【嵌入式开发学习】第12天：WiFi 模块通信与云平台对接（物联网入门）

核心目标：掌握 STM32 通过 WiFi 模块（ESP8266）实现无线通信，将温湿度数据上传到阿里云 IoT 平台，实现 “开发板→WiFi→云平台→手机 APP” 的完整物联网链路 —— 这是从 “单机设备” 到 “联网智能设备” 的关键一步，也是智能家居、工业监控等场景的核心技术。

一、物联网通信基础：从 “单机” 到 “联网”（20 分钟）

1. 为什么需要 WiFi 模块？

STM32 本身通常没有 WiFi 功能，需通过外接 WiFi 模块（如 ESP8266、ESP32）实现无线联网。ESP8266 是性价比极高的选择，支持 802.11b/g/n 协议，可通过串口（AT 指令）与 STM32 通信，无需深入底层网络协议开发。

2. 核心通信链路

传感器（AHT10）→ STM32（数据处理）→ ESP8266（WiFi传输）→ 云平台（数据存储/展示）→ 手机APP（远程查看）

3. AT 指令：STM32 控制 WiFi 模块的 “语言”

ESP8266 默认支持 AT 指令（类似 “命令行”），STM32 通过串口发送 AT 指令，即可控制模块连接 WiFi、发送数据。常用 AT 指令：

• AT：测试模块是否响应（返回 “OK”）；
• AT+CWJAP="WiFi名","密码"：连接 WiFi；
• AT+MQTTUSERCFG=...：配置 MQTT 协议（云平台常用通信协议）；
• AT+MQTTPUB=...：发布数据到云平台。

二、硬件准备与接线（10 分钟）

1. 硬件清单

• STM32F103C8T6 开发板、AHT10 温湿度传感器（I2C）；
• ESP8266 WiFi 模块（如 ESP-01S）、USB-TTL 模块（给 ESP8266 供电和调试）；
• 杜邦线、面包板、5V 电源（ESP8266 需 3.3V 供电，电流可能较大，建议独立供电）。

2. 接线方式

设备	引脚连接（STM32 ↔ ESP8266）	说明
STM32 USART2_TX（PA2）	→ ESP8266 RX	STM32 发送 AT 指令到 ESP8266
STM32 USART2_RX（PA3）	→ ESP8266 TX	STM32 接收 ESP8266 的响应
STM32 GND	→ ESP8266 GND	共地保证通信电平一致
ESP8266 VCC	→ 3.3V 电源	严禁接 5V，会烧毁模块
AHT10	同第八天（SCL→PB6，SDA→PB7）	温湿度数据采集

三、阿里云 IoT 平台配置（30 分钟，关键！）

云平台是数据的 “中转站” 和 “展示中心”，以阿里云 IoT 为例，步骤如下：

1. 创建产品与设备

1. 登录阿里云 IoT 控制台（https://iot.console.aliyun.com/）；
2. 左侧 “设备管理→产品”→“创建产品”：
   • 产品名称：SmartTempHumi；
   • 所属品类：自定义品类；
   • 节点类型：设备；
   • 联网方式：WiFi；
   • 数据格式：JSON（便于解析）；
3. 产品创建后，进入 “设备”→“添加设备”：
   • 设备名称：Device001；
   • 记录设备 “三元组”（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret）—— 后续认证必须用到。

2. 定义物模型（数据格式）

物模型用于规范设备上传的数据格式（如温度、湿度的字段名和类型）：

1. 进入产品→“功能定义”→“添加自定义功能”：
   • 功能名称：temperature，标识符：temp，数据类型：float，单位：℃；
   • 功能名称：humidity，标识符：humi，数据类型：float，单位：%RH；
2. 点击 “发布上线”，物模型生效。

3. 获取 MQTT 连接参数

阿里云 IoT 基于 MQTT 协议通信，需计算连接参数：

• 客户端 ID：设备名称|securemode=3,signmethod=hmacsha1|；
• 用户名：设备名称&产品Key；
• 密码：通过三元组和连接参数计算的签名（可用阿里云提供的工具生成，后续代码中会实现签名函数）。

四、STM32 代码实现（60 分钟，分模块开发）

核心逻辑：STM32 定时采集温湿度→通过 USART2 向 ESP8266 发送 AT 指令→控制 ESP8266 连接 WiFi 和阿里云→上传数据到云平台。

1. 配置 CubeIDE 工程

1. 启用外设：
   • I2C1（AHT10）、USART2（与 ESP8266 通信，波特率 115200）、USART1（调试串口，波特率 9600）；
   • TIM3（1 秒定时，触发数据采集）、FreeRTOS（创建 2 个任务：采集任务、WiFi 通信任务）。

2. 核心代码：ESP8266 控制与云平台通信

c

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <sha1.h>  // 需要添加SHA1加密库（用于计算阿里云签名）

// AHT10相关（复用第八天代码）
#define AHT10_ADDR 0x38<<1
float temp = 0.0, humi = 0.0;
uint8_t AHT10_Init(I2C_HandleTypeDef *hi2c) { ... }
uint8_t AHT10_ReadData(I2C_HandleTypeDef *hi2c, float *t, float *h) { ... }

// ESP8266相关
#define ESP_USART &huart2  // 与ESP8266通信的串口
#define DEBUG_USART &huart1  // 调试串口
uint8_t esp_recv_buf[256];  // ESP8266响应缓冲区

// 阿里云三元组（替换为你的设备信息）
#define PRODUCT_KEY "a1XXXXXXXXX"
#define DEVICE_NAME "Device001"
#define DEVICE_SECRET "XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX"
#define MQTT_HOST PRODUCT_KEY ".iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com"  // 阿里云MQTT域名
#define MQTT_PORT 1883  // MQTT端口

// 发送AT指令并等待响应
uint8_t ESP_SendATCmd(char *cmd, char *resp, uint32_t timeout) {
  memset(esp_recv_buf, 0, sizeof(esp_recv_buf));
  HAL_UART_Transmit(ESP_USART, (uint8_t*)cmd, strlen(cmd), 100);
  HAL_Delay(100);  // 等待模块响应
  // 读取响应
  if (HAL_UART_Receive(ESP_USART, esp_recv_buf, sizeof(esp_recv_buf)-1, timeout) != HAL_OK) {
    return 1;  // 超时
  }
  // 调试：将ESP8266响应通过USART1输出
  HAL_UART_Transmit(DEBUG_USART, esp_recv_buf, strlen((char*)esp_recv_buf), 100);
  // 判断是否包含目标响应
  if (strstr((char*)esp_recv_buf, resp) != NULL) {
    return 0;  // 成功
  } else {
    return 1;  // 失败
  }
}

// 初始化ESP8266并连接WiFi
uint8_t ESP_InitAndConnectWiFi(char *ssid, char *pwd) {
  // 1. 测试模块连接
  if (ESP_SendATCmd("AT\r\n", "OK", 1000) != 0) {
    return 1;  // 模块无响应
  }
  // 2. 重置模块
  if (ESP_SendATCmd("AT+RST\r\n", "ready", 3000) != 0) {
    return 1;
  }
  HAL_Delay(1000);
  // 3. 连接WiFi
  char cmd[100];
  sprintf(cmd, "AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"\r\n", ssid, pwd);
  if (ESP_SendATCmd(cmd, "WIFI GOT IP", 10000) != 0) {  // 连接超时10秒
    return 1;
  }
  return 0;
}

// 计算阿里云MQTT签名（核心！）
void Aliyun_Sign(char *sign, char *productKey, char *deviceName, char *deviceSecret, char *timestamp) {
  // 签名源字符串格式：clientId{deviceName}deviceName{deviceName}productKey{productKey}timestamp{timestamp}
  char src[256];
  sprintf(src, "clientId%sdeviceName%sproductKey%stimestamp%s", deviceName, deviceName, productKey, timestamp);
  // 使用SHA1和deviceSecret计算HMAC-SHA1签名（需实现或调用库函数）
  hmac_sha1((uint8_t*)src, strlen(src), (uint8_t*)deviceSecret, strlen(deviceSecret), (uint8_t*)sign);
  // 签名结果转Base64（阿里云要求）
  base64_encode(sign, sign, strlen(sign));
}

// 连接阿里云IoT平台
uint8_t Aliyun_Connect() {
  char cmd[512], sign[128], timestamp[20];
  sprintf(timestamp, "%ld", HAL_GetTick()/1000);  // 时间戳（秒）
  
  // 1. 计算签名
  Aliyun_Sign(sign, PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME, DEVICE_SECRET, timestamp);
  
  // 2. 配置MQTT客户端
  sprintf(cmd, "AT+MQTTUSERCFG=0,1,\"NULL\",\"%s&%s\",\"%s\",0,0,\"\"\r\n", 
          DEVICE_NAME, PRODUCT_KEY, sign);
  if (ESP_SendATCmd(cmd, "OK", 2000) != 0) return 1;
  
  // 3. 连接MQTT服务器
  sprintf(cmd, "AT+MQTTCLIENTID=0,\"%s|securemode=3,signmethod=hmacsha1,timestamp=%s|\"\r\n", 
          DEVICE_NAME, timestamp);
  if (ESP_SendATCmd(cmd, "OK", 2000) != 0) return 1;
  
  // 4. 连接阿里云MQTT主机
  sprintf(cmd, "AT+MQTTCONN=0,\"%s\",%d,1\r\n", MQTT_HOST, MQTT_PORT);
  if (ESP_SendATCmd(cmd, "MQTT CONNECTED", 5000) != 0) return 1;
  
  return 0;
}

// 上传温湿度数据到阿里云
uint8_t Aliyun_UploadData(float t, float h) {
  char cmd[512], payload[128];
  // 1. 构建JSON payload（符合物模型定义）
  sprintf(payload, "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f}", t, h);
  
  // 2. MQTT发布主题（阿里云固定格式：/sys/{productKey}/{deviceName}/thing/event/property/post）
  char topic[200];
  sprintf(topic, "/sys/%s/%s/thing/event/property/post", PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME);
  
  // 3. 发送AT指令发布数据
  sprintf(cmd, "AT+MQTTPUB=0,\"%s\",\"%s\",0,0\r\n", topic, payload);
  if (ESP_SendATCmd(cmd, "OK", 2000) != 0) return 1;
  
  return 0;
}
/* USER CODE END 0 */

3. FreeRTOS 任务实现

c

/* 任务1：温湿度采集任务 */
void TempHumi_Collect_Task(void const * argument) {
  AHT10_Init(&hi2c1);
  for(;;) {
    AHT10_ReadData(&hi2c1, &temp, &humi);
    vTaskDelay(1000);  // 1秒采集一次
  }
}

/* 任务2：WiFi通信任务 */
void WiFi_Comm_Task(void const * argument) {
  // 1. 初始化ESP8266并连接WiFi（替换为你的WiFi名和密码）
  if (ESP_InitAndConnectWiFi("你的WiFi名", "你的WiFi密码") != 0) {
    HAL_UART_Transmit(DEBUG_USART, (uint8_t*)"WiFi连接失败！\r\n", 16, 100);
    vTaskDelete(NULL);  // 连接失败，删除任务
  }
  
  // 2. 连接阿里云IoT平台
  if (Aliyun_Connect() != 0) {
    HAL_UART_Transmit(DEBUG_USART, (uint8_t*)"阿里云连接失败！\r\n", 18, 100);
    vTaskDelete(NULL);
  }
  
  // 3. 循环上传数据
  for(;;) {
    if (Aliyun_UploadData(temp, humi) == 0) {
      HAL_UART_Transmit(DEBUG_USART, (uint8_t*)"数据上传成功\r\n", 14, 100);
    } else {
      HAL_UART_Transmit(DEBUG_USART, (uint8_t*)"数据上传失败\r\n", 14, 100);
    }
    vTaskDelay(5000);  // 5秒上传一次
  }
}

五、测试与验证（30 分钟）

1. 模块调试：先用 USB-TTL 连接 ESP8266，通过串口助手发送 AT 指令，确认模块能正常响应、连接 WiFi；
2. 代码下载：将程序下载到 STM32，通过 USART1 调试串口观察输出（WiFi 连接状态、云平台连接状态）；
3. 云平台查看：登录阿里云 IoT 控制台→设备→“运行状态”，可看到上传的温湿度数据；
4. 手机查看：在阿里云 IoT 控制台 “产品→交互开发” 中配置简易 APP，扫码即可在手机上实时查看数据。

六、第十二天必掌握的 3 个核心点

1. ESP8266 控制：通过 AT 指令实现 WiFi 连接（AT+CWJAP）和 MQTT 配置，理解 “串口指令→模块动作” 的映射关系；
2. 云平台对接：掌握阿里云 IoT 的产品 / 设备创建、物模型定义、MQTT 连接参数（三元组、签名）的核心作用；
3. 数据链路：清晰 “传感器→STM32→WiFi 模块→云平台” 的全链路数据流向，能通过调试串口定位通信失败问题（如 WiFi 密码错误、签名计算错误）。

总结

今天实现了嵌入式设备的 “联网能力”，这是物联网开发的核心环节。通过 WiFi 模块和云平台，设备从 “单机运行” 升级为 “可远程监控的智能设备”，后续可扩展为：

• 接收云平台指令（如远程修改温湿度阈值）；
• 集成 GPS 模块，上传位置信息；
• 使用 ESP32（带 WiFi + 蓝牙）替代 ESP8266，提升性能。