP()); // 输出NodeMCU的IP地址，通过调用WiFi.localIP()函数实现，该函数的返回值即NodeMCU的IP地址 } void loop() { } ``` （2）如果电脑的系统是Windows，则可打开命令行，输入"ping 192.168.137.173"。其中"192.168.137.173"是NodeMCU被分配的IP地址（该地址是不固定的），该命令会使电脑向目标设备发送数据，如果得到目标设备的回复，说明成功建立连接（如果电脑同时连接互联网，或者NodeMCU开发板直接与联网的路由器连接，那么NodeMCU开发板就是接入了互联网）。  （3）如果希望NodeMCU在多个地点使用时都能自动连接当地的Wi-Fi网络，则可以使用WiFiMulti库的addAP函数将个地点的Wi-Fi网络信息提前记录，然后调用WiFiMulti库的run函数，尝试连接信号最强的Wi-Fi网络。当然，如果能实现用户与单片机之间的信息交互，可以让用户选择连接需要且能够连接的Wi-Fi网络。 ```cpp #include // 本程序使用ESP8266WiFi库 #include // 本程序使用ESP8266WiFiMulti库 ESP8266WiFiMulti wifiMulti; // 建立ESP8266WiFiMulti对象，对象名称是'wifiMulti' void setup() { Serial.begin(9600); // 启动串口通讯 //通过addAp函数存储若干个Wi-Fi网络信息，即Wi-Fi名称、Wi-Fi密码 wifiMulti.addAP("taichi-maker1", "12345678"); wifiMulti.addAP("taichi-maker2", "87654321"); wifiMulti.addAP("taichi-maker3", "13572468"); Serial.println("Connecting ..."); // 通过串口监视器输出信息告知用户NodeMCU正在尝试连接WiFi // 调用wifiMulti.run()，NodeMCU将会在当前环境中搜索addAP函数所存储的Wi-Fi，如果搜到多个存储的Wi-Fi，那么NodeMCU将会连接信号最强的那一个Wi-Fi，一旦连接Wi-Fi成功，wifiMulti.run()将会返回"WL_CONNECTED" while (wifiMulti.run() != WL_CONNECTED) { delay(1000); Serial.print('.'); } Serial.println('\n'); Serial.print("Connected to "); Serial.println(WiFi.SSID()); // 通过串口监视器输出连接的Wi-Fi名称 Serial.print("IP address:\t"); Serial.println(WiFi.localIP()); // 通过串口监视器输出NodeMCU的IP地址 } void loop() { } ``` ### 4、常用库函数阶段性总结 |------------------|----------|----------------------------------------|---------------------------------------------------------------------------------------------------| | 库 | 函数 | 参数（从左到右） | 作用 | | ESP8266WiFi | softAP | ssid：AP模式的Wi-Fi名 password：AP模式的Wi-Fi密码 | 启动AP模式 | | ESP8266WiFi | softAPIP | / | 获取作为"路由器"的IP地址 | | ESP8266WiFi | begin | ssid：欲连接Wi-Fi的名 password：欲连接Wi-Fi的密码 | 连接目标Wi-Fi网络 | | ESP8266WiFi | SSID | / | 获取连接的Wi-Fi名 | | ESP8266WiFi | localIP | / | 获取被分配的IP地址 | | ESP8266WiFiMulti | addAP | ssid：欲连接Wi-Fi的名 password：欲连接Wi-Fi的密码 | 每调用一次，就存储一个Wi-Fi网络的信息，即Wi-Fi名称和Wi-Fi密码 | | ESP8266WiFiMulti | run | / | 在当前环境中搜索addAP函数所存储的所有Wi-Fi，如果搜到多个存储的Wi-Fi，NodeMCU将会连接信号最强的那一个Wi-Fi，一旦连接Wi-Fi成功，将会返回"WL_CONNECTED" |