ESP8266

徐徐   in Beijing

前一段时间突发奇想想做一个硬件。

需求是这样的：在老家一般太阳能加水都是使用水泵抽到房顶，当水满的时候，关掉水泵的电源。 这样其实显得不够自动化，每次还要人看着，如果有一个硬件能控制，那可真是太棒了，哈哈。从硬件的实现角度来讲也很简单：就是通过水位的变化控制水泵的开关。

注意，接下来的硬件提到到继电器，严肃提示：⚠️高压危险⚠️！

# 硬件选型

作为一名软件工程师，从来没有研究过嵌入式领域。一开始想到的就是非常出名的树莓派，但是成本比较高，杀鸡用牛刀。

经过一番探索，一个物美价廉的产品出现：ESP8266 (opens new window)。这个小东西十几块钱就能从某宝上买到，而且还是一块带有 WIFI 功能的 MCU (opens new window)。 由我国的乐鑫科技设计。

esp8266

ESP8266 只是芯片的名称，我们买到的基本上都是一块设计好的开发板，有开发用的引脚，还有已经集成好的和开发计算机交互用的串口芯片等等。

当然如果会 PCB 设计，也可以自己设计，把需要的元器件、传感器设计到一个 PCB 上，这样就不需要使用线材连接传感器到这种通用开发板，显得不是很优雅。

聊到开发板，就不得不提 Arduino (opens new window)。Arduino 是一个开源的电子原型平台，包括各种型号的 Arduino 的开发板、嵌入式开发用的 Arduino IDE。 通过 Arduino IDE ，可以很方便的和各种传感器交互（库很丰富，而且 Arduino 环境对硬件抽象的也很好）。不过 Arduino 的开发板比 ESP8266 十几块的价格贵，幸运的是 ESP8266 也支持在 Arduino 环境下开发。 接下来的开发也都是在这个环境下。

最终本次需求的硬件是：

  • 水位传感器（Water Sensor）
  • 继电器
  • 升压模块（继电器工作电压是 5v，ESP8266 供电引脚为 3.3v）
  • ESP8266 开发板
  • 连接线
  • 万用表（测试电路通断，测量升压模块输出电压）

当然为了玩，还买了其他的传感器，例如温湿度传感器、单色 LCD 显示器、蜂鸣器等。

# 预备

在准备为芯片编程之前，还是需要了解一些嵌入式开发的基础知识。 先上一张开发板的引脚图：

esp8266-gpio

图中的引脚 3.3v、GND（负极）是供电引脚，为传感器供电，有一些传感器要求是 5v，这个时候就要连接升压模块才能使传感器正常工作。 我们将开发板的引脚和传感器的引脚使用线材相连，为了方便，也可以使用面包板。

引脚中最多的就是 GPIO (opens new window) 了，可以通过这个引脚接收和输入数据（电位高低）和传感器交互。GPIO 接收的是数字信号，也就是 0 或者 1，左上角的 ADC0 引脚可以接收模拟信号，取值范围为 0 ~ 1023。

esp8266-line

# 开发环境

开发环境使用 Arduino，网上可以很容易找到 ESP8266 在 Arduino 环境的配置，这里就不再介绍了，打开 Arduino IDE，将开发板和电脑通过 USB 相连，就可以进行开发了。

这里额外说一下，要想电脑识别到开发板，需要安装对应开发板串口芯片的驱动才行，买的时候商品上面有标识，如果没有的话可以看一下 Micro USB 接口附近的芯片，一般靠近最大的就是，我的芯片是 CH340，直接 Google 关键词就可以找到驱动了。

# 编码

Arduino 对硬件的抽象非常简单，我们只要使用 C/C++ 语言对两个函数编程就可以了。一个是初始化函数 setup，在硬件上电或者重置的时候运行一次，这个函数内可以进行连接 WIFI，启动一个精简的 web 服务器等等操作。另外的 loop 函数相当于 main 函数，只不过这个函数会被无限循环调用，这个函数编写主逻辑。

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}
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比如要获取水位传感器的数据，只需要这么写就 ok 了：

void setup() {
  pinMode(12, INPUT); // 设置 GPIO12 为 INPUT 模式，GPIO12 对应的是 D6 接口，水位传感器的信号线自行连接的位置
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // 开发板自带的 LED 灯设置为 OUTPUT 模式
}

void loop() {
  // 这些主逻辑就比较简单了，当水位传感器为 LOW 信号时候，则没有水
  // 这时候设置 LED 灯熄灭（LED 灯高电平为熄灭信号）
  // 反之亦然
  if( digitalRead(12) == LOW) {
      digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  } else {
      digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  }
  // 休眠 50ms
  delay(50);
}
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由于 GPIO 为数字信号，无法读取此传感器的模拟信号（水位高低），如果要读取水位高低的模拟信号，需要将传感器信号线连接至 ADC0 模拟信号针脚，代码改写如下：

void setup() {
  // 打开串口通讯，波特率设置 115200，这样就可以通过串口监视器查看数据，其实就是编程的控制台
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  // 读取模拟信号针脚 A0 数据，输出到串口
  // 当然由于水位传感器的精度问题，这个也并不是很准。
  int val = analogRead(A0);
  Serial.println(val);
  delay(50);
}
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所以最终需求代码很简单，就不演示了。综合来讲就是当水位传感器检测到水，控制继电器断开就完成了，当然你也可以加入更复杂的功能，例如当断开的时候蜂鸣器鸣叫，每天定时接通电源等等。不过还是要注意安全，继电器是需要连接 220v 市电的。

无论是水位传感器还是继电器、LED 灯、蜂鸣器只需要简单控制电位高低就可以控制了，但是还有一些比较复杂的传感器，比如温湿度传感器、OLED mini 显示屏等等，这些就比较麻烦了。

# 深入了解

先来看读取温湿度传感器数据的 Demo：

#include <dhtnew.h>

DHTNEW mySensor(5);

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
}

void loop()
{
  mySensor.read();
  Serial.print(mySensor.getHumidity(), 1);
  Serial.print("\n");
  Serial.print(mySensor.getTemperature(), 1);
  Serial.print("\n");
  delay(1000);
}
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直接使用 dhtnew (opens new window) 库读取温湿度信息即可。库帮助我们封装了和传感器交互的协议，所以在这里看到的就很简单。接下来深入一下和传感器的交互协议。这里使用的传感器为 DHT11，下图为和传感器的交互时序：

DHT11_start

综合来讲，就是 MCU 将对应的数据针脚按照这个时序输出，就会收到传感器对应的数据回应。

大致流程为 MCU 下拉至少 18ms，然后再拉高 20-40μs，如果没问题，传感器会先拉低电位约 80μs，之后拉高 80μs，接下来传感器就开始传输 40bit 的温湿度数据了。

这部分逻辑在库中的 _readSensor 函数中：

int DHTNEW::_readSensor()
{
  // ...
  pinMode(_dataPin, OUTPUT);
  digitalWrite(_dataPin, LOW);
  delayMicroseconds(_wakeupDelay * 1100UL);
  digitalWrite(_dataPin, HIGH);
  delayMicroseconds(2);
  pinMode(_dataPin, INPUT_PULLUP);
  // 接下来就是读取 40bit 数据的代码
}
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最后数据 “0” 和 “1” 的判别是：

  • 0 为 50μs 的低电平和 26-28μs 的高电平
  • 1 为 50μs 的低电平和 70μs 的高电平

对应代码为：

for (uint8_t i = 40; i != 0; i--)
{
  if (_waitFor(HIGH, 70)) return DHTLIB_ERROR_TIMEOUT_C;
  // 26-28 us ==> 0
  //    70 us ==> 1
  uint32_t t = micros();
  if (_waitFor(LOW, 90)) return DHTLIB_ERROR_TIMEOUT_D;
  if ((micros() - t) > DHTLIB_BIT_THRESHOLD)
  {
    _bits[idx] |= mask;
  }
  mask >>= 1;
  if (mask == 0)
  {
    mask = 0x80;
    idx++;
  }
}
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除了这些协议，还有一些通用的协议，就和软件世界的 HTTP 协议一样，硬件世界里例如 I2C 协议，和小显示器通讯就是使用这个协议，不过我们也不用自己实现复杂的时序输出，一般都有库实现。

在软件的世界里，协议可能是约定好的 JSON 格式，或者二进制的 bit，而在硬件的世界里，协议就是电位的高低，持续时间这些参数。

# NonOS 和 RTOS

在 Arduino 环境下，ESP8266 的 SDK 是基于官方的 NonOS SDK 制作的，可以理解为运行在芯片上的只是程序并没有操作系统的概念，官方的说法是：Non-OS SDK 主要使⽤定时器和回调函数的⽅式实现各个功能事件的嵌套，达到特定条件下触发特定功能函数的目的。

另外还有基于 FreeRTOS 的版本，FreeRTOS 是一个开源的，嵌入式的实时操作系统，是一个简要结构的系统，可以理解为系统和应用程序都会打包运行在内核态。

由于单片机的性能有限，所以一些基础应用例如文件系统、内存管理一般都是专门开发的，比如 Arduino 环境下的 SDK 内存管理器是使用的 umm_malloc (opens new window)，还有文件系统 littlefs (opens new window)。

# 参考资料

硬件选型
预备
开发环境
编码
深入了解
NonOS 和 RTOS
参考资料