【花雕学编程】Arduino HTTP 之TCP 连接的建立

最新推荐文章于 2025-04-25 10:30:21 发布

驴友花雕

最新推荐文章于 2025-04-25 10:30:21 发布

阅读量756

点赞数 10

分类专栏：开源硬件文章标签： tcp/ip 网络协议嵌入式硬件单片机 c++ TCP 连接的建立 Arduino HTTP

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_41659040/article/details/144977092

版权

开源硬件专栏收录该内容

1735 篇文章

订阅专栏

在这里插入图片描述

Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

在这里插入图片描述
Arduino
Arduino 是一个开源电子原型平台，由硬件和软件两部分组成。硬件方面，Arduino 电路板可以读取输入——例如来自传感器的数据、按钮按下的信号、或是社交媒体消息——并将其转换为输出，如启动电机、点亮 LED、或发送通知。软件方面，用户可以使用 Arduino 编程语言（基于 Wiring）和 Arduino 软件（IDE）进行编程。以下是一些关键概念：
1、微控制器 (Microcontroller): 一种集成在电路板上的小型计算机，用于控制其他电子组件。Arduino 板常使用 ATmega328P 微控制器。
2、引脚 (Pins): 电路板上的物理连接点，用于连接传感器、执行器等外围设备。分为数字引脚和模拟引脚。
3、板载LED (Onboard LED): Arduino 板上自带的 LED（通常连接到引脚 13），便于测试和调试代码。
4、电源端口 (Power Port): 用于供电的接口，可以通过 USB 端口、电池或电源适配器供电。

HTTP (HyperText Transfer Protocol)
HTTP 是互联网的基础协议之一，用于在网络上交换信息，特别是用于客户端（如浏览器）与服务器之间的数据通信。以下是一些关键概念：
1、请求 (Request): 由客户端发送到服务器的消息，包含请求行、请求头和请求体。常见的请求方法包括 GET（请求资源）、POST（提交数据）、PUT（更新资源）和 DELETE（删除资源）。
2、响应 (Response): 服务器返回给客户端的消息，包含状态行、响应头和响应体。状态码如 200（OK）、404（Not Found）等用于表示请求的处理结果。
3、URI (Uniform Resource Identifier): 用于唯一标识网络资源的字符串，可以是 URL（Uniform Resource Locator）或 URN（Uniform Resource Name）。
4、无状态 (Stateless): HTTP 是一种无状态协议，每个请求都是独立的，不保留前后的状态信息。因此，服务器在处理请求时不需要了解之前的请求信息。

Arduino 与 HTTP 的结合
在 Arduino 项目中，HTTP 可以用于实现设备与网络服务的通信，典型应用场景包括：
1、发送传感器数据到服务器: Arduino 可以通过 HTTP POST 请求将传感器数据上传到云服务器，进行数据存储和分析。
2、从服务器获取数据: Arduino 可以通过 HTTP GET 请求从服务器获取信息，例如天气预报或实时监控数据。
3、控制设备: 通过 HTTP 请求，Arduino 可以接收远程指令，控制物理设备的开关状态，如远程点亮 LED 或启动电机。

在这里插入图片描述
一、主要特点
（一）基于 TCP 协议
TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的传输层协议。在 Arduino 通过 HTTP 使用 TCP 连接时，它会先与服务器建立一个稳定的连接通道。这意味着数据传输的可靠性较高，能够保证数据包按照正确的顺序到达目的地，并且如果在传输过程中有数据包丢失，TCP 协议会负责重新发送这些丢失的数据包。
例如，在向服务器发送一个 HTTP 请求获取网页内容时，使用 TCP 连接可以确保网页的各个部分（如 HTML 代码、CSS 样式表、JavaScript 文件等）都能完整且正确地接收，不会出现因为网络波动而丢失部分内容导致网页无法正常显示的情况。
（二）三次握手过程
在建立 TCP 连接时，Arduino 和服务器之间会进行著名的 “三次握手” 操作。首先，Arduino 会向服务器发送一个带有 SYN（同步序列号）标志的数据包，这就好像是 Arduino 在说 “我想和你建立连接”。然后服务器收到这个数据包后，会返回一个带有 SYN 和 ACK（确认）标志的数据包，意思是 “我收到你的请求了，我们可以建立连接”。最后，Arduino 再发送一个带有 ACK 标志的数据包给服务器，确认连接建立。这个过程确保了双方都同意建立连接并且都准备好了进行数据传输。
例如，在智能家居系统中，当 Arduino 设备（如智能温湿度传感器）要将数据发送到云端服务器进行存储和分析时，通过这三次握手过程，建立起稳定的连接，之后传感器采集的数据就能可靠地传输到服务器。
（三）连接的持久性
一旦 TCP 连接建立成功，在没有异常情况（如网络故障、服务器或 Arduino 设备重启等）下，这个连接可以持续使用。这使得在进行一系列相关的 HTTP 请求 / 响应交互时，不需要每次都重新建立连接，提高了数据传输的效率。
例如，在一个远程监控系统中，Arduino 控制的摄像头设备要不断地向服务器发送视频流数据。通过建立持久的 TCP 连接，可以在较长时间内持续传输数据，减少连接建立和拆除带来的开销。

二、应用场景
（一）物联网数据采集与传输
许多物联网设备（如传感器网络）使用 Arduino 作为控制器。这些设备需要将采集到的数据（如温度、湿度、光照强度等）发送到服务器进行存储和进一步分析。通过建立 TCP 连接的 HTTP 通信，可以方便地将数据以合适的格式（如 JSON 格式）发送到服务器。
例如，在一个农业物联网项目中，分布在农田中的多个 Arduino 连接的土壤湿度传感器，通过 TCP 连接将土壤湿度数据发送到服务器。服务器端可以根据这些数据进行灌溉决策，帮助农民更科学地灌溉农田。
（二）远程设备控制
可以通过建立 TCP 连接，让客户端（如手机应用或网页应用）发送 HTTP 请求到 Arduino 设备，从而实现对 Arduino 连接的外部设备的远程控制。例如，通过网络远程控制连接到 Arduino 的智能灯的开关、亮度调节等功能。
例如，在智能家居系统中，用户可以通过手机上的应用程序发送 HTTP 请求，经 TCP 连接到达 Arduino 设备，从而控制家中的智能灯具的开关状态和亮度级别。
（三）网页服务器交互
Arduino 设备可以作为客户端与网页服务器进行交互。例如，获取网页服务器上的特定资源（如更新配置文件、获取最新的固件版本信息等）。
比如，一个 Arduino 开发的电子设备，需要定期从制造商的服务器上检查是否有新的固件版本发布。通过建立 TCP 连接的 HTTP 请求，可以从服务器获取固件版本信息，如果有更新则可以进一步下载更新文件。

三、需要注意的事项
（一）网络配置
需要确保 Arduino 设备所在的网络环境能够访问目标服务器。这包括正确配置网络参数，如 IP 地址（如果是静态 IP）、子网掩码、网关等。如果使用 Wi - Fi 连接，要正确设置 Wi - Fi 的 SSID 和密码。
例如，如果 Arduino 设备处于一个企业内部网络中，可能需要配置代理服务器才能访问外部的互联网服务器。否则，即使代码正确，也无法建立 TCP 连接到目标服务器。
（二）资源占用
TCP 连接的建立和维护需要一定的系统资源，包括内存和处理器时间。对于资源有限的 Arduino 设备（尤其是一些低端型号），过多的 TCP 连接或者长时间不释放连接可能会导致设备性能下降甚至出现故障。
例如，在一个同时连接多个传感器和执行器的复杂 Arduino 系统中，如果频繁建立大量的 TCP 连接用于数据传输，可能会导致 Arduino 设备的内存不足，无法正常运行其他关键任务。
（三）连接超时与错误处理
网络环境是复杂多变的，可能会出现连接超时、服务器无响应等情况。在代码中需要有完善的错误处理机制，例如设置合理的连接超时时间，当超时后能够正确地释放资源并尝试重新连接或者通知用户连接失败。
例如，当服务器因为维护或者网络故障无法响应 Arduino 设备的连接请求时，Arduino 设备应该能够识别这种情况，而不是一直等待，并且在适当的时候重新尝试建立连接或者提示用户服务器不可用。

在这里插入图片描述
1、TCP 客户端发送简单消息

#include <WiFi.h>
#include <WiFiClient.h>

const char* ssid = "YOUR_SSID";           // WiFi SSID
const char* password = "YOUR_PASSWORD";     // WiFi 密码
const char* serverIP = "192.168.1.100";    // 服务器 IP 地址
const int serverPort = 8080;                // 服务器端口号

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.begin(ssid, password);

    // 等待连接
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(1000);
        Serial.println("Connecting to WiFi...");
    }
    Serial.println("Connected to WiFi");

    // 创建 TCP 客户端
    WiFiClient client;
    
    // 连接到服务器
    if (client.connect(serverIP, serverPort)) {
        Serial.println("Connected to server");
        client.println("Hello from Arduino!"); // 发送消息
    } else {
        Serial.println("Connection failed");
    }

    client.stop(); // 关闭连接
}

void loop() {
    // 不做任何事情
}

2、TCP 客户端接收服务器响应

#include <WiFi.h>
#include <WiFiClient.h>

const char* ssid = "YOUR_SSID";           // WiFi SSID
const char* password = "YOUR_PASSWORD";     // WiFi 密码
const char* serverIP = "192.168.1.100";    // 服务器 IP 地址
const int serverPort = 8080;                // 服务器端口号

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.begin(ssid, password);

    // 等待连接
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(1000);
        Serial.println("Connecting to WiFi...");
    }
    Serial.println("Connected to WiFi");

    // 创建 TCP 客户端
    WiFiClient client;
    
    // 连接到服务器
    if (client.connect(serverIP, serverPort)) {
        Serial.println("Connected to server");
        client.println("Requesting data..."); // 发送请求

        // 等待服务器响应
        while (client.connected()) {
            if (client.available()) {
                String response = client.readStringUntil('\n'); // 读取响应
                Serial.println("Response: " + response); // 打印响应
                break;
            }
        }
    } else {
        Serial.println("Connection failed");
    }

    client.stop(); // 关闭连接
}

void loop() {
    // 不做任何事情
}

3、TCP 服务器接收客户端消息

#include <WiFi.h>
#include <WiFiServer.h>

const char* ssid = "YOUR_SSID";           // WiFi SSID
const char* password = "YOUR_PASSWORD";     // WiFi 密码
WiFiServer server(8080);                    // 创建 TCP 服务器，监听端口 8080

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.begin(ssid, password);

    // 等待连接
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(1000);
        Serial.println("Connecting to WiFi...");
    }
    Serial.println("Connected to WiFi");

    server.begin(); // 启动服务器
    Serial.println("Server started");
}

void loop() {
    // 检查是否有客户端连接
    WiFiClient client = server.available(); 
    if (client) {
        Serial.println("New client connected");

        // 读取客户端消息
        while (client.connected()) {
            if (client.available()) {
                String message = client.readStringUntil('\n'); // 读取消息
                Serial.println("Message from client: " + message); // 打印消息
                client.println("Message received!"); // 发送响应
                break;
            }
        }
        client.stop(); // 关闭连接
        Serial.println("Client disconnected");
    }
}

要点解读
WiFi 连接：
每个示例都首先通过 WiFi.begin() 建立 WiFi 连接，确保 Arduino 能够连接到互联网。使用 WiFi.status() 检查连接状态，直到连接成功。
TCP 客户端与服务器：
示例 1 和示例 2 展示了如何作为 TCP 客户端与服务器建立连接，发送消息，并接收响应。示例 3 演示了如何创建一个 TCP 服务器，监听客户端的连接请求并处理接收到的消息。
数据传输：
使用 client.println() 发送数据，使用 client.readStringUntil(‘\n’) 接收数据。这些方法使得在 TCP 连接中发送和接收数据变得方便。
连接管理：
在每个示例中，连接成功后都在适当的时候调用 client.stop() 关闭连接，确保资源得到释放，避免资源泄露。在服务器示例中，客户端在处理完后也会被关闭。
错误处理与状态反馈：
每个示例都检查连接是否成功，并在连接失败时给出反馈。这有助于开发者在调试过程中快速定位问题，确保程序的可靠性。

在这里插入图片描述

4、使用ESP32建立TCP连接并发送数据

#include <WiFi.h>

const char* ssid = "your_SSID"; // WiFi名称
const char* password = "your_PASSWORD"; // WiFi密码
const char* serverIP = "192.168.1.100"; // 服务器IP地址
const int serverPort = 80; // 服务器端口

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.begin(ssid, password);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(1000);
        Serial.println("Connecting to WiFi...");
    }

    Serial.println("Connected to WiFi");
    
    // 建立TCP连接
    WiFiClient client;
    if (!client.connect(serverIP, serverPort)) {
        Serial.println("Connection failed!");
        return;
    }

    Serial.println("Connected to server");
    client.print("Hello from ESP32!"); // 发送数据
    client.stop(); // 关闭连接
}

void loop() {
    // 此处可以执行其他任务
}

要点解读
WiFi连接：在setup()中连接到指定的WiFi，以确保可以访问网络。
WiFiClient类：使用WiFiClient类创建TCP连接，简化TCP通信的实现。
连接验证：通过client.connect()方法验证TCP连接是否成功，确保可以与服务器通信。
数据发送：通过client.print()方法发送数据到服务器，适用于发送简单信息。
连接关闭：使用client.stop()方法关闭连接，释放资源。

5、从服务器接收数据

#include <WiFi.h>

const char* ssid = "your_SSID";
const char* password = "your_PASSWORD";
const char* serverIP = "192.168.1.100"; // 服务器IP地址
const int serverPort = 80; // 服务器端口

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.begin(ssid, password);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(1000);
        Serial.println("Connecting to WiFi...");
    }

    Serial.println("Connected to WiFi");
    
    // 建立TCP连接
    WiFiClient client;
    if (!client.connect(serverIP, serverPort)) {
        Serial.println("Connection failed!");
        return;
    }

    Serial.println("Connected to server");
    client.print("GET /data HTTP/1.1\r\nHost: ");
    client.print(serverIP);
    client.print("\r\nConnection: close\r\n\r\n"); // 发送HTTP GET请求

    // 等待响应并读取数据
    while (client.connected() || client.available()) {
        if (client.available()) {
            String line = client.readStringUntil('\n');
            Serial.println(line); // 输出接收到的数据
        }
    }

    client.stop(); // 关闭连接
}

void loop() {
    // 此处可以执行其他任务
}

要点解读
HTTP请求：通过TCP连接发送HTTP GET请求，获取服务器的数据。
数据读取：使用client.readStringUntil()方法读取从服务器返回的数据，适合处理逐行输出。
连接状态判断：在接收数据时，通过client.connected()和client.available()判断连接状态，确保读取完整。
简单协议实现：实现了基本的HTTP协议，适合初学者理解TCP通信的基本流程。
连接关闭：使用client.stop()方法关闭连接，确保资源的有效管理。

6、持续的TCP连接与数据交互

#include <WiFi.h>

const char* ssid = "your_SSID";
const char* password = "your_PASSWORD";
const char* serverIP = "192.168.1.100"; // 服务器IP地址
const int serverPort = 80; // 服务器端口

WiFiClient client;

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.begin(ssid, password);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(1000);
        Serial.println("Connecting to WiFi...");
    }

    Serial.println("Connected to WiFi");

    // 建立TCP连接
    if (!client.connect(serverIP, serverPort)) {
        Serial.println("Connection failed!");
        return;
    }

    Serial.println("Connected to server");
}

void loop() {
    if (client.connected()) {
        client.print("Hello from ESP32!"); // 发送数据
        delay(5000); // 每5秒发送一次
    } else {
        Serial.println("Disconnected from server");
        client.stop(); // 断开连接
    }
}

要点解读
持续连接：在loop()中保持与服务器的TCP连接，可以实现持续的数据交互。
定时发送：通过delay()函数控制发送频率，适合周期性发送数据的场景。
连接状态检查：在发送数据前检查client.connected()，确保连接仍然有效。
简单的消息传递：通过TCP持续发送信息，适合实时监控或控制应用。
适时断开：在连接失效时使用client.stop()方法断开连接，保障资源管理。

总结
以上几个案例展示了如何在Arduino上建立TCP连接。通过这些示例，用户可以学习到：
WiFi连接：如何连接到WiFi网络，以便进行Internet通信。
WiFiClient类的使用：简化TCP连接的创建与管理。
连接验证：通过连接状态检查确保TCP连接的有效性。
数据发送与接收：实现基本的数据交互，适合不同的应用场景。
资源管理：通过调用stop()方法正确关闭连接，以释放资源。

注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。

在这里插入图片描述