【一】

說起學習物聯網，相信大家最先想到的應該就是ESP8266了吧？這個模塊可以連網（就是連接你家中的路由器），也可以作為一個熱點來讓你的手機連接它，是不是很奇妙？

學習方法：
1、多去各大論壇查資料去B站找相關的視頻；
2、學會舉一反三，讓你點亮一個LED，就要會滅一個led；
3、多動手，程序不是寫出來的，是調出來和改出來的。

ESP8266 01S簡介：

使用AT功能之前，模塊內必須有AT的固件，每個模塊的生產廠商都會對樂鑫官方的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比的嵌入式無線網絡控制模塊。可滿足智能電網、樓宇自動化、安防、智能家居、遠程醫療等物聯網應用的需求。該模塊核心處理器ESP8266在較小尺寸封裝中集成了業界領先的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協議棧。用戶可以使用該模塊為現有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。

（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模塊進入升級模式：GPIO0處于低電平，然后模塊復位上電；Wi-Fi模塊進入正常工作模式：GPIO0處于高電平，模塊復位上電。

（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連接到遠程的服務器實現收發數據，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/關閉回顯

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

3、設置AP模式及AP參數

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

設置ESP8266流程如下：

1、首先發送AT+CWMODE?查詢模塊當前處于哪一種模式，下圖可以知道AT+CWMODE=2就是熱點模式。

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

1、設置WIFI模式為AP模式

2、設置AP熱點屬性

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

4、設置為Station模式

1、設置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：

現在我們的ESP8266已經與家中的路由器連接上了，現在我們如果想獲取連接的這個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IP以及網關地址和子網掩碼。

5、使用TCP實現局域網內的設備通信

建立TCP連接(AT+CIPSTART)

TCP實現局域網內的設備通信時先要讓ESP8266連接到家中的熱點。該條指令可以指定建立連接的協議類型，通常使用的有兩種：TCP和UDP。

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

哈哈，我相信很多初學者學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啊，那在這里我們的網絡調試助手的TCP Server就是我們要連接的網絡。

有人又要說了，我要連家中路由器的網啊，為啥要連網絡調試助手的網啊？這是因為如果你連家中的網，請問你如何給你家的路由器發送數據啊！你怎么知道路由器接收到了數據啊！路由器又咋給你發送數據啊！你又咋接收數據啊！我們這里用網絡調試助手的目的就是讓網絡調試助手來代替路由器局域網。TCP Server就是服務端的意思也是就是服務器。至于為啥用串口調試助手我就不用說了吧，只有你在串口助手上調試好了，我們才用單片機的串口結合ESP8266共同代替客服端，也就不需要調試助手了。

所以說，我們一定要在串口調試助手上把相關的數據調通了，把原理過程搞懂了之后我們再去搞單片機程序，再去搭建你的服務器而不是用網絡調試助手代替了。怎么樣現在明白了吧！

開啟透傳傳輸(AT+CIPMODE=1)

前面在使用TCP進行數據發送時，在每次發送數據之前都要指定發送數據的長度，而且在接收到數據之后，還會有+IPD,< len >的前綴，這樣很不方便進行數據的處理，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送數據時使用ATD+CIPSEND指令來告訴ESP8266開始透傳發送，隨后我們直接發送想要的數據即可，在接收到數據時，也沒有了+IPD,< len >前綴。

下面就是ESP8266連接當前環境的熱點，與服務器建立TCP連接，開啟透傳模式傳輸數據的過程，所有的字符和標點必須是英。

（1）設置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）開始透傳發送：AT+CIPSEND

（6）串口調試助手發送：hello I m TCP Client!

（7）網絡調試助手發送：hello I m TCP Server!

6、使用SmartConfig為設備配網

前面使用了AT+CWJAP指令來主動連接家中的WIFI，但是在大多數的物聯網產品中，缺少輸入WIFI密碼的輸入設備，如：鍵盤，更不能將程序交給用戶去修改家中的WIFI熱點名和密碼，在真正的項目開發中使用最多的方法就是通過一顆按鍵來使設備進入某種模式，并使用手機將當前WIFI的密碼告知該設備來實現WIFI配網，這種模式就是SmartConfig。在該模式下，ESP8266會監聽指定端口的UDP廣播包，如果收到符合規定格式的廣播包后會對其進行解析并獲得WIFI的SSID和PWD，然后自動連接獲取到的WIFI熱點，從而實現WIFI配網。

我們說到了ESP8266的AT指令集的使用。本來今天要講一下MQTT協議的，但考慮到物聯網知識體系的完整性，決定還是先說一下物聯網智能家居的控制過程和流程，以及關于MQTT協議中的訂閱和發布是什么意思。就算是下一章的前奏吧，請大家耐心看完

簡單地說，我們最終實現的目的，是要用STM32+ESP8266外加傳感器和繼電器來控制家中的開關，以及得到家中的各個電器的運行狀態。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電器和手機聯系起來了，手機可以通過路由器控制各個掛載在路由器上的器件，這是比較常用的模式。

一般來說，把手機叫做上位機，控制器叫做下位機，難道這就是我們常說的物聯網嗎？準確地說，這是不對的。畢竟只能圍繞著這個路由器，有一定的局限性。

比如，你到公司才想起忘了關家里的燈，那么只能跑回家，運氣好的話，在樓下就能連到家里的路由器，然后再通過手機app關燈。這時候你想，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……

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

一、理論知識

那么，怎么樣才能讓你在任何地方控制家里的電器（當然提前還是要有網）？

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

那么，什么是云服務器？云服務器又在哪？你就把它當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，還是別的什么設備，只要能連網就可以連接云服務器。

那么，連上服務器后，是不是就能直接控制了？當然可以！

剛學單片機的小伙伴肯定玩過串口實驗，從單片機發送字母xiaoshidi，串口調試助手就收到字母xiaoshidi，覺得很有趣。但有時候你會發現，如果你的串口通信的函數寫的不好，或者有誤的時候，就會出現通信錯誤，比如接收的數據是亂碼等，那么它的可靠性就不是很好了。

到底什么叫可靠性不好呢？比如這邊發過去的時候是xiaoshidi，運氣不好的話，那邊只可能收到的是shidi，這樣就會出事。所以，我們也不能直接向云服務器發送個簡單指令去控制下位機，需要有一定的約定。

比如，事先告訴服務器我要發送9個字母過來了，云服務器收到后就知道了，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議！

有句話叫“沒有物聯網協議就沒有智能安全”，其實關鍵就是協議，在物聯網中常用的就是MQTT協議。那么，為什么不用我們常見的http協議呢？只能自己百度了。這邊簡單介紹一下MQTT協議的原理，因為只要會MQTT，就能玩轉物聯網。

我們先來看個例子：

為什么能收到呢？是因為我關注它了，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/關家里電燈的問題了。不過前提是，手機和單片機都能連上云服務器（手機可以用家里的網或者4G就可以連到云服務器，單片機可以通過家里的WIFI就可以連到云服務器）。

這時可能有人會問，在微博里像“曉艷考研”那么有名，有很多人都會關注，比如小雅、小李等等，只要“曉艷考研”發布消息了，關注的人都能收到。

有的小伙伴腦子轉的溜，感覺這樣控制是有問題的。因為這樣的話，手機是統一控制了家里的電器，總不能都一起開、一起關吧？

關于MQTT理論，我們先說到這兒，其實還有很多玩法，比如在微博里“曉艷考研”也關注了我呢？這個有什么用？這樣可以用控制器采集信息上傳到我們的手機了！那就可以采集家中的環境數據上發到你的手機。

二、實現部分

根據下面這張圖，我們要做三部分：單片機、云服務器、手機。

1、單片機

一般來說，單片機也叫作控制器，或者下位機。我們這里用的是STM32單片機。

這時有人會問，為什么不用51單片機，或者arduino？因為現在用STM32的人太多了，arduino又體現不出你是一個電子信息專業的，51就不用說了。

可能又有人說，你為啥不用esp32，本來就可以當一塊單片機，搞個STM32豈不是太麻煩？

此言差矣！我們這里是把ESP8266當做一個模塊使用，我僅僅用STM32的串口就可以控制它連網。但如果單單只用ESP32的話，就大大增加了開發的難度，也就是我們通常說的SDK開發，而且學習的同時，又能鞏固單片機的知識，搞SDK確實不適合初學者。

最后，我們的MQTT協議轉換成C語言代碼已經有前輩寫好了，我們的目的就是學會它，學會反向學習，才能增加你對新事物的學習興趣。MQTT協議是現成的，拿來用即可！

在理論部分提到的MQTT協議是整個物聯網的核心，所以單片機、手機和云服務器都要有這協議。這就好比三個中國人在聊天，一個日本人過來聽，他根本聽不懂，因為他沒有“中文”這個能力。所以，控制器也要有這個解析協議的能力。

2、服務器

服務器可以理解成一臺普通的電腦，只是它的性能比較穩定不容易死機。目前服務器有很多，做得比較大的像騰訊云、阿里云等等，購買服務器也是個坑，大家需謹慎！前期的話，大家學習不用買，登錄生活物聯平臺用現成的，后面我會講到。

3、手機

一般把手機也叫上位機，上位機還有電腦、平板等等，實驗中是用手機發送命令來控制我們的單片機。那么手機能打開直接能操作嗎？顯然不能，需要編寫相應的程序界面。

如果你是安卓手機，可以用android studio軟件編寫相應的app程序。當然，前期的話，大家不要去想著做一個app，難度還是蠻大的。

【三】

在學習MQTT之前，我們要明白MQTT通訊是通過很多的報文組成的，這就好比二戰時期發電報進行兩軍之間的通信。這個報文呢，主要由三部分組成：固定報文+可變報文+有效載荷，這是官方起的名字，你可以把它理解為開頭+正文+結尾，這樣就好理解多了是吧？！

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

啥意思呢？這就好比你第一次去你女朋友家，你要首先打一個電話（Connect控制報文）征得叔叔阿姨的同意啊！叔叔阿姨同意之后（服務器確認建立連接）你才能去對吧，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吧！

00:22

1、CONNECT控制報文主要由三部分組成：固定報頭、可變報頭、有效載荷。

2、假設我們得到了固定報頭是“liuyao”、可變報頭是“iloveyou”、有效載荷是“zhuxiaoya”。我們要把這些字母轉換成對應的16進制。然后再把它們串聯起起來就得到。

1、固定報頭

最終固定報頭：綜上可得固定報頭為:10 ??（??我們在后面的實驗會提到，先不著急）。

2、可變報頭

2.1 協議名

2.2 協議級別

2.3 連接標志

2.4 保持連接

2.5 總結

2.6 最終可變報頭

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

3、有效載荷

3.1 原始數據

3.2 加工后的數據

3.3 轉換成16進制

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控制報文

固定報頭+可變報頭+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