Arduino-ESP32 JSON处理：数据序列化与反序列化

Arduino-ESP32 JSON处理：数据序列化与反序列化

【免费下载链接】arduino-esp32 Arduino core for the ESP32 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/ar/arduino-esp32

概述

在物联网(IoT)和嵌入式系统开发中，JSON（JavaScript Object Notation）已成为数据交换的事实标准。Arduino-ESP32作为强大的物联网开发平台，提供了多种JSON处理方案，让开发者能够高效地进行数据序列化和反序列化操作。

本文将深入探讨Arduino-ESP32平台上的JSON处理技术，涵盖从基础概念到高级应用的完整解决方案。

JSON在嵌入式系统中的重要性

JSON以其轻量级、易读性和跨平台特性，在嵌入式系统中扮演着关键角色：

• 配置管理：存储设备配置参数
• 数据传输：MQTT、HTTP等通信协议的数据格式
• 状态监控：设备状态信息的结构化存储
• 远程控制：命令和参数的标准化传递

Arduino-ESP32 JSON库选择

1. ArduinoJson库（推荐）

ArduinoJson是ESP32平台上最流行的JSON处理库，具有以下优势：

• 内存占用小，适合资源受限环境
• API设计简洁易用
• 支持动态和静态内存分配
• 丰富的文档和社区支持

2. 内置JSON支持

ESP32 Arduino核心也提供了一些基础的JSON处理功能，但功能相对有限。

环境搭建与库安装

通过Arduino IDE安装

1. 打开Arduino IDE
2. 转到"工具" → "管理库..."
3. 搜索"ArduinoJson"
4. 选择最新版本并安装

通过PlatformIO安装

在platformio.ini配置文件中添加：

[env:esp32dev]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
lib_deps = 
    bblanchon/ArduinoJson@^6.21.0

基础JSON操作

数据序列化（对象转JSON）

#include <ArduinoJson.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // 创建JSON文档
  StaticJsonDocument<200> doc;
  
  // 添加数据
  doc["device_id"] = "ESP32_001";
  doc["temperature"] = 25.6;
  doc["humidity"] = 45.2;
  doc["connected"] = true;
  
  // 序列化为JSON字符串
  String jsonString;
  serializeJson(doc, jsonString);
  
  Serial.println("序列化结果:");
  Serial.println(jsonString);
}

void loop() {
  // 空循环
}

输出结果：

{"device_id":"ESP32_001","temperature":25.6,"humidity":45.2,"connected":true}

数据反序列化（JSON转对象）

#include <ArduinoJson.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // 示例JSON字符串
  String jsonString = "{\"device_id\":\"ESP32_001\",\"temperature\":25.6,\"humidity\":45.2,\"connected\":true}";
  
  // 解析JSON
  StaticJsonDocument<200> doc;
  DeserializationError error = deserializeJson(doc, jsonString);
  
  if (error) {
    Serial.print("JSON解析错误: ");
    Serial.println(error.c_str());
    return;
  }
  
  // 提取数据
  const char* deviceId = doc["device_id"];
  float temperature = doc["temperature"];
  float humidity = doc["humidity"];
  bool connected = doc["connected"];
  
  Serial.println("解析结果:");
  Serial.printf("设备ID: %s\n", deviceId);
  Serial.printf("温度: %.1f°C\n", temperature);
  Serial.printf("湿度: %.1f%%\n", humidity);
  Serial.printf("连接状态: %s\n", connected ? "已连接" : "未连接");
}

void loop() {
  // 空循环
}

高级JSON特性

嵌套对象处理

#include <ArduinoJson.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // 创建包含嵌套对象的JSON
  StaticJsonDocument<300> doc;
  
  JsonObject sensorData = doc.createNestedObject("sensor_data");
  sensorData["temperature"] = 25.6;
  sensorData["humidity"] = 45.2;
  sensorData["pressure"] = 1013.25;
  
  JsonObject deviceInfo = doc.createNestedObject("device_info");
  deviceInfo["id"] = "ESP32_001";
  deviceInfo["firmware_version"] = "1.2.0";
  deviceInfo["ip_address"] = "192.168.1.100";
  
  doc["timestamp"] = 1672531200;
  
  // 序列化输出
  String jsonString;
  serializeJsonPretty(doc, jsonString);
  Serial.println(jsonString);
}

void loop() {
  // 空循环
}

数组处理

#include <ArduinoJson.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  
  // 创建包含数组的JSON
  StaticJsonDocument<400> doc;
  
  JsonArray sensors = doc.createNestedArray("sensors");
  
  JsonObject sensor1 = sensors.createNestedObject();
  sensor1["id"] = "temp_sensor_1";
  sensor1["value"] = 25.6;
  sensor1["unit"] = "°C";
  
  JsonObject sensor2 = sensors.createNestedObject();
  sensor2["id"] = "hum_sensor_1";
  sensor2["value"] = 45.2;
  sensor2["unit"] = "%";
  
  JsonObject sensor3 = sensors.createNestedObject();
  sensor3["id"] = "press_sensor_1";
  sensor3["value"] = 1013.25;
  sensor3["unit"] = "hPa";
  
  // 序列化输出
  String jsonString;
  serializeJsonPretty(doc, jsonString);
  Serial.println(jsonString);
}

void loop() {
  // 空循环
}

内存管理策略

静态内存分配

// 预分配固定大小的内存
StaticJsonDocument<512> doc;  // 512字节静态内存

优点：

• 无内存碎片
• 确定性内存使用
• 适合已知最大数据大小的场景

动态内存分配

// 动态分配内存
DynamicJsonDocument doc(1024);  // 初始1024字节，可自动扩展

优点：

• 灵活适应不同大小的数据
• 适合可变数据大小的场景

性能优化技巧

1. 合理选择文档大小

// 估算JSON文档所需内存
const size_t capacity = JSON_OBJECT_SIZE(5) + 120;
StaticJsonDocument<capacity> doc;

2. 重用JSON文档

StaticJsonDocument<200> doc;

void processData(const String& jsonString) {
  deserializeJson(doc, jsonString);
  // 处理数据...
  doc.clear();  // 清空文档以备重用
}

3. 使用流式处理

void processLargeJson(Stream& input) {
  StaticJsonDocument<200> filter;
  filter["sensor_data"]["temperature"] = true;
  filter["sensor_data"]["humidity"] = true;
  
  StaticJsonDocument<200> doc;
  deserializeJson(doc, input, DeserializationOption::Filter(filter));
  
  // 只处理过滤后的数据
}

实战应用案例

案例1：MQTT消息处理

#include <ArduinoJson.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <WiFi.h>

const char* ssid = "your_SSID";
const char* password = "your_PASSWORD";
const char* mqtt_server = "broker.hivemq.com";

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  String message;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    message += (char)payload[i];
  }
  
  StaticJsonDocument<256> doc;
  DeserializationError error = deserializeJson(doc, message);
  
  if (error) {
    Serial.println("MQTT消息解析失败");
    return;
  }
  
  // 处理不同类型的消息
  if (doc.containsKey("command")) {
    String command = doc["command"];
    if (command == "restart") {
      Serial.println("收到重启命令");
      ESP.restart();
    }
  }
  
  if (doc.containsKey("config")) {
    JsonObject config = doc["config"];
    // 更新设备配置
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  setup_wifi();
  client.setServer(mqtt_server, 1883);
  client.setCallback(callback);
}

void loop() {
  if (!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  client.loop();
  
  // 定期发布设备状态
  static unsigned long lastPublish = 0;
  if (millis() - lastPublish > 10000) {
    publishStatus();
    lastPublish = millis();
  }
}

void publishStatus() {
  StaticJsonDocument<200> doc;
  doc["device_id"] = WiFi.macAddress();
  doc["temperature"] = readTemperature();
  doc["humidity"] = readHumidity();
  doc["rssi"] = WiFi.RSSI();
  doc["uptime"] = millis() / 1000;
  
  String jsonString;
  serializeJson(doc, jsonString);
  client.publish("esp32/status", jsonString.c_str());
}

案例2：HTTP API客户端

#include <ArduinoJson.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <WiFi.h>

void fetchWeatherData() {
  HTTPClient http;
  http.begin("http://api.weather.com/data/2.5/weather?q=Beijing&appid=your_api_key");
  
  int httpCode = http.GET();
  if (httpCode == HTTP_CODE_OK) {
    String payload = http.getString();
    
    DynamicJsonDocument doc(1024);
    DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload);
    
    if (!error) {
      float temp = doc["main"]["temp"];
      float humidity = doc["main"]["humidity"];
      String description = doc["weather"][0]["description"];
      
      Serial.printf("温度: %.1f°C\n", temp - 273.15);
      Serial.printf("湿度: %.1f%%\n", humidity);
      Serial.printf("天气: %s\n", description.c_str());
    }
  }
  http.end();
}

案例3：配置文件管理

#include <ArduinoJson.h>
#include <SPIFFS.h>

struct DeviceConfig {
  String ssid;
  String password;
  String mqttServer;
  int mqttPort;
  int reportInterval;
};

bool loadConfig(DeviceConfig& config) {
  if (!SPIFFS.begin(true)) {
    Serial.println("SPIFFS初始化失败");
    return false;
  }
  
  File configFile = SPIFFS.open("/config.json", "r");
  if (!configFile) {
    Serial.println("配置文件不存在");
    return false;
  }
  
  size_t size = configFile.size();
  std::unique_ptr<char[]> buf(new char[size]);
  configFile.readBytes(buf.get(), size);
  
  StaticJsonDocument<512> doc;
  DeserializationError error = deserializeJson(doc, buf.get());
  configFile.close();
  
  if (error) {
    Serial.println("配置文件解析错误");
    return false;
  }
  
  config.ssid = doc["wifi"]["ssid"].as<String>();
  config.password = doc["wifi"]["password"].as<String>();
  config.mqttServer = doc["mqtt"]["server"].as<String>();
  config.mqttPort = doc["mqtt"]["port"];
  config.reportInterval = doc["report_interval"];
  
  return true;
}

bool saveConfig(const DeviceConfig& config) {
  StaticJsonDocument<512> doc;
  
  JsonObject wifi = doc.createNestedObject("wifi");
  wifi["ssid"] = config.ssid;
  wifi["password"] = config.password;
  
  JsonObject mqtt = doc.createNestedObject("mqtt");
  mqtt["server"] = config.mqttServer;
  mqtt["port"] = config.mqttPort;
  
  doc["report_interval"] = config.reportInterval;
  
  File configFile = SPIFFS.open("/config.json", "w");
  if (!configFile) {
    Serial.println("配置文件创建失败");
    return false;
  }
  
  serializeJsonPretty(doc, configFile);
  configFile.close();
  
  return true;
}

错误处理与调试

常见的JSON处理错误

void handleJson(const String& jsonString) {
  StaticJsonDocument<200> doc;
  DeserializationError error = deserializeJson(doc, jsonString);
  
  if (error) {
    Serial.print("JSON错误: ");
    Serial.println(error.c_str());
    
    switch (error.code()) {
      case DeserializationError::Ok:
        break;
      case DeserializationError::InvalidInput:
        Serial.println("无效的JSON输入");
        break;
      case DeserializationError::NoMemory:
        Serial.println("内存不足");
        break;
      case DeserializationError::TooDeep:
        Serial.println("JSON嵌套过深");
        break;
      default:
        Serial.println("未知错误");
    }
    return;
  }
  
  // 处理有效JSON
}

调试技巧

// 启用详细调试信息
#define ARDUINOJSON_DEBUG 1

// 检查内存使用情况
Serial.print("JSON文档内存使用: ");
Serial.print(doc.memoryUsage());
Serial.println(" 字节");

// 使用序列化选项进行调试
serializeJsonPretty(doc, Serial);

最佳实践总结

1. 内存管理

• 根据数据大小合理选择静态或动态内存分配
• 定期监控内存使用情况
• 重用JSON文档减少内存分配

2. 性能优化

• 使用适当大小的文档避免内存浪费
• 考虑使用流式处理大型JSON数据
• 避免不必要的序列化/反序列化操作

3. 错误处理

• 始终检查反序列化错误
• 实现适当的异常处理机制
• 记录详细的错误信息便于调试

4. 安全性

• 验证输入的JSON数据
• 避免缓冲区溢出攻击
• 对敏感数据进行适当处理

扩展资源

推荐学习路径

1. 基础掌握：熟悉ArduinoJson基本API和内存管理
2. 实战应用：在具体项目中应用JSON数据处理
3. 性能优化：学习内存优化和性能调优技巧
4. 高级特性：掌握过滤、流处理等高级功能

常见问题解决

问题	解决方案
内存不足	增加文档大小或优化数据结构
JSON解析失败	检查JSON格式是否正确
数据丢失	确保文档大小足够容纳所有数据
性能问题	重用文档或使用静态分配

通过本文的全面介绍，您应该已经掌握了在Arduino-ESP32平台上进行JSON数据处理的核心技术和最佳实践。JSON作为现代物联网开发的重要组成部分，熟练掌握其使用将极大提升您的开发效率和项目质量。

记住，在实际项目中要根据具体需求选择合适的JSON处理策略，并始终关注内存使用和性能表现。Happy Coding!

【免费下载链接】arduino-esp32 Arduino core for the ESP32 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/ar/arduino-esp32