Arduino+Esp8266实现远程的模块控制

最近尝试使用Arduino配合esp8266实现远程控制Arduino上外接的某些模块，于是开始一边摸索一遍折腾开始了一周的尝试，期间得到很一些对自己很有用的经验，遂记录。本次使用的策略是Arduino通过串口与esp8266通信，esp8266通过wifi连接到网络，然后通过mqtt协议订阅模块的操作信息，客户端就可以通过远程向mqtt发送相关主题的操作信息从而控制Arduino做出相应的约定动作。

ESP8266存在3种工作模式：STA，AP，STA+APSta模式: Station，类似于无线终端，本身不接受无线接入，可连接到AP，也就是可以连接wifi。一般无线网卡即工作在该模式AP模式：相当于路由器，自己发射WiFi，终端可以连接上它，但是无法像sta模式那样连接其他WiFi。STA+AP模式：既可以自己发射WiFi供其他终端连接，又可以做终端连接其他WiFi。这也是默认的出厂模式。

ESP8266默认携带AT固件，支持AT指令，通过AT指令可以实现模式切换，修改波特率，Wifi连接，TCP连接等功能。当然，使用不同的固件实现的功能也将不同。例如这里的支持mqtt的AT固件

ESP8266与Arduino的接线，软硬串口的通信可以参见这篇文章。

Arduino接上8266之后，通过串口发送AT指令没有响应。于是尝试重刷esp8266的支持AT指令固件

ESP8266重刷固件

重刷了固件之后AT指令还是没有生效。排除了接线问题，看到这篇文章提示，有可能是供电不足的原因。重新紧了一下线，重插电源线（3.3V），8266的蓝灯一闪，然后微弱发光，这时候AT指令就生效了。（我使用的是MBP笔记本雷电口+usb转接器）b站有个大佬提供了一个使用外部电源输入的实现方式。所以AT指令不生效的情况，可以考虑一下供电的问题

紧接着是8266上的代码编写，需要实现

ESP8266的代码可以使用ArduinoIDE编写，同时支持8266板的库函数管理相关。也可以使用VSCode安装PlatformIO扩展，然后在PlatformIO里安装相关应用库。使用ArduinoIDE，需要先安装esp8266的开发板支持。否则使用如ESP8266WiFi.h这样的库函数会报错sketch_apr17a:15:10: error: ESP8266WiFi.h: No such file or directory

8266开发板支持包下载失败曾经在学校安装支持包速度蹭蹭，在家却是龟速+反复失败。于是想到了手动下载安装：

pyserial or esptool directories not found next to this upload.py tool编译代码时出现以上报错。翻阅一堆博客论坛，找到了解决方法，并且有可能是MacOSBigSur的问题。

esp8266通过Arduino板子连接PC进行代码烧录，始终出现问题。说始终是因为前几个月就因为这个问题导致有个小项目搁置，所以出现这个问题也算是意料之中吧。主要现象是代码编译通过以后点击上传，始终出现Connecting...打点，过会就出现Failed to connect to ESP32: Timed out waiting for packet header的报错，上传失败。使用的接线是

将UTXD接到串口模块的TX上，CH_PD和VCC接3.3V，GND和GPIO0接GND这是烧录模式，如果要工作的话请将GPIO0脚悬空，即断开，否则设备不会正常工作！

找到一篇帖子，其中说解决方式是在8266EN和GND之间外接一个10uF的电容。感觉…不太实际，没有尝试。

后来看这篇博客时，发现它实际上也有说到这个问题。提到需要先断开8266的EN和IO0，然后在Connecting..打点时，IO0接地，EN接3.3V，程序可以继续烧录，否则会出现以上报错。帖子中提到该方式的成功率不高，确实我一直没有成功，它说还是使用U转串（下载器）进行烧录比较好。（我…怎么没有想到）

帖子中提到的，需要安装驱动，但是我没有，直接插上，点击上传就烧录了==，很成功，就像重刷固件一样，connecting之后log会显示烧写的地址位。同样，需要注意切换端口。

实际上我看了这篇博客才意识到了（是的 才），实际上烧录程序和输入固件是一样的，固件实际上也是包装好的程序，比如AT固件实际上只是就只通过接受串口的固定格式的数据（AT指令），然后操作并返回结果信息的程序罢了，而所谓的需要注意默认的波特率，是因为程序中Serial.begin同样的使用了该波特率罢了。

走通了代码的编写和烧录流程，接下来终于可以愉快的写代码了。

在8266上发送串口数据和Arduino其实一样12Serial.begin(); // 指定串口波特率，注意通信的另一端（Arduino）需要统一波特率Serial.println(); // 输出数据。此外8266上的Serial对象还支持printf格式化输出方式

使用8266开发板自带库函数头文件ESP8266Wifi.h，很方便实现Wifi连接。基本代码如下12WiFi.begin(char* ssid, char* password); // 传入Wifi名和密码，开始连接if (Wifi.status() != WL_CONNECTED) // 确认连接状态具体代码示例：123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172#include const char* ssid = "ESP8266 需要连接的WIFI的SSID";const char* password = "Wifi密码";void setup() { Serial.begin(9600); delay(10); Serial.print("Connecting to "); /* 明确将ESP8266设置为WiFi客户端，否则默认情况下，它将尝试同时充当客户端和接入点，并可能导致WiFi网络上的其他WiFi设备出现网络问题 */ WiFi.mode(WIFI_STA); // 开始连接 WiFi.begin(ssid, password); // 状态确认 while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); Serial.print("."); } // 连接成功 Serial.println("WiFi connected"); Serial.println("IP address: "); Serial.println(WiFi.localIP());}int whetherConnect = 0;WiFiClient client;const uint16_t port = 8082;const char * host = "你的IP"; // ip or dnsvoid loop() { // 确认socket连接状态 if (client.connected() == true) whetherConnect = 1; else whetherConnect = 0; if (whetherConnect == 0) { Serial.print("connecting to " + host); if (!client.connect(host, port)) { Serial.println("connection failed \n wait 5 sec..."); return; } else { whetherConnect = 1; } } if (Serial.available()) { // 读取硬串口 if (Serial.read() == '#') { // 获取ssid列表 int n = WiFi.scanNetworks(); Serial.println("scan done"); if (n == 0) { client.println("no networks found"); } else { client.println(n + " networks found"); for (int i = 0; i < n; ++i) { // Print SSID and RSSI for each network found client.print(WiFi.SSID(i)); client.println(WiFi.RSSI(i)); } } // This will send the request to the server client.println("------------------------------------------"); //read back one line from server Serial.println(client.readStringUntil('\r')); Serial.println("closing connection"); client.stop(); } }}

库管理中导入PubSubClient.h头文件，实现MQTT服务端的连接以及消息的订阅和发布。代码也不复杂123456789101112WiFiClient espClient;PubSubClient client(espClient);client.setServer(char* server_ip, int port); // 设置服务器IP和端口（思考，如果IP下还带有子目录该如何实现？）client.setCallback(callback); // 设置回调，当有消息传入时会执行该回调client.connected(); // 判断连接状态client.connect(String clientId); // 开始连接，传入客户端IDclient.publish(char* topic, char* msg); // 消息发布client.subscribe(char* topic); // 消息订阅client.loop(); // 处理保持活动信号，以及处理传入消息void callback(char *topic, byte * payload, unsigned int length) { } // 主题，消息，消息长度具体代码示例：参考1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950#include#includeconst char* ssid = "ESP8266 需要连接的WIFI的SSID";const char* password = "Wifi密码";const char* mqtt_server = "MQTT服务器IP";const int mqtt_port = MQTT服务端口;WiFiClient espClient;PubSubClient client(espClient);void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("Connecting to "); connectWiFi(); // wifi连接如上文 client.setServer(mqtt_server, mqtt_port); client.setCallback(callback); while (!client.connected()) { String client_id = String(WiFi.macAddress()); Serial.println("Connecting to public emqx mqtt broker....."); if (client.connect(client_id.c_str())) { Serial.println("Public emqx mqtt broker connected"); } else { Serial.print("failed with state "); Serial.print(client.state()); delay(2000); } } Serial.println("start to subsc"); char* topic = "hello"; client.publish(topic, "hello emqx"); client.subscribe(topic);}void callback(char *topic, byte * payload, unsigned int length) { Serial.print("Message arrived in topic: "); Serial.println(topic); Serial.printf("Message:(%d) ", length); for (int i = 0; i < length; i++) { Serial.print((char) payload[i]); } Serial.println(); Serial.println("-----------------------");}void loop() { client.loop();}还有大佬对PubSubClient库进行进一步封装实现了一个库。可以看看这个以及大佬编写的，关于客户端状态返回码的注释。如果连接MQTT服务器失败返回了状态码可以参考一下

int - 客户端状态，可以采用以下值 (常量定义在 PubSubClient.h):-4 : MQTT_ CONNECTION_ TIMEOUT - 服务器在保持活动时间内没有响应。-3 : MQTT_ CONNECTION_ LOST - 网络连接中断。-2 : MQTT_ CONNECT_ FAILED - 网络连接失败。-1 : MQTT_ DISCONNECTED - 客户端干净地断开连接。0 : MQTT_ CONNECTED - 客户端已连接。1 : MQTT_ CONNECT_ BAD_ PROTOCOL - 服务器不支持请求的MQTT版本。2 : MQTT_ CONNECT_ BAD_ CLIENT_ ID - 服务器拒绝了客户端标识符。3 : MQTT_ CONNECT_ UNAVAILABLE - 服务器无法接受连接。4 : MQTT_ CONNECT_ BAD_ CREDENTIALS - 用户名/密码被拒绝。5 : MQTT_ CONNECT_ UNAUTHORIZED - 客户端无权连接。

对于MQTT，此前一直不了解，这几天查了些资料，根据自己的理解对MQTT进行了简单的介绍，大概是对TCP协议进一步封装的一个应用层协议，主要是消息订阅与发布广播的机制。可以看看我对于MQTT的认识

查阅过程中，看到Arduino社区一位大佬写下的科普贴，觉得对理解MQTT还是很有帮助。以及如果有node.js的环境，也可以使用node.js搭建MQTT服务器和客户端，实现消息的发送订阅。使用mosca库3 5行就可以实现。

实际上Arduino通过软串口连接8266的示例在上边以及提供了，但我还是提供一下我的实现方式。

舵机图如下，能通过pin口接收一个角度值然后将旋桨旋转到该角度。舵机细节讲解

接线方式参考

控制代码如下

说实话通过串口接受的数据处理也是废了不少脑筋。经过测试，通过SoftwareSerial.read()读取的数据实际上是byte的字节流，需要强转为char类型，组装为原文字符串；而Serial.print()方法打印的数据，稍有不慎会出现乱序和重复的问题。然而这些问题都还没有结论，我也暂时没有深究。

由于在8266中输出的字符串文本接受时都是零散的字符，因此我输出文本时，将每一段文本都加上#开头，在Arduino接收时以一个#以及一个结尾的\n作为一句文本的标志，以此获得完整的字符串。然而如果是要接受一段mqtt协议相关的消息，那么一段消息我需要得到的最主要信息就是topic和message至少两个部分。因此我决定让8266输出的信息拼装为一个json串，然后Arduino上以json的方式取用数据。

最后实现代码

实际上这个地方大可不必如此麻烦，直接让8266发送角度值，Arduino接受后送给舵机发动就好了，没必要整花里胡哨的。但我是考虑了如果Arduino上如果连接了多个外设，那就需要区分topic和消息内容了，索性折腾了一下

Arduino上的Json库：ArduinoJson同样的库管理中下载该库。由于网上大部分都是v5版本，为此还在其官网徜徉了一番，找到版本变更点，以及v6正确打开方式。十分详尽，此处不过多介绍使用了

值得注意的是，一直以来很多论坛说的Ardunio和ESP8266的RX和TX需要反着接，但是尝试之后好像不是这样的。并且成功的最后一步操作是，把两条反接的线再反过来一次，即TX对TX，RX对RX。这里不是很明白，望交流告知。因此如果没有反应，可以尝试把RX和TX反过来试试。

本次折腾了快一周，算是很有收获，搞清楚了之前一直云里雾里的8266编程和他的AT指令以及串口通信的使用。

ESP8266和Arduino就像是两个的单片机，如果需要做AT指令不好完成的操作，当然需要另外编写代码烧录到8266中。而如果只是连接Wifi还是可以通过AT指令完成的，甚至进行MQTT通信，也可以使用对应的AT固件完成。

实际上在各种查阅时候，确实看到某大佬自己编写的支持8266进行mqtt通信的指令固件，参见他的站点。对于这种大佬也是只有崇拜啦

使用Servo.h库操作舵机，出现问题：舵机在接到指令转动之前，会有极小角度的颤抖，然后再进行偏转；甚至在未接收到指令时，偶现出现自发的小幅转动。经过一番查阅，发现这篇博客，解决了舵机抖动问题。由文章分析可知，官方提供的Servo.h代码中使用了定时器中断，由于串口通信也需要使用定时器，所以如果同时使用了Servo和串口通信功能，那么会出现舵机抖动的问题。博主给出的解决方式，自己实现舵机的驱动程序，实际上也十分简单，也是往舵机的数字接口发送一定频率的高低电平实现，代码如下：123456789101112void servopulse(int angle)//定义一个脉冲函数{ //发送50个脉冲 for (int i = 0; i < 50; i++) { int pulsewidth = (angle * 11) + 500; //将角度转化为500-2480的脉宽值 digitalWrite(servoPin, HIGH); //将舵机接口电平至高 delayMicroseconds(pulsewidth); //延时脉宽值的微秒数 digitalWrite(servoPin, LOW); //将舵机接口电平至低 delayMicroseconds(20000 - pulsewidth); } // delay(20);}