esp32WIFI

WiFi 应用

通过前面的实验，我们已经对 ESP32-S2 有了一定的了解。从本章开始，将迎来非常重要实用的内容，那就是 WIFI 应用。ESP32-S2 就是为 WIFI 无线连接而生的。通过本章内容，我们可以看到基于 MicroPython 的 WIFI 开发是多么的简单而美妙。物联网的学习变得非常简单有趣！事不宜迟，马上开始学习。

连接无线路由器

⚫ 前言：

WIFI 是物联网中非常重要的角色，现在基本上家家户户都有 WIFI 网络了，通过 WIFI 接入到互联网，成了智能家居产品普遍的选择。而要想上网，首先需要连接上无线路由器。这一节我们就来学习如何通过 MicroPython 编程连上路由器。

⚫ 实验目的：

编程实现连接路由器，将 IP 地址等相关信息通过 OLED 显示（只支持 2.4G网络）。

⚫ 实验讲解：

连接路由器上网是我们每天都做的事情，日常生活中我们只需要知道路由器的账号和密码，就能使用电脑或者手机连接到无线路由器，然后上网冲浪。

MicroPython 已经集成了 network 模块，开发者使用内置的 network 模块函数可以非常方便地连接上路由器。但往往也有各种连接失败的情况，如密码不正确等。这时候我们只需要再加上一些简单的判断机制，避免陷入连接失败的死循环即可！

我们先来看看 network 基于 WiFi（WLAN 模块）的构造函数和使用方法。

 

构造函数

wlan = network.WLAN(interface_id)

构建 WIFI 连接对象。interface_id:分为热点 network.AP_IF 和客户端

network.STA_IF 模式。

使用方法

wlan.active([is_active])

激活 wlan 接口。Ture：激活；False:关闭。

wlan.scan ()

扫描允许访问的 SSID。

wlan.isconnected()

检查设备是否已经连接上。返回 Ture:已连接；False：未连接。

wlan.connected(ssid,passwork)

WIFI 连接。ssid:账号；passwork：密码。

wlan.ifconfig([ip,subnet,gateway,dns])

设备信息配置。ip：IP 地址；subnet:子网掩码；gateway:网关地址；dns:DNS

信息。（如果参数为空，则返回当前连接信息。）

wlan.disconnected()

断开连接。

 

从上表可以看到 MicroPython 通过模块封装，让 WIFI 联网变得非常简单。模块包含热点 AP 模块和客户端 STA 模式，热点 AP 是指电脑端直接连接 ESP32-S2发出的热点实现连接，但这样你的电脑就不能上网了，因此我们一般情况下都是使用 STA 模式。也就是电脑和设备同时连接到相同网段的路由器上。模块上电后可以先判断是否已经连接到网络，如果是则无需再次连接，否的话则进入 WIFI 连接状态，指示灯闪烁，连接成功后指示灯常亮，IP 等相关信息通过 OLED 显示和串口打印。另外需要配置超时 15 秒还没连接成功时执行取消连接，避免因无法连接而陷入死循环。代码编写流程如下：

'''
实验名称：连接无线路由器
版本：v1.0
日期：2021.8
作者：01Studio
说明：编程实现连接路由器，将IP地址等相关信息通过OLED显示（只支持2.4G网络）。
'''
import network,time
from machine import SoftI2C,Pin
from ssd1306 import SSD1306_I2C

#初始化相关模块
i2c = SoftI2C(sda=Pin(40), scl=Pin(38))
oled = SSD1306_I2C(128, 64, i2c, addr=0x3c)

#WIFI连接函数
def WIFI_Connect():

    WIFI_LED=Pin(2, Pin.OUT) #初始化WIFI指示灯

    wlan = network.WLAN(network.STA_IF) #STA模式
    wlan.active(True)                   #激活接口
    start_time=time.time()              #记录时间做超时判断

    if not wlan.isconnected():
        print('connecting to network...')
        wlan.connect('01Studio', '88888888') #输入WIFI账号密码

        while not wlan.isconnected():

            #LED闪烁提示
            WIFI_LED.value(1)
            time.sleep_ms(300)
            WIFI_LED.value(0)
            time.sleep_ms(300)

            #超时判断,15秒没连接成功判定为超时
            if time.time()-start_time > 15 :
                print('WIFI Connected Timeout!')
                break

    if wlan.isconnected():
        #LED点亮
        WIFI_LED.value(1)

        #串口打印信息
        print('network information:', wlan.ifconfig())

        #OLED数据显示
        oled.fill(0)   #清屏背景黑色
        oled.text('IP/Subnet/GW:',0,0)
        oled.text(wlan.ifconfig()[0], 0, 20)
        oled.text(wlan.ifconfig()[1],0,38)
        oled.text(wlan.ifconfig()[2],0,56)
        oled.show()

#执行WIFI连接函数
WIFI_Connect()

⚫ 总结：

本节是 WIFI 应用的基础，成功连接到无线路由器的实验后，后面就可以做socket 等相关网络通信的应用了。

 

Socket 通信

⚫ 前言：

上一节我们学习了如何通过 MicroPython 编程实现 pyWiFi-ESP32-S2 模块连接到无线路由器。这一节我们则来学习一下 Socket 通信实验。Socket 几乎是整个互联网通信的基础。

⚫ 实验目的：

通过 Socket 编程实现 pyWiFi-ESP32-S2 与电脑服务器助手建立连接，相互收发数据。

⚫ 实验讲解：

Socket 我们听得非常多了，但由于网络工程是一门系统工程，涉及的知识非常广，概念也很多，任何一个知识点都能找出一堆厚厚的的书，因此我们经常会混淆。在这里，我们尝试以最容易理解的方式来讲述 Socket，如果需要全面了解，可以自行查阅相关资料学习。

我们先来看看网络层级模型图，这是构成网络通信的基础：

我们看看 TCP/IP 模型的传输层和应用层，传输层比较熟悉的概念是 TCP 和UDP，UPD 协议基本就没有对 IP 层的数据进行任何的处理了。而 TCP 协议还加入了更加复杂的传输控制，比如滑动的数据发送窗口（Slice Window），以及接收确认和重发机制，以达到数据的可靠传送。应用层中网页常用的则是 HTTP。那么我们先来解析一下这 TCP 和 HTTP 两者的关系。我们知道网络通信是最基础是依赖于 IP 和端口的，HTTP 一般情况下默认使用端口 80。举个简单的例子：我们逛淘宝，浏览器会向淘宝网的网址（本质是IP）和端口发起请求，而淘宝网收到请求后响应，向我们手机返回相关网页数据信息，实现了网页交互的过程。而这里就会引出一个多人连接的问题，很多人访问淘宝网，实际上接收到网页信息后就断开连接，否则淘宝网的服务器是无法支撑这么多人长时间的连接的，哪怕能支持，也非常占资源。

也就是应用层的 HTTP 通过传输层进行数据通信时，TCP 会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个 TCP 连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个 TCP 协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与 TCP／IP 协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过 Socket 接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。简单来说，Socket 抽象层介于传输层和应用层之间，跟 TCP/IP 并没有必然的联系。Socket 编程接口在设计的时候，就希望也能适应其他的网络协议。

套接字（socket）是通信的基石，是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议（通常是 TCP 或 UDP），本地主机的 IP 地址，本地进程的协议端**口，远地主机的IP 地址，远地进程的协议端口。

所以，socket 的出现只是可以更方便的使用 TCP/IP 协议栈而已，简单理解就是其对 TCP/IP 进行了抽象，形成了几个最基本的函数接口。比如 create，listen，accept，connect，read 和 write 等等。以下是通讯流程：

从上图可以看到，建了 Socket 通信需要一个服务器端和一个客户端，以本实验为例，pyWiFi-ESP32-S2 作为客户端，电脑使用网络调试助手作为服务器端，双方使用 TCP 协议传输。对于客户端，则需要知道电脑端的 IP 和端口即可建立连接。（端口可以自定义，范围在 0~65535，注意不占用常用的 80 等端口即可。）以上的内容，简单来说就是如果用户面向应用来说，那么 ESP32-S2 只需要知道通讯协议是 TCP 或 UDP**、服务器的 IP 和端口号**这 3 个信息，即可向服务器发起连接和发送信息。就这么简单。

MicroPython 已经封装好相关模块 usocket,跟传统的 socket 大部分兼容，两者均可使用，本实验使用 usocket，对象如下介绍：

构造函数

s=usocket.socekt(af=AF_INET, type=SOCK_STREAM,proto=IPPROTO_TCP)

构建 usocket 对象。

af: AF_INET→IPV4，AF_INET6 → IPV6；

type: SCOK_STREAM→TCP，SOCK_DGRAM→UDP；

proto: IPPROTO_TCP→TCP 协议，IPPROTO_UDP→UDP 协议。

（如果要构建 TCP 连接，可以使用默认参数配置，即不输入任何参数。）

使用方法

addr=usocket.getaddrinfo(‘www.01studio.org’, 80)[0][-1]

获取 Socket 通信格式地址。返回：(‘47.91.208.161’,80)

s.connect(address)

创建连接。address:地址格式为 IP+端口。例：(‘192.168.1.115’,10000)

s.send(bytes)

发送。bytes：发送内容格式为字节

s.recv(bufsize)

接收数据。bufsize：单次最大接收字节个数。

s.bind(address)

绑定，用于服务器角色

s.listen([backlog])

监听，用于服务器角色。backlog:允许连接个数，必须大于 0。

s.accept()

接受连接，用于服务器角色。

 

本实验中 pyWiFi-ESP32-S2 属于客户端，因此只用到客户端的函数即可。实验代码编写流程如下：

'''
实验名称：连接无线路由器
版本：v1.0
日期：2021.8
作者：01Studio
说明：通过Socket编程实现pyWiFi-ESP32与电脑服务器助手建立TCP连接，相互收发数据。
'''

#导入相关模块
import network,usocket,time
from machine import SoftI2C,Pin,Timer
from ssd1306 import SSD1306_I2C

#初始化相关模块
i2c = SoftI2C(sda=Pin(40), scl=Pin(38))
oled = SSD1306_I2C(128, 64, i2c, addr=0x3c)

#WIFI连接函数
def WIFI_Connect():

    WIFI_LED=Pin(2, Pin.OUT) #初始化WIFI指示灯

    wlan = network.WLAN(network.STA_IF) #STA模式
    wlan.active(True)                   #激活接口
    start_time=time.time()              #记录时间做超时判断

    if not wlan.isconnected():
        print('Connecting to network...')
        wlan.connect('henu-student', 'hbwz12138') #输入WIFI账号密码

        while not wlan.isconnected():

            #LED闪烁提示
            WIFI_LED.value(1)
            time.sleep_ms(300)
            WIFI_LED.value(0)
            time.sleep_ms(300)

            #超时判断,15秒没连接成功判定为超时
            if time.time()-start_time > 15 :
                print('WIFI Connected Timeout!')
                break

    if wlan.isconnected():
        #LED点亮
        WIFI_LED.value(1)

        #串口打印信息
        print('network information:', wlan.ifconfig())

        #OLED数据显示
        oled.fill(0)   #清屏背景黑色
        oled.text('IP/Subnet/GW:',0,0)
        oled.text(wlan.ifconfig()[0], 0, 20)
        oled.text(wlan.ifconfig()[1],0,38)
        oled.text(wlan.ifconfig()[2],0,56)
        oled.show()
        return True

    else:
        return False


#判断WIFI是否连接成功
if WIFI_Connect():

    #创建socket连接TCP类似，连接成功后发送“Hello 01Studio！”给服务器。
    s=usocket.socket()
    addr=('192.168.1.115',10000) #服务器IP和端口
    s.connect(addr)
    s.send('Hello 01Studio!')


while True:
    
    text=s.recv(128) #单次最多接收128字节
    if text == '':
        pass

    else: #打印接收到的信息为字节，可以通过decode('utf-8')转成字符串
        print(text)
        s.send('I got:'+text.decode('utf-8'))
    
    time.sleep_ms(300)

WIFI 连接代码在上一节已经讲解，这里不再重复，WIFI 连接成功后返回 True，否则返回 False。程序在返回连接成功后建了 Socket 连接，连接成功发送‘Hello 01Studio!’信息到服务器。另外 RTOS 定时器设定了了每 300ms 处理从服务器接收到的数据。将接收到数据通过串口打印和发送给服务器。

⚫ 实验结果：

先在电脑端打开网络调试助手并建立服务器，软件在 零一科技（01Studio）MicroPython 开发套件配套资料_latest\01-开发工具\01-Windows\网络调试助手下的 NetAssist.exe ，直接双击打开即可！

以下是新建服务器的方法，打开网络调试助手后在左上角协议类型选择 TCP Server；中间的本地 IP 地址是自动识别的，不要修改，这个就是服务器的 IP 地址。然后端口写 10000（0-65535 都可以。），点击连接，成功后红点亮。如下图：

在时候服务器已经在监听状态！用户需要根据自己的实际情况自己输入 WIFI信息和服务器 IP 地址+端口。即修改上面的代码以下部分内容。（服务器 IP 和端口可以在网络调试助手找到。）

WiFi 网络信息：

wlan.connect(‘01Studio’, ‘88888888’) #输入 WIFI 账号密码

服务器信息：

addr=(‘192.168.1.115’,10000) #服务器 IP 和端口

下载程序，开发板成功连接 WIFI 后，发起了 socket 连接，连接成功可以可以看到网络调试助手收到了开发板发来的信息。在下方列表多了一个连接对象，点击选中

选中后我们在发送框输入信息“Hi”，点击发送，可以看到开发板的 REPL 打印出来信息 Hi。为字节数据。另外由于程序将收到的信息发回给服务器，所以在网络调试助手中也接收到开发板返回的信息：I got:Hi。

⚫ 总结：

通过本节学习，我们了解了socket通信原理以及使用MicroPython进行socket编程并且通信的实验。得益于优秀的封装，让我们可以直接面向 socket 对象编程就可以快速实现 socket 通信，从而开发更多的网络应用，例如将前面采集到的传感器数据发送到服务器。