ESP8266 IoT网关开发记录
最近写完了一个简单的ESP8266项目。包含配网，自动重连与连接状态检测，MQTT连接与数据交互功能。
在此罗列一些基于PlatformIO、使用ESP8266开发一个简易网关遇到的问题和解法，针对一些内容的设计思路，一些常用的设计方法。
在文章中，“例子”都是开发此项目遇到的问题。示例代码部分来源于仓库。
仓库链接：SilverDragonYo/ESP8266-IoT-Gateway: An ESP8266-based IoT gateway
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事件驱动与轮询驱动
这是在研究配网和LED灯状态显示的时候接触的。我也不能很好地定义，我结合Gemini的说明解释一下吧。
简单理解，轮询驱动就是在主循环中不断地、主动地去询问外部设备或状态；再简单一点，都是主循环。单片机一般都是这类，不论是
while(1)还是loop()。对于事件驱动，就是当外部发生事情时，系统或硬件会自动调用这个函数。你如果开发过微信小程序，或者接触过前端，应该容易理解。例如微信小程序的JS里的
onShow()函数，就是预先注册了，当页面加载好，会执行这个函数。 -
有限状态机实现非阻塞轮询
这是针对轮询驱动的优化。在这个项目的开发中，就非常重要。
因为ESP8266是单核单线程MCU，资源由用户代码和Wi-Fi协议栈公用。意味着用户代码如果长时间阻塞，或者注册一些回调函数，这些函数引用一些指针，就可能出现包括野指针在内的问题导致异常崩溃。
有限状态机，它在维基百科的定义是：有限状态机 - 维基百科，自由的百科全书
但是在这里，不太需要完全理解理论。我们简单理解，就是把一件事情拆分为几个状态，同一时间同一状态只能处理一件事情。例如Wi-Fi连接，进行一次尝试之后就要转入结果等待的状态，而不是重复尝试。
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排除崩溃故障
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现象：在执行某些功能的时候单片机重启。
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原因：一般不是语法错误，所以编译能过。可能是库选择不当，或者代码逻辑问题。
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解法：如果你也使用VScode的PIO进行开发，可以使用自带的
monitor_filters处理，方法如下：-
打开工程对应的
platformio.ini文件。 -
添加
monitor_filters如下：1
monitor_filters = esp8266_exception_decoder
如果是esp32，就是
esp32_exception_decoder。 -
在上传代码时候，选择
upload and Monitor选项。通过添加这个过滤器，可以实现在出现异常时自动解码。
Arduino IDE也可以用 Exception Decoder，可以参考这篇文章，相比PIO要麻烦一些。
Debugging Arduino Errors with the ESP32 Exception Decoder
如果需要查找对应的过滤器，可以参考下面的文章。
pio device monitor — PlatformIO latest documentation
需要查找异常崩溃序号对应的错误，可以参考下面的文章（虽然可能没什么用）。
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例子：在本次开发中，我遇到了下面的异常：
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14Exception (4):
epc1=0x4000dd22 epc2=0x00000000 epc3=0x00000000 excvaddr=0x00000000 depc=0x00000000
>>>stack>>>
ctx: cont sp: 3ffffdf0 end: 3fffffd0 offset: 0160
3fffff50: 00000009 00002710 4020a586 4020b860
3fffff60: 00000000 00e7c4a8 3fffdad0 00449a77
3fffff70: 40207c9c 3ffe8fe8 3ffeef44 3ffef02c
3fffff80: 3fffdad0 3ffeee00 3ffeed74 402017a0
3fffff90: 3fffdad0 3ffeee00 3ffeef44 40201108
3fffffa0: 3fffdad0 00000000 3ffeee00 402015aa
3fffffb0: 3fffdad0 00000000 3ffef000 4020a71c
3fffffc0: feefeffe feefeffe 3fffdab0 40100ea5
<<<stack<<<
--------------- CUT HERE FOR EXCEPTION DECODER ---------------解码之后的是这样的：
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20--------------- CUT HERE FOR EXCEPTION DECODER ---------------
Soft WDT reset
Exception (4): epc1=0x4010032d epc2=0x00000000 epc3=0x00000000 excvaddr=0x00000000 depc=0x00000000
Level1Interrupt: Level-1 interrupt as indicated by set level-1 bits in the INTERRUPT register epc1=0x4010032d in millis at ??:?
>>>stack>>>
ctx: cont
sp: 3ffffe10 end: 3fffffd0 offset: 0160
3fffff70: 40207c9c 3ffe8fe8 3ffeef44 3ffef02c
3fffff80: 3fffdad0 3ffeee00 3ffeed74 402017a0
3fffff90: 3fffdad0 3ffeee00 3ffeef44 40201108
3fffffa0: 3fffdad0 00000000 3ffeee00 402015aa
3fffffb0: 3fffdad0 00000000 3ffef000 4020a71c
3fffffc0: feefeffe feefeffe 3fffdab0 40100ea5
<<<stack<<<
0x40207c9c in HardwareSerial::write(unsigned char const*, unsigned int) at ??:?
0x402017a0 in SoftTimer::expired() at ??:?
0x40201108 in connectToServer() at ??:?
0x402015aa in loop at ??:?
0x4020a71c in loop_wrapper() at core_esp8266_main.cpp:?
0x40100ea5 in cont_wrapper at ??:?就可以判断出是软件看门狗触发了，
调用链是
loop → connectToServer() → SoftTimer::expired() → HardwareSerial::write。我们看一下错误的源码：
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17void connectToServer() {
while (!Client.connected()) {
if(ConnectTimer.expired()) {
Serial.print("Attempting MQTT connection...");
if (Client.connect(UID)) {
Serial.println("connected");
Serial.print("subscribe:");
Serial.println(subTopic);
Client.subscribe(subTopic);
} else {
Serial.print("failed, rc=");
Serial.print(Client.state());
Serial.println(" try again in 5 seconds");
}
}
}
}在这里，一旦没法连上MQTT服务器，就会通过
while (!Client.connected())循环反复重试，从而阻塞主循环，触发看门狗。
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用LED灯显示不同状态
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灵感：8266开发板上面有个灯，平时也没用。用户在上电之后又不知道单片机在干什么，交互做的不好，干脆让这个灯的不同状态来表示一些东西，物尽其用。
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简单的思路：
采用轮询驱动思路，使用
switch-case语句，结合非常简单的状态机搭建合理的函数。一个简单的示例如下：
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26void ledTask() {
unsigned long now = millis();
switch(currentMode) {
case LED_OFF:
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
break;
case LED_ON:
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
break;
case LED_BLINK_SLOW:
if(now - lastTick >= blinkInterval_slow) {
lastTick = now;
digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));
}
break;
case LED_BLINK_FAST:
if(now - lastTick >= blinkInterval_fast) {
lastTick = now;
digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));
}
break;
}
}将
ledTask()放进主循环里即可。当然还需要一个函数，用以修改状态，以及一个枚举类型，用来存放这些状态。
很容易引发一些思考。例如：为什么要用这样的思路，为什么要用millis计时而不是delay？
因为如果长时间阻塞主循环，可能触发看门狗重启，导致异常。delay是直接阻塞主循环得到的延时。
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Wi-Fi状态机
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用途：
写一个Wi-Fi任务状态机，让8266能够按照指定流程完成比较复杂的wifi任务。
不过值得注意的是，8266只支持2.4G的Wi-Fi。
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流程设计：
采用轮询驱动思路，同样依赖
switch-case语句。整体流程就是：启动→尝试连接→失败→配置→重连→成功→定时检测连接状态。
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示例：
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65void wifiTask() {
switch (currentState) {
case WIFI_CONNECT:
WiFi.mode(WIFI_STA);
setLedMode(LED_BLINK_SLOW);
wifiConnect();
currentState = WIFI_CONNECTING;
break;
case WIFI_CONNECTING:
if(WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
currentState = WIFI_CONNECTED;
} else if (RetryTimer.expired() && !wifiConfigMode) {
currentState = WIFI_CONFIG;
}
break;
case WIFI_CONFIG:
setLedMode(LED_BLINK_FAST);
if(!wifiConfigMode) enterConfigMode();
currentState = DNS_SETTING;
DNSSetupTimer.reset();
break;
case DNS_SETTING:
if(DNSSetupTimer.expired()) {
if(!dnsActive && WiFi.softAPIP() != IPAddress(0,0,0,0)) {
dnsStart();
currentState = WIFI_CONFIG_SAVING;
}
}
break;
case WIFI_CONFIG_SAVING:
if(!wifiConfigMode) {
Serial.println("get wifi config");
currentState = WIFI_CONFIG_SAVED;
ConfigSaveTimer.reset();
}
break;
case WIFI_CONFIG_SAVED:
if(ConfigSaveTimer.expired()) {
Serial.println("restart connect");
server.stop();
dnsEnd();
currentState = WIFI_CONNECT;
}
break;
case WIFI_CONNECTED:
setLedMode(LED_ON);
Serial.println("WiFi connected");
Serial.print("IP address: ");
Serial.println(WiFi.localIP());
currentState = WIFI_MONITOR;
break;
case WIFI_MONITOR:
if(MonitorTimer.expired() && WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
currentState = WIFI_CONNECT;
}
break;
}
} -
简单解析：
- 注意合理拆分状态，一个状态只完成一件事情。
- 切记及时切换状态，避免重入。
- AP模式和STA模式：简单理解，AP模式就是单片机自身作为热点，供外部设备连接；STA模式就是单片机作为终端设备，连接网络。
- 避免使用delay延时，长时间阻塞主循环。如果要用到较多定时器，可以写一个对象。
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AP配网
顾名思义，就是在AP模式下实现配网。不要问AP模式是什么。
配网，就是给物联网设备配置网络参数，让它能联网。如果你用过校园网，或者需要联网的智能设备，在配置模式里扫码连Wi-Fi或者需要先输入学号和密码，也是类似的操作。
在这个项目里面，就是在8266上电后，自动联网失败时，手机连接8266的热点，进入配网页面，配置正确的SSID和密码，重连就可连上配置好的Wi-Fi。
如果没有配网功能，SSID和密码都写死，那换个热点，单片机就上不了网了。
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选用库：
ESP8266WebServer，DNSServer -
推荐一个好用的仓库，包含很多常用库：esp8266/Arduino: ESP8266 core for Arduino
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示例代码；
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39void serverSetup() {
server.on("/", HTTP_GET, []() {
server.send_P(200, "text/html", index_html);
});
// 处理安卓、iOS、Windows系统的网络连接测试请求
server.on("/generate_204", HTTP_GET, []() {
server.send_P(200, "text/html", index_html);
});
server.on("/library/test/success.html", HTTP_GET, []() {
server.send_P(200, "text/html", index_html);
});
server.on("/connecttest.txt", HTTP_GET, []() {
server.send_P(200, "text/html", index_html);
});
server.on("/wifi", HTTP_POST, []() {
char ssid[21];
char password[21];
if(server.hasArg("ssid")) {
server.arg("ssid").toCharArray(ssid, sizeof(ssid));
};
if(server.hasArg("password")) {
server.arg("password").toCharArray(password, sizeof(password));
}
server.send_P(200, "text/html", success_html);
storageWiFiConfig(ssid, password);
wifiConfigMode = false;
});
server.onNotFound([]() {
server.send_P(404, "text/plain", "not found");
});
server.begin();
} -
DNS库使用示例：
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13void dnsStart() {
dnsServer.start(DNS_PORT, "*", IPAddress(192, 168, 4, 1));
Serial.println("dns started");
dnsActive = true;
}
void dnsEnd() {
if(dnsActive) {
dnsServer.stop();
Serial.println("dns ended");
dnsActive = false;
}
} -
部分解析：
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简单思路：DNS将所有域名解析到目标IP，然后返回非期望的状态码，让设备判断需要登陆/配置，并跳转配网页面。
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关于
server.on()的参数：1
void on(const String &uri, HTTPMethod method, THandlerFunction fn, THandlerFunction ufn);
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关于
/generate_204：HTTP generate_204 检测网络连接是否正常 | Yann’s Blog -
DNS_PORT：一般为53。
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项目使用的均为同步库，针对
server，需要在主循环里放一句server.handleClient();，针对DNSServer，需要放dnsServer.processNextRequest();。
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写一个简单的网页
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用途：在配网时，用户需要进入一个简单的页面，输入并提交对应的Wi-Fi SSID以及密码。
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示例：
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25const char index_html[] PROGMEM = R"keqing(
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>设备配网页</title>
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
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html {font-family: Arial; display: inline-block; text-align: center;}
h2 {font-weight: bolder; margin-top: 15px;}
input {margin-bottom: 5px; height: 35px; border-radius: 8px;}
button {margin-top: 5px; border-radius: 8px; width: 100px; height: 35px;}
body {margin:x auto;}
</style>
</head>
<body>
<h2>ElectroDragon</h2>
<h4>输入WiFi名称和密码, 然后提交</h4>
<h5 style="color: red;">请输入不超过 20 位的数字或英文字母</h5>
<form action="wifi" method="POST">
<input name="ssid" placeholder="请输入WiFi SSID"><br>
<input name="password" placeholder="请输入WiFi密码"><br>
<button type="submit">提交</button>
</form>
</body>
)keqing"; -
部分解释：
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<meta charset="UTF-8">：meta是网页的元数据标签，charset="UTF-8"表示指定UTF-8编码，与IDE一致，可以防止编码错误，导致在用户设备上显示乱码。 -
语句
const char index_html[] PROGMEM = R"keqing()keqing"：关键字 解释 const常量 char字符类型。字符串的基础单位。 index_html[]字符数组 PROGMEMProgram Memory，程序存储器 R"keqing()keqing"原始字符串字面量 (Raw String Literal)，解决字符串需要转义的问题。 R开始，括号内的字符会被原样保留。可以写作R"()"，也可以加上喜欢的标签（例如keqing）,防止字符串内出现括号导致解析错误。 -
form与input：form表单可以通过type为submit的按钮提交，以键值对保存参数，键为input中的name。 -
关于样式定义和其他内容，请自行查找。
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THE END
没了。