Использование Wi-Fi в ESP32-S3 с помощью ESP-IDF (урок 6)

В современных встраиваемых системах возможности подключения так же важны, как и вычислительная мощность. Wi-Fi — это технология беспроводной связи, позволяющая устройствам обмениваться данными по локальным сетям с использованием стандартов IEEE 802.11. Благодаря интеграции Wi-Fi наш микроконтроллер превращается из изолированного калькулятора в устройство Интернета вещей (IoT), способное синхронизироваться с облачными серверами, предоставлять веб-интерфейсы пользователя и взаимодействовать с другими интеллектуальными устройствами.

ESP32-S3 оснащен высокоинтегрированным модулем Wi-Fi и MAC (Media Access Control). В рамках ESP-IDF драйвер Wi-Fi использует несколько основных системных компонентов, в первую очередь энергонезависимую память (NVS) для сохранения сетевых учетных данных и цикл событий для управления асинхронными сетевыми событиями, такими как подключение, отключение или получение IP-адреса.

Wi-Fi-устройство может работать в различных режимах в зависимости от потребностей проекта:

Режим станции (STA): ESP32-S3 выступает в качестве клиента и подключается к существующему маршрутизатору.
Режим точки доступа (AP): ESP32-S3 создает собственную сеть Wi-Fi, позволяя другим устройствам, таким как смартфоны или ноутбуки, подключаться к ней напрямую.
Режим AP+STA: чип выполняет обе функции одновременно.

Wi-Fi-связь на ESP32-S3 осуществляется через сетевой стек ESP-IDF, построенный на основе TCP/IP и FreeRTOS.

Цели данного урока

Изучение возможностей Wi-Fi на ESP32-S3.
Настройка режима точки доступа (AP).
Настройка режима станции (STA).

Протокол Wi-Fi

Wi-Fi — это технология беспроводной связи, основанная на стандарте IEEE 802.11. Вместо использования физических кабелей Ethernet устройства обмениваются данными, передавая их посредством радиоволн.

Типичная сеть Wi-Fi включает в себя:

Маршрутизатор или точка доступа (AP), управляющая сетью.
Множество клиентских устройств, таких как смартфоны, ноутбуки, датчики или микроконтроллеры, например, ESP32-S3.

Когда устройства подключаются к одной и той же сети Wi-Fi, они могут обмениваться данными, используя сетевые протоколы и уникальные IP-адреса. Когда устройство подключается к сети:

Маршрутизатор выполняет аутентификацию устройства.
Устройство получает IP-адрес.
Обмен данными происходит в виде пакетов.

TCP/IP и HTTP

Wi-Fi обеспечивает лишь беспроводное соединение между устройствами. Он действует как канал, позволяющий устройствам передавать сигналы по воздуху. Однако сам по себе Wi-Fi не определяет, как данные организуются, передаются, доставляются или понимаются между устройствами.

Для обеспечения связи ESP32-S3 использует сетевые протоколы более высокого уровня, в основном:

TCP/IP обеспечивает обмен данными между устройствами по сети.
Протокол HTTP обеспечивает обмен данными между веб-клиентами и веб-серверами.

TCP/IP

TCP/IP — это базовая структура, позволяющая устройствам взаимодействовать друг с другом в любой сети. Это сочетание двух различных протоколов:

Интернет-протокол (IP): сосредоточен на адресации и маршрутизации. Каждому устройству присваивается цифровой адрес (например, 192.168.1.50) и данные разбиваются на более мелкие пакеты для их отправки. Не гарантируется безопасная доставка.
Протокол управления передачей (TCP), который работает поверх IP и обеспечивает надежность. Он устанавливает стабильное соединение перед отправкой данных, отслеживает пакеты, упорядочивает их в правильном порядке и запрашивает повторную отправку, если что-либо потеряно или повреждено.

В ESP32-S3 протокол TCP/IP интегрирован в сетевой стек ESP-IDF, который автоматически обрабатывает все низкоуровневые сетевые коммуникации. После подключения к Wi-Fi устройство может получить IP-адрес, установить TCP-соединения и взаимодействовать с другими устройствами без необходимости ручного управления обработкой пакетов.

HTTP (Web Communication Layer)

HTTP, или протокол передачи гипертекста, построен на основе TCP/IP и используется специально для веб-коммуникаций. В то время как TCP/IP определяет способ передачи данных, HTTP определяет, что означают эти данные и как они должны быть структурированы при обмене между такими системами, как веб-браузеры, серверы и устройства IoT.

Протокол HTTP использует модель «клиент-сервер», где одно устройство отправляет запрос, а другое — отвечает. Клиент запрашивает ресурс или отправляет данные, а сервер обрабатывает этот запрос и возвращает ответ. Такая структурированная коммуникация позволяет устройствам взаимодействовать предсказуемым и стандартизированным образом.

Например, когда ESP32-S3 выступает в качестве HTTP-клиента, он может отправлять данные с датчиков на веб-сервер с помощью HTTP-запроса. Запрос содержит как сами данные, так и инструкции о том, какое действие следует выполнить, например, сохранить данные или проанализировать их. Затем сервер отвечает сообщением о состоянии, подтверждающим успешность запроса или возвращающим дополнительную информацию.

В протоколе HTTP используются различные методы для определения способа обмена данными между клиентом и сервером. Наиболее распространенными являются GET, POST и PUT.

Метод GET используется для получения данных с сервера без внесения каких-либо изменений. Он в основном используется для чтения информации.
Метод POST используется для отправки данных на сервер, например, для загрузки значений датчиков, таких как температура или влажность.
Метод PUT используется для обновления существующих данных на сервере.

Режим точки доступа (AP)

Когда ESP32-S3 настроен в режиме точки доступа (AP), он создает собственную беспроводную сеть и транслирует идентификатор набора служб (SSID). Находящиеся поблизости устройства, такие как смартфоны, ноутбуки или планшеты, могут сканировать этот SSID и подключаться непосредственно к ESP32-S3 так же, как они подключаются к стандартному Wi-Fi-роутеру.

В этом режиме ESP32-S3 также может работать как HTTP-сервер. Это позволяет микроконтроллеру функционировать как небольшой веб-сервер, способный размещать веб-страницы, получать данные из веб-форм и взаимодействовать с мобильными или веб-приложениями. В результате пользователи могут взаимодействовать с ESP32-S3 через браузерный интерфейс без необходимости внешнего подключения к Интернету или маршрутизатора.

Инициализация и установка режима

Прежде чем устройства смогут подключаться к ESP32-S3, необходимо инициализировать и настроить драйвер Wi-Fi в режиме точки доступа (AP). Здесь приведен пример того, как можно инициализировать стек Wi-Fi, перевести ESP32-S3 в режим точки доступа и настроить основные сетевые учетные данные.

#include "esp_wifi.h"  
#include "esp_event.h"  
#include "nvs_flash.h"  
#include <string.h>

void wifi_init_ap(void)  {  
	// Initialize NVS  
	nvs_flash_init();  
  
	// Initialize TCP/IP stack  
	esp_netif_init();  
  
	// Create default event loop  
	esp_event_loop_create_default();  
  
	// Create default Wi-Fi AP interface  
	esp_netif_create_default_wifi_ap();  
  
	// Initialize Wi-Fi driver  
	wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();  
	esp_wifi_init(&cfg);  
  
	// Configure Access Point settings  
	wifi_config_t ap_config = {  
		.ap = {  
		.ssid = "ESP32_AP",  
		.ssid_len = strlen("ESP32_AP"),  
		.password = "mypassword123",  
		.max_connection = 4,  
		.authmode = WIFI_AUTH_WPA_WPA2_PSK  
		},  
	};  
  
	// Set Wi-Fi mode to Access Point  
	esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_AP);  
  
	// Apply AP configuration  
	esp_wifi_set_config(WIFI_IF_AP, &ap_config);  
  
	// Start Wi-Fi  
	esp_wifi_start();  
}

#include "esp_wifi.h"

#include "esp_event.h"

#include "nvs_flash.h"

#include <string.h>

void wifi_init_ap(void) {

// Initialize NVS

nvs_flash_init();

// Initialize TCP/IP stack

esp_netif_init();

// Create default event loop

esp_event_loop_create_default();

// Create default Wi-Fi AP interface

esp_netif_create_default_wifi_ap();

// Initialize Wi-Fi driver

wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();

esp_wifi_init(&cfg);

// Configure Access Point settings

wifi_config_t ap_config = {

.ap = {

.ssid = "ESP32_AP",

.ssid_len = strlen("ESP32_AP"),

.password = "mypassword123",

.max_connection = 4,

.authmode = WIFI_AUTH_WPA_WPA2_PSK

};

// Set Wi-Fi mode to Access Point

esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_AP);

// Apply AP configuration

esp_wifi_set_config(WIFI_IF_AP, &ap_config);

// Start Wi-Fi

esp_wifi_start();

}

Прежде чем модуль Wi-Fi сможет включиться, код инициализирует основную программную среду:

nvs_flash_init(): настраивает энергонезависимую память (NVS). Драйвер Wi-Fi ESP32 использует эту постоянную память для хранения данных калибровки и внутренних конфигураций Wi-Fi.
esp_netif_init(): инициализирует базовый сетевой стек TCP/IP, который позволяет микросхеме управлять IP-адресами и сетевыми пакетами.
esp_event_loop_create_default(): создает общесистемный цикл событий. Поскольку операции Wi-Fi происходят асинхронно (например, подключение или отключение устройства), этот цикл отправляет оповещения, на которые ваш код сможет отреагировать позже.
esp_netif_create_default_wifi_ap(): создает сетевой интерфейс по умолчанию, специально адаптированный для точки доступа, привязывая стек TCP/IP к оборудованию Wi-Fi.
esp_wifi_init(&cfg): код загружает набор стандартных, безопасных внутренних конфигураций WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT() и передает их функции инициализации Wi-Fi. Это выделяет необходимую память, запускает задачу Wi-Fi и пробуждает драйвер Wi-Fi.

Далее, код определяет функциональность вашей точки доступа, используя структуру wifi_config_t:

SSID ("ESP32_AP"): это общедоступное имя сети Wi-Fi, которое устройства будут видеть при сканировании.
Пароль ("mypassword123"): ключ безопасности, необходимый для подключения к сети.
Максимальное количество подключений (4): ограничивает количество одновременно подключенных клиентских устройств в сети до 4, экономя оперативную память и вычислительную мощность.
Режим аутентификации ( WIFI_AUTH_WPA_WPA2_PSK): обеспечивает стандартную безопасность WPA/WPA2. Последующее условие if служит проверкой безопасности: если строка пароля полностью пуста, режим безопасности автоматически понижается до WIFI_AUTH_OPEN, позволяя любому подключиться без пароля.

После определения конфигурации точки доступа ESP32 переключается в режим точки доступа, конфигурация применяется, и запускается служба Wi-Fi.

esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_AP): эта опция настраивает ESP32 на работу исключительно в режиме точки доступа, позволяя ему создавать и транслировать собственную беспроводную сеть вместо подключения к другому маршрутизатору в качестве клиента.
esp_wifi_set_config(WIFI_IF_AP, &ap_config): применяет ранее определенные настройки точки доступа, включая SSID, пароль, режим аутентификации и максимальное количество подключенных клиентов.
esp_wifi_start(): запускает драйвер Wi-Fi и позволяет радиомодулю ESP32 начать трансляцию настроенной сети и принимать входящие клиентские подключения.

Создание и запуск HTTP-сервера

На этом этапе устройства могут успешно подключаться к сети Wi-Fi ESP32-S3. Однако простого подключения к сети недостаточно для осуществления связи. ESP32 по-прежнему необходим способ приема запросов и отправки ответов подключенным устройствам. Именно здесь вступает в действие HTTP-сервер.

HTTP-сервер позволяет ESP32-S3 работать как миниатюрный веб-сервер. После запуска сервера телефоны, ноутбуки или браузеры, подключенные к точке доступа ESP32, могут отправлять HTTP-запросы, такие как:

Открытие веб-страницы, размещенной на ESP32.
Отправка команд для управления светодиодами или датчиками.
Запрос показаний датчиков или информации о системе.
Обмен данными с микроконтроллером через API.

Без HTTP-сервера ESP32 создаст сеть Wi-Fi, но подключенные устройства не смогут структурированно взаимодействовать с встроенным программным обеспечением микроконтроллера. Фреймворк ESP-IDF уже предоставляет легковесную встроенную библиотеку HTTP-сервера esp_http_server, которая значительно упрощает создание веб-интерфейсов и REST API.

Вот простой пример, демонстрирующий, как создать и запустить HTTP-сервер, а также зарегистрировать базовую веб-точку доступа на ESP32-S3:

#include "esp_http_server.h"

// 1. Define the handler function for incoming requests
esp_err_t hello_get_handler(httpd_req_t *req) {
    const char* resp_str = "Hello from ESP32-S3!";
    
    // Send the response back to the client
    httpd_resp_send(req, resp_str, HTTPD_RESP_USE_STRLEN);
    
    return ESP_OK;
}

// 2. Define the URI structure linking the URL to the handler
httpd_uri_t hello_uri = {
    .uri      = "/hello",
    .method   = HTTP_GET,
    .handler  = hello_get_handler,
    .user_ctx = NULL
};

// 3. Function to initialize and start the server
httpd_handle_t start_webserver(void) {
    httpd_handle_t server = NULL;
    
    // Pull default server configuration
    httpd_config_t config = HTTPD_DEFAULT_CONFIG();

    // Start the HTTP server
    if (httpd_start(&server, &config) == ESP_OK) {
        // Register the URI handler if the server starts successfully
        httpd_register_uri_handler(server, &hello_uri);
        return server;
    }

    return NULL; // Return NULL if server failed to start
}

#include "esp_http_server.h"

// 1. Define the handler function for incoming requests

esp_err_t hello_get_handler(httpd_req_t *req) {

const char* resp_str = "Hello from ESP32-S3!";

// Send the response back to the client

httpd_resp_send(req, resp_str, HTTPD_RESP_USE_STRLEN);

return ESP_OK;

}

// 2. Define the URI structure linking the URL to the handler

httpd_uri_t hello_uri = {

.uri = "/hello",

.method = HTTP_GET,

.handler = hello_get_handler,

.user_ctx = NULL

};

// 3. Function to initialize and start the server

httpd_handle_t start_webserver(void) {

httpd_handle_t server = NULL;

// Pull default server configuration

httpd_config_t config = HTTPD_DEFAULT_CONFIG();

// Start the HTTP server

if (httpd_start(&server, &config) == ESP_OK) {

// Register the URI handler if the server starts successfully

httpd_register_uri_handler(server, &hello_uri);

return server;

}

return NULL; // Return NULL if server failed to start

}

Прежде чем сервер сможет начать прослушивание входящих соединений, код инициализирует свои основные настройки и запускает соответствующую задачу:

httpd_config_t config = HTTPD_DEFAULT_CONFIG() - эта команда извлекает набор стандартных, безопасных внутренних конфигураций для веб-сервера. Она обрабатывает такие фоновые детали, как назначение порта веб-трафика по умолчанию (порт 80), установка максимального количества открытых сокетов и определение приоритетов задач.
httpd_start(&server, &config): выделяет необходимую память, запускает фоновую задачу HTTP-сервера и открывает порт прослушивания на ранее созданном интерфейсе сети Wi-Fi. В случае успеха, присваивает запущенный экземпляр сервера нашей переменной server.

Далее, код определяет поведение нашей веб-конечной точки с помощью структуры httpd_uri_t. Это определяет, как сервер должен маршрутизировать входящий трафик:

URI ("/hello"): конкретный сетевой путь или конечная точка, к которой будет обращаться клиент (например, [http://192.168.4.1/hello](http://192.168.4.1/hello)).
Метод (HTTP_GET): тип ожидаемого HTTP-запроса. HTTP_GET повсеместно используется для получения данных (например, при загрузке веб-страницы), тогда как другие методы, такие как , HTTP_POST используются для получения данных от клиента.
Handler (hello_get_handler): указатель на пользовательскую функцию на языке C, которую ESP32-S3 будет автоматически выполнять всякий раз, когда клиент переходит по этому конкретному URI.
Контекст пользователя (NULL): необязательный указатель, позволяющий передавать пользовательские данные или переменные в функцию обработчика. Здесь мы оставляем его пустым.

После запуска сервера и определения правил маршрутизации код связывает их между собой и обрабатывает фактический ответ клиента:

httpd_register_uri_handler(server, &hello_uri): привязывает созданную нами структуру URI к активному серверу. Это действует как каталог сервера, точно указывая, какую функцию следует запустить при поступлении соответствующего запроса.
httpd_resp_send(req, resp_str, HTTPD_RESP_USE_STRLEN): этот код, находящийся внутри нашей функции-обработчика, принимает нашу исходную строку ( "Hello from ESP32-S3!"), автоматически вычисляет её длину с помощью HTTPD_RESP_USE_STRLEN, и упаковывает её в стандартный HTTP-ответ. Затем он передаёт эту полезную нагрузку обратно по Wi-Fi в браузер или устройство, которое её запросило.

Обработка запросов

Теперь, когда HTTP-сервер запущен, следующим шагом будет изучение того, как ESP32 обрабатывает входящие запросы от подключенных устройств.

Когда браузер, мобильное приложение или другой клиент взаимодействует с ESP32, он отправляет HTTP-запрос на определенный адрес, называемый URI (Uniform Resource Identifier). URI работает как маршрут или конечная точка, которая указывает серверу, какая функциональность должна быть выполнена.
Например:

/ → Главная страница
/led/on → Включить светодиод
/sensor → Считывание данных с датчика
/api/data → Возвращает информацию в формате JSON

HTTP-сервер ESP32 позволяет прикреплять к этим URI функции-обработчики. При каждом обращении клиента к определенному маршруту соответствующая функция-обработчик автоматически выполняется.

#include "esp_http_server.h"

// Handler function
esp_err_t hello_handler(httpd_req_t *req){
    const char* response = "Hello from ESP32!";
    
    httpd_resp_send(req, response, HTTPD_RESP_USE_STRLEN);

    return ESP_OK;
}

// URI configuration
httpd_uri_t hello_uri = {
    .uri      = "/hello",
    .method   = HTTP_GET,
    .handler  = hello_handler,
    .user_ctx = NULL
};

#include "esp_http_server.h"

// Handler function

esp_err_t hello_handler(httpd_req_t *req){

const char* response = "Hello from ESP32!";

httpd_resp_send(req, response, HTTPD_RESP_USE_STRLEN);

return ESP_OK;

}

// URI configuration

httpd_uri_t hello_uri = {

.uri = "/hello",

.method = HTTP_GET,

.handler = hello_handler,

.user_ctx = NULL

};

Эта функция hello_handler() отвечает за генерацию ответа, отправляемого клиенту. Внутри функции httpd_resp_send() осуществляется передача данных через HTTP-соединение.

Структура httpd_uri_t определяет, как будет вести себя маршрут:

.uri указывает адрес конечной точки.
.method определяет метод HTTP, например GET, или POST.
.handler указывает на функцию, выполняемую при поступлении запроса.
.user_ctx может хранить необязательные пользовательские данные.

Однако одного лишь указания URI недостаточно. Обработчик также должен быть зарегистрирован на работающем HTTP-сервере.

httpd_register_uri_handler(server, &hello_uri);

1	httpd_register_uri_handler(server, &hello_uri);

После регистрации посетите:

http://192.168.4.1/hello

1	http://192.168.4.1/hello

При подключении браузера к точке доступа ESP32 обработчик будет запущен, и будет возвращен следующий результат:

Hello from ESP32!

1	Hello from ESP32!

Возвращаемые HTML-страницы

Отправка обычного текста полезна для тестирования, но большинству реальных приложений требуются полноценные веб-страницы с кнопками, стилями и интерактивным контентом.

Вместо возврата простых строк, ESP32 может также отправлять полные HTML-документы непосредственно в браузер.

esp_err_t webpage_handler(httpd_req_t *req){
    const char* html_page =
        "<!DOCTYPE html>"
        "<html>"
        "<head>"
        "<title>ESP32 Web Server</title>"
        "</head>"
        "<body>"
        "<h1>ESP32-S3 Web Server</h1>"
        "<p>Hello from the ESP32!</p>"
        "</body>"
        "</html>";

    httpd_resp_set_type(req, "text/html");
    httpd_resp_send(req, html_page, HTTPD_RESP_USE_STRLEN);
    return ESP_OK;
}

esp_err_t webpage_handler(httpd_req_t *req){

const char* html_page =

"<!DOCTYPE html>"

"<html>"

"<head>"

"<title>ESP32 Web Server</title>"

"</head>"

"<body>"

"<h1>ESP32-S3 Web Server</h1>"

"<p>Hello from the ESP32!</p>"

"</body>"

"</html>";

httpd_resp_set_type(req, "text/html");

httpd_resp_send(req, html_page, HTTPD_RESP_USE_STRLEN);

return ESP_OK;

}

Перед отправкой ответа тип содержимого изменяется следующим образом:

httpd_resp_set_type(req, "text/html");

1	httpd_resp_set_type(req, "text/html");

Этот заголовок сообщает браузеру, что ответ содержит HTML-код, а не обычный текст. Без этого заголовка браузер просто отобразил бы необработанный HTML-код как текст.

После загрузки страницы в браузере ESP32 работает как миниатюрный веб-сервер, способный размещать панели мониторинга, панели управления и интерфейсы мониторинга.

Работа с GET-запросами

Этот метод GET в основном используется, когда клиент хочет получить информацию с ESP32.
Например:

Считывание показаний датчика.
Загрузка веб-страниц.
Запрос состояния системы.
Получение информации о конфигурации.

Браузер автоматически отправляет запрос GET при каждом открытии веб-страницы.

httpd_uri_t sensor_uri = {
    .uri = "/sensor",
    .method = HTTP_GET,
    .handler = sensor_handler,
    .user_ctx = NULL
};

httpd_uri_t sensor_uri = {

.uri = "/sensor",

.method = HTTP_GET,

.handler = sensor_handler,

.user_ctx = NULL

};

Когда пользователь обращается к функции /sensor, она выполняет sensor_handler() и может возвращать показания датчиков или информацию об устройстве.

GET-запросы просты и не требуют больших объемов данных, поскольку обычно не содержат большого количества входящих данных.

Работа с POST-запросами

В отличие от метода GET, который в основном используется для запроса или получения данных с сервера, метод POST применяется, когда клиенту необходимо отправить данные на ESP32. Используя этот метод POST, веб-интерфейс может напрямую взаимодействовать с ESP32 и безопасно и эффективно передавать пользовательский ввод, значения конфигурации или команды.

Вот простой обработчик POST-запросов:

esp_err_t post_handler(httpd_req_t *req){
    char buffer[100];

    int received = httpd_req_recv(req, buffer, req->content_len);

    if (received <= 0) {
        return ESP_FAIL;
    }

    buffer[received] = '\0';

    printf("Received Data: %s\n", buffer);

    httpd_resp_send(req, "Data Received", HTTPD_RESP_USE_STRLEN);

    return ESP_OK;
}

esp_err_t post_handler(httpd_req_t *req){

char buffer[100];

int received = httpd_req_recv(req, buffer, req->content_len);

if (received <= 0) {

return ESP_FAIL;

}

buffer[received] = '\0';

printf("Received Data: %s\n", buffer);

httpd_resp_send(req, "Data Received", HTTPD_RESP_USE_STRLEN);

return ESP_OK;

}

Самое важное здесь следующее:

httpd_req_recv()

1	httpd_req_recv()

Эта функция считывает и извлекает входящие данные, отправленные клиентом. Например, веб-страница может отправить:

led=on&motor=off

1	led=on&motor=off

ESP32 получает эти данные, обрабатывает их и выполняет необходимое действие.

Для регистрации маршрута в качестве POST-запроса используется следующий код HTTP_POST:

httpd_uri_t post_uri = {
    .uri = "/submit",
    .method = HTTP_POST,
    .handler = post_handler,
    .user_ctx = NULL
};

httpd_uri_t post_uri = {

.uri = "/submit",

.method = HTTP_POST,

.handler = post_handler,

.user_ctx = NULL

};

Возвращение JSON-ответов

До этого момента мы рассматривали ESP32 как традиционный веб-сервер, генерирующий целые HTML-страницы и отправляющий их в браузер. Хотя это работает для базовых конфигураций, современная веб-разработка обычно работает иначе. Вместо отправки громоздких, предварительно отформатированных пользовательских интерфейсов устройства передают друг другу необработанные, легковесные данные, оставляя пользовательский интерфейс для отрисовки мобильным приложением, фронтенд-фреймворком (например, React или Vue) или настольным приложением.

Для эффективного выполнения этой задачи мы используем JSON.

JSON, что расшифровывается как JavaScript Object Notation (нотация объектов JavaScript), — это легковесный текстовый формат, используемый для хранения и передачи данных. Представьте его как универсальную валюту интернета. Независимо от того, написан ли ваш сервер на C (как ESP32), ваше мобильное приложение на Swift или ваш фронтенд на JavaScript, все они могут читать и записывать JSON без потери данных при передаче.

JSON полностью построен на двух структурах:

Пары «ключ-значение»: ключ должен представлять собой строку в двойных кавычках, за которой следует двоеточие, а затем его значение.
Объекты: наборы этих пар, заключенные в фигурные скобки {}.

Вот как выглядят стандартные JSON-данные, представляющая показания датчиков:

{
  "temperature": 24.5,
  "humidity": 60,
  "device_name": "ESP32_LivingRoom",
  "status_ok": true
}

{

"temperature": 24.5,

"humidity": 60,

"device_name": "ESP32_LivingRoom",

"status_ok": true

}

Вот как мы реализуем чистый JSON-ответ с помощью компонента HTTP-сервера ESP-IDF:

esp_err_t json_handler(httpd_req_t *req){
    const char* json_response =
        "{"
        "\"temperature\":24,"
        "\"humidity\":60"
        "}";

    httpd_resp_set_type(req, "application/json");

    httpd_resp_send(req, json_response, HTTPD_RESP_USE_STRLEN);

    return ESP_OK;
}

esp_err_t json_handler(httpd_req_t *req){

const char* json_response =

"{"

"\"temperature\":24,"

"\"humidity\":60"

"}";

httpd_resp_set_type(req, "application/json");

httpd_resp_send(req, json_response, HTTPD_RESP_USE_STRLEN);

return ESP_OK;

}

application/json: это ключевое изменение. Изменив заголовок Content-Type, браузер или API-клиент сразу понимает, что нужно интерпретировать этот ответ как объект, а не отображать его в виде одной строки текста.
Экранирование строк ( \"): поскольку в C для обозначения начала и конца строк используются двойные кавычки, нам необходимо использовать обратную косую черту ( \), чтобы сообщить компилятору: «Эй, эта кавычка должна находиться внутри фактического текстового пакета, который мы отправляем».

Режим станции (STA)

Хотя режим точки доступа (AP) отлично подходит для локальной настройки и прямого управления, большинству IoT-приложений требуется доступ в интернет. Для этого мы настраиваем ESP32-S3 в режиме станции (STA). В этом режиме микроконтроллер работает точно так же, как ваш телефон или ноутбук: он аутентифицируется у локального маршрутизатора, используя SSID и пароль, подключается к сети и запрашивает IP-адрес через DHCP.

После подключения ESP32-S3 становится частью локальной сети. Это позволяет микроконтроллеру:

Получите доступ к Интернету.
Взаимодействие с облачными сервисами.
Отправка HTTP-запросов на внешние серверы.
Подключение к MQTT-брокерам.
Обмен данными с мобильными или настольными приложениями.
Получите доступ к устройствам, уже подключенным к сети.

Инициализация и установка режима

Как и в режиме точки доступа, драйвер Wi-Fi необходимо тщательно инициализировать, прежде чем ESP32-S3 сможет попытаться подключиться к маршрутизатору. Процесс настройки очень похож, но основной сетевой интерфейс и структуры конфигурации специально разработаны для работы в качестве клиента.

Вот пример того, как мы инициализируем стек Wi-Fi, переводим ESP32-S3 в режим STA и настраиваем учетные данные целевой сети.

#include "esp_wifi.h"  
#include "esp_event.h"  
#include "nvs_flash.h"  
#include <string.h>

void wifi_init_sta(void)  {  
    // Initialize NVS  
    nvs_flash_init();  
  
    // Initialize TCP/IP stack  
    esp_netif_init();  
  
    // Create default event loop  
    esp_event_loop_create_default();  
  
    // Create default Wi-Fi Station interface  
    esp_netif_create_default_wifi_sta();  
  
    // Initialize Wi-Fi driver  
    wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();  
    esp_wifi_init(&cfg);  
  
    // Configure Station settings  
    wifi_config_t sta_config = {  
        .sta = {  
            .ssid = "Home_Network",  
            .password = "myrouterpassword",
            // Require a minimum security standard
            .threshold.authmode = WIFI_AUTH_WPA2_PSK, 
        },  
    };  
  
    // Set Wi-Fi mode to Station  
    esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA);  
  
    // Apply STA configuration  
    esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &sta_config);  
  
    // Start Wi-Fi  
    esp_wifi_start();
    
    // Connect to router
    esp_wifi_connect();  
}

#include "esp_wifi.h"

#include "esp_event.h"

#include "nvs_flash.h"

#include <string.h>

void wifi_init_sta(void) {

// Initialize NVS

nvs_flash_init();

// Initialize TCP/IP stack

esp_netif_init();

// Create default event loop

esp_event_loop_create_default();

// Create default Wi-Fi Station interface

esp_netif_create_default_wifi_sta();

// Initialize Wi-Fi driver

wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();

esp_wifi_init(&cfg);

// Configure Station settings

wifi_config_t sta_config = {

.sta = {

.ssid = "Home_Network",

.password = "myrouterpassword",

// Require a minimum security standard

.threshold.authmode = WIFI_AUTH_WPA2_PSK,

};

// Set Wi-Fi mode to Station

esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA);

// Apply STA configuration

esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &sta_config);

// Start Wi-Fi

esp_wifi_start();

// Connect to router

esp_wifi_connect();

}

Начальная настройка программной среды практически идентична режиму точки доступа, за исключением одного важного отличия:

esp_netif_create_default_wifi_sta(): вместо создания интерфейса точки доступа (AP) эта функция создает сетевой интерфейс по умолчанию, специально разработанный для Wi-Fi-станции. Она подготавливает стек TCP/IP для работы в качестве клиента, запрашивающего IP-адрес, а не в качестве маршрутизатора, назначающего их.

Далее мы определяем целевую сеть, используя структуру wifi_config_t, но на этот раз заполняем структуру (Station) .sta вместо структуры .ap:

SSID ("Home_Network"): название маршрутизатора или сети, которую ESP32 должен искать.
Пароль ("myrouterpassword"): пароль Wi-Fi для конкретного роутера.
Режим пороговой аутентификации (Threshold Authmode WIFI_AUTH_WPA2_PSK): это функция безопасности. Она указывает ESP32-S3 отказывать в подключении к маршрутизатору, если уровень безопасности маршрутизатора ниже WPA2. Это предотвращает случайное подключение устройства к поддельной, незащищенной «фиктивной» сети с тем же именем.

После определения конфигурации ESP32 переключается в режим STA, выполняется его настройка и запуск:

esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA): явно указывает Wi-Fi-модулю действовать в качестве клиента.
esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &sta_config): загружает учетные данные целевого маршрутизатора в память.
esp_wifi_start(): включает модуль Wi-Fi. Однако, в отличие от режима точки доступа (AP), запуск Wi-Fi в режиме станции (STA) не приводит к автоматическому подключению к сети. Он просто включает модуль и подготавливает его к началу процесса установления соединения.
esp_wifi_connect(): запускает полный процесс подключения к Wi-Fi. ESP32 начинает сканирование целевой сети, обнаруживает маршрутизатор, выполняет аутентификацию и установление соединения, а затем запрашивает конфигурацию сети через DHCP. После успешного завершения процесса маршрутизатор назначает IP-адрес, позволяя ESP32 подключиться к локальной сети и обмениваться данными через Интернет.

Обработка событий подключения

Для подключения к маршрутизатору требуется асинхронное рукопожатие: ESP32 должен просканировать сеть, пройти аутентификацию, установить соединение и, наконец, запросить IP-адрес. Поскольку этот процесс занимает время и подвержен ошибкам, таким как неверный пароль или слабый сигнал, мы управляем им с помощью цикла событий (Event Loop).

ESP32 генерирует события для:

успешного соединения;
отключения;
приобретения интеллектуальной собственности;
ошибок аутентификации;
в случае потери сигнала;
попыток восстановления соединения.

При подключении к Wi-Fi важно зарегистрировать функцию обработчика событий, которая будет отслеживать события, связанные с Wi-Fi и IP-адресом. Это позволит программе точно знать, когда ESP32 успешно подключился к сети и получил IP-адрес, что обеспечит безопасную передачу данных через интернет.
Давайте создадим простую функцию, которая обрабатывает события Wi-Fi.

// Define the event handler function
static void wifi_event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base, int32_t event_id, void* event_data) {
    if (event_base == WIFI_EVENT && event_id == WIFI_EVENT_STA_START) {
        // The Wi-Fi radio has successfully started. Now, tell it to connect.
        esp_wifi_connect();
        printf("Wi-Fi started, attempting to connect...\n");
        
    } else if (event_base == WIFI_EVENT && event_id == WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED) {
        // The connection failed, or we lost the signal. Try again.
        esp_wifi_connect();
        printf("Disconnected from router. Retrying connection...\n");
        
    } else if (event_base == IP_EVENT && event_id == IP_EVENT_STA_GOT_IP) {
        // The router accepted us and assigned an IP address!
        ip_event_got_ip_t* event = (ip_event_got_ip_t*) event_data;
        printf("Successfully connected! My IP is: " IPSTR "\n", IP2STR(&event->ip_info.ip));
    }
}

// Define the event handler function

static void wifi_event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base, int32_t event_id, void* event_data) {

if (event_base == WIFI_EVENT && event_id == WIFI_EVENT_STA_START) {

// The Wi-Fi radio has successfully started. Now, tell it to connect.

esp_wifi_connect();

printf("Wi-Fi started, attempting to connect...\n");

} else if (event_base == WIFI_EVENT && event_id == WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED) {

// The connection failed, or we lost the signal. Try again.

esp_wifi_connect();

printf("Disconnected from router. Retrying connection...\n");

} else if (event_base == IP_EVENT && event_id == IP_EVENT_STA_GOT_IP) {

// The router accepted us and assigned an IP address!

ip_event_got_ip_t* event = (ip_event_got_ip_t*) event_data;

printf("Successfully connected! My IP is: " IPSTR "\n", IP2STR(&event->ip_info.ip));

}

Эта функция выполняет функцию контроля трафика сетевых событий. Она отслеживает два основных момента: event_base (является ли это событие, связанное с Wi-Fi-оборудованием, или событие, связанное с IP-адресом?) и event_id (что именно произошло?).

WIFI_EVENT_STA_START: это событие срабатывает сразу после успешного завершения esp_wifi_start(). Оно дает зеленый свет для вызова функции esp_wifi_connect(), которая официально запускает процедуру установления соединения с вашим домашним маршрутизатором.
WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED: это событие срабатывает, если маршрутизатор отклоняет пароль, если маршрутизатор выключен или если ESP32 выходит из зоны действия. Вызов функции esp_wifi_connect() запускает автоматический бесконечный цикл повторных попыток.
IP_EVENT_STA_GOT_IP: это конечная цель. Простого подключения к Wi-Fi недостаточно; ESP32 не сможет использовать интернет, пока DHCP-сервер маршрутизатора не назначит ему IP-адрес. Когда это событие происходит, процесс подключения полностью завершен.

Для корректной работы этого обработчика необходимо зарегистрировать обработчики событий до вызова метода esp_wifi_start(). Поскольку теперь метод esp_wifi_connect() вызывается внутри функции обработчика событий, мы можем удалить его из функции wifi_init_sta().

esp_event_handler_instance_register(WIFI_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, &wifi_event_handler, NULL, NULL);
esp_event_handler_instance_register(IP_EVENT, IP_EVENT_STA_GOT_IP, &wifi_event_handler, NULL, NULL);

1 2	esp_event_handler_instance_register(WIFI_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, &wifi_event_handler, NULL, NULL); esp_event_handler_instance_register(IP_EVENT, IP_EVENT_STA_GOT_IP, &wifi_event_handler, NULL, NULL);

Функция esp_event_handler_instance_register() принимает пять аргументов:

Базовый параметр события указывает категорию события, например WIFI_EVENT, или IP_EVENT.
Идентификатор события определяет конкретное событие, которое следует отслеживать. ESP_EVENT_ANY_ID - отслеживает все события в этой категории.
Функция обработчика событий. Указатель на функцию обратного вызова, которая будет выполнена при возникновении события.
Аргумент обработчика событий: необязательные пользовательские данные, передаваемые в функцию обработчика. NULL - это означает, что дополнительные данные не предоставляются.
Объект экземпляра обработчика. Используется для хранения экземпляра обработчика с целью его последующего удаления при необходимости.

Выполнение HTTP-запросов

После срабатывания события IP_EVENT_STA_GOT_IP ESP32-S3 получает доступ к интернету. В то время как режим AP ориентирован на размещение HTTP-сервера для приема входящих запросов, режим STA в значительной степени полагается на HTTP-клиент для отправки исходящих запросов в остальной мир.

Вместо того чтобы ждать запроса веб-страницы от браузера, ESP32 действует как браузер. Он обращается к внешним API, веб-серверам или облачным платформам для получения или отправки данных методом GET или POST. Библиотека ESP-IDF предоставляет esp_http_client именно для этой цели.

Когда мы отправляем запрос на удалённый сервер, сервер отвечает HTTP-ответом (который включает коды состояния, такие как 200 OK или 404 Not Found, и фактические данные полезной нагрузки). Поскольку ответы могут быть большими и поступать с течением времени, HTTP-клиент использует обработчик событий для обработки данных по частям по мере их поступления.

Ниже приведён пример настройки клиента, отправки GET-запроса к внешнему API и обработки входящих данных ответа.

Сначала мы определяем обработчик событий для сбора данных ответа:

#include "esp_http_client.h"
#include "esp_crt_bundle.h"
esp_err_t client_event_handler(esp_http_client_event_t *evt) {
    switch(evt->event_id) {
        case HTTP_EVENT_ON_DATA:
            // This event is triggered when the client receives data from the server
            if (!esp_http_client_is_chunked_response(evt->client)) {
                // Print the incoming data payload to the terminal
                printf("Received Data: %.*s\n", evt->data_len, (char*)evt->data);
            }
            break;
        case HTTP_EVENT_ON_FINISH:
            printf("HTTP Request completed successfully.\n");
            break;
        default:
            break;
    }
    return ESP_OK;
}

#include "esp_http_client.h"

#include "esp_crt_bundle.h"

esp_err_t client_event_handler(esp_http_client_event_t *evt) {

switch(evt->event_id) {

case HTTP_EVENT_ON_DATA:

// This event is triggered when the client receives data from the server

if (!esp_http_client_is_chunked_response(evt->client)) {

// Print the incoming data payload to the terminal

printf("Received Data: %.*s\n", evt->data_len, (char*)evt->data);

}

break;

case HTTP_EVENT_ON_FINISH:

printf("HTTP Request completed successfully.\n");

break;

default:

break;

}

return ESP_OK;

}

HTTP-клиент использует систему обратных вызовов, управляемую событиями, для асинхронной обработки ответа сервера.

Всякий раз, когда во время соединения происходит что-то важное (получение данных, завершение запроса, ошибки и т. д.), HTTP-клиент ESP-IDF автоматически вызывает зарегистрированную функцию обработчика событий.

HTTP_EVENT_ON_DATA - срабатывает всякий раз, когда ESP32 получает ответные данные от сервера.
- evt->data указывает на полученные байты полезной нагрузки.
- evt->data_len - это показывает, сколько байтов поступило.
- esp_http_client_is_chunked_response() - проверяет, отправляет ли сервер ответ порциями. Внутри этого события приложения обычно:
- Анализ ответов в формате JSON или XML.
- Извлечение значений API.
- Сохранение данных в буферы.
- Запуск действий на основе полученной информации.
HTTP_EVENT_ON_FINISH: срабатывает после полного получения и обработки HTTP-ответа.

Например, если сервер возвращает данные о погоде, такие как:

{    "temperature": 28,    "humidity": 65}

1	{ "temperature": 28, "humidity": 65}

В разделе HTTP_EVENT_ON_DATA ESP32 будет анализировать JSON-ответ и извлекать такие значения, как температура и влажность, для дальнейшей обработки.

Далее мы пишем функцию, которая фактически инициализирует HTTP-клиент, открывает соединение и выполняет запрос:

void fetch_weather_data(void) {
    // 1. Configure the HTTP Client
    esp_http_client_config_t config = {
        .url = "https://power.larc.nasa.gov/api/temporal/daily/point?parameters=T2M&community=RE&longitude=3.0588&latitude=36.7538&start=20260510&end=20260511&format=JSON",
        .event_handler = client_event_handler, // Attach our handler
        .crt_bundle_attach = esp_crt_bundle_attach,
    };
    
    esp_http_client_handle_t client = esp_http_client_init(&config);

    // 2. Specify the Request Method (GET is default, but we can explicitly set it)
    esp_http_client_set_method(client, HTTP_METHOD_GET);

    // 3. Perform the request
    esp_err_t err = esp_http_client_perform(client);
    
    if (err == ESP_OK) {
        printf("HTTP GET Status = %d, content_length = %lld\n",
                esp_http_client_get_status_code(client),
                esp_http_client_get_content_length(client));
    } else {
        printf("HTTP GET request failed: %s\n", esp_err_to_name(err));
    }

    // 4. Cleanup and free memory
    esp_http_client_cleanup(client);
}

void fetch_weather_data(void) {

// 1. Configure the HTTP Client

esp_http_client_config_t config = {

.url = "https://power.larc.nasa.gov/api/temporal/daily/point?parameters=T2M&community=RE&longitude=3.0588&latitude=36.7538&start=20260510&end=20260511&format=JSON",

.event_handler = client_event_handler, // Attach our handler

.crt_bundle_attach = esp_crt_bundle_attach,

};

esp_http_client_handle_t client = esp_http_client_init(&config);

// 2. Specify the Request Method (GET is default, but we can explicitly set it)

esp_http_client_set_method(client, HTTP_METHOD_GET);

// 3. Perform the request

esp_err_t err = esp_http_client_perform(client);

if (err == ESP_OK) {

printf("HTTP GET Status = %d, content_length = %lld\n",

esp_http_client_get_status_code(client),

esp_http_client_get_content_length(client));

} else {

printf("HTTP GET request failed: %s\n", esp_err_to_name(err));

}

// 4. Cleanup and free memory

esp_http_client_cleanup(client);

}

Перед отправкой сетевого запроса выполняется настройка и инициализация HTTP-клиента:

esp_http_client_config_t config - эта структура хранит конфигурацию HTTP-клиента.
- .urlуказывает точный адрес сервера, к которому будет подключаться ESP32.
- .event_handler = client_event_handler - регистрирует функцию обратного вызова, отвечающую за обработку входящих событий и данных ответа.
esp_http_client_init(&config) - создает и инициализирует экземпляр HTTP-клиента. Внутри эта функция:
- Выделяет память для клиента.
- Разбирает URL-адрес на компоненты хоста, порта и пути.
- Подготавливает сетевой уровень TCP/IP.
- Настраивает внутренние структуры соединений.

После инициализации настраивается метод запроса:

esp_http_client_set_method(client, HTTP_METHOD_GET): устанавливает тип HTTP-запроса на GET, что означает, что ESP32 хочет получить данные с сервера, не загружая новую информацию.

Далее выполняется фактическая сетевая транзакция:

esp_http_client_perform(client) - это блокирующая функция, которая выполняет всю HTTP-транзакцию. Внутри она:
- Разрешает доменное имя с помощью DNS.
- Открывает TCP-соединение с удалённым сервером.
- Отправляет заголовки HTTP-запроса.
- Получает HTTP-ответ
- Запускает функции обратного вызова событий, такие как: HTTP_EVENT_ON_DATA
- Ожидает полного завершения транзакции.

После завершения запроса:

esp_http_client_get_status_code(client) - получает код состояния HTTP-ответа (например 200 OK, или 404 Not Found).
esp_http_client_get_content_length(client) - возвращает размер полученной полезной нагрузки.

Окончательно:

esp_http_client_cleanup(client) - закрывает TCP-соединение и освобождает всю динамически выделенную память, используемую HTTP-клиентом, что помогает предотвратить утечки памяти во встроенных системах.

HTTP-сервер в режиме станции

Одним из главных преимуществ режима станции (STA) является то, что ESP32-S3 может продолжать запускать HTTP-сервер, будучи подключенным к маршрутизатору.

Это означает, что устройства в одной сети могут взаимодействовать с ESP32-S3, не подключаясь к нему напрямую. Любой телефон, ноутбук или компьютер, подключенный к тому же маршрутизатору, может получить доступ к ESP32-S3, используя его локальный IP-адрес.

http://192.168.100.17

1	http://192.168.100.17

Еще одно важное преимущество заключается в том, что HTTP-сервер может быть доступен из интернета. Настроив переадресацию портов или используя доменное имя и DNS-сервис, ESP32-S3 может отправлять и получать данные из любой точки мира. Это позволяет осуществлять удаленное управление, интеграцию с облачными сервисами и мониторинг в реальном времени через интернет.

В этой конфигурации ESP32-S3 выполняет обе функции:

Wi-Fi-клиент, подключенный к роутеру.
Веб-сервер, обрабатывающий HTTP-запросы к другим устройствам или пользователям интернета.

(Проголосуй первым!)

Загрузка...

81 просмотров

Протокол Wi-Fi

TCP/IP и HTTP

TCP/IP

HTTP (Web Communication Layer)

Режим точки доступа (AP)

Инициализация и установка режима

Создание и запуск HTTP-сервера

Обработка запросов

Возвращаемые HTML-страницы

Работа с GET-запросами

Работа с POST-запросами

Возвращение JSON-ответов

Режим станции (STA)

Инициализация и установка режима

Обработка событий подключения

Выполнение HTTP-запросов

HTTP-сервер в режиме станции

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ