ESP32 轻松学系列文章目录:
ESP32 概述与 Arduino 软件准备ESP32 GPIO接口编程入门蓝牙翻页笔(PPT 控制器)新冠肺炎疫情数据实时显示器B 站粉丝计数器Siri 语音识别控制 LED 灯Siri 语音识别获取传感器数据彩屏显示入门(一):驱动库设置与彩屏效果展示彩屏显示入门(二):颜色设置与文本显示ESP-NOW 无线通信
想象一下,在一些智能家居场合或者工业控制场合,如果需要在很多设备之间满足两两可以互联互通的通信要求,你有什么比较好的通信方案么?当然我们可以用线缆将它们连接在一起,但是这样做不仅距离限制比较多,而且可能需要重新施工布线,成本比较大!
今天的课程,我们将向您介绍 ESP-MESH 组网技术,不仅可以大大降低距离的限制,而且可以方便地实现多设备之间互联互通的要求,在实现难度上也会大大降低。
ESP-MESH 简介
ESP-MESH 是一套建立在 Wi-Fi 协议之上的网络协议。ESP-MESH 允许分布在大范围区域内(室内和室外)的大量设备(下文称节点)在同一个 WLAN(无线局域网)中相互连接。ESP-MESH 具有自组网和自修复的特性,也就是说 mesh 网络可以自主地构建和维护。
传统基础设施 Wi-Fi 网络是一个“单点对多点”的网络。这种网络架构的中心节点为接入点 (AP),其他节点 (Station) 均与 AP 直接相连。其中,AP 负责各个 Station 之间的仲裁和转发,一些 AP 还会通过路由器与外部 IP 网络交换数据。在传统 Wi-Fi 网络架构中,1)由于所有 Station 均需与 AP 直接相连,不能距离 AP 太远,因此覆盖区域相对有限;2)受到 AP 容量的限制,因此网络中允许的 station 数量相对有限,很容易超载。
ESP-MESH 与传统 Wi-Fi 网络的不同之处在于:网络中的节点不需要连接到中心节点,而是可以与相邻节点连接。各节点均负责相连节点的数据中继。由于无需受限于距离中心节点的位置,所有节点仍可互连,因此 ESP-MESH 网络的覆盖区域更广。类似地,由于不再受限于中心节点的容量限制,ESP-MESH 允许更多节点接入,也不易于超载。
准备工作
我们使用 Arduino 软件来编写本项目的程序,使用 ESP32 与 ESP8266 开发板。至于如何在 Arduino 中配置 ESP32 与 ESP8266 的开发环境,请查看 ESP32 概述与 Arduino 软件准备章节。
要完成本课程的项目,需准备如下材料:
ESP32 主控板 × 2;ESP8266 主控板 × 1;LED 灯 × 1;人体红外传感器 × 1;DHT11 温湿度传感器 × 1;
安装 painlessMesh 库
要在 Arduino IDE 中使用 ESP-MESH,我们需要先安装一个库来支持 ESP-MESH 组网程序的编写,这个库的名称就是:painlessMesh
。根据这个库的官方介绍,这个库可以简化 ESP-MESH 的程序编写,让你更加专注于功能的实现,而不必关心 ESP-MESH 网络架设与管理的细节。
painlessMesh is a library that takes care of the particulars of creating a simple mesh network using esp8266 and esp32 hardware. The goal is to allow the programmer to work with a mesh network without having to worry about how the network is structured or managed.
安装这个库也很简单,只需要打开 Arduino 软件的库管理器,搜索painlessMesh
,即可选择对应的版本进行安装。这里推荐安装最新版。
在安装 painlessMesh 库的时候,如果提示你需要安装其他依赖库,选择同意安装全部库就行。
安装完库,就可以开始 ESP-MESH 组网编程了。
ESP-MESH 基础讲解
先打开 painlessMesh 库的基础示例:basic.ino
程序,来了解一下这个库的基本使用方法。basic 示例程序路径如下:Arduino IDE → 文件 → Painless Mesh → basic,如下图所示。
basic.ino 程序如下:
#include "painlessMesh.h"#define MESH_PREFIX"whateverYouLike"#define MESH_PASSWORD "somethingSneaky"#define MESH_PORT 5555painlessMesh mesh;Scheduler userScheduler;void sendMessage();Task taskSendMessage( TASK_SECOND * 1 , TASK_FOREVER, &sendMessage );void sendMessage() {String msg = "Hello from node ";msg += mesh.getNodeId();mesh.sendBroadcast( msg );taskSendMessage.setInterval( random( TASK_SECOND * 1, TASK_SECOND * 5 ));}void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) {Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str());}void newConnectionCallback(uint32_t nodeId) {Serial.printf("--> startHere: New Connection, nodeId = %u\n", nodeId);}void changedConnectionCallback() {Serial.printf("Changed connections\n");}void nodeTimeAdjustedCallback(int32_t offset) {Serial.printf("Adjusted time %u. Offset = %d\n", mesh.getNodeTime(),offset);}void setup() {Serial.begin(115200);mesh.setDebugMsgTypes( ERROR | STARTUP );mesh.init( MESH_PREFIX, MESH_PASSWORD, &userScheduler, MESH_PORT );mesh.onReceive(&receivedCallback);mesh.onNewConnection(&newConnectionCallback);mesh.onChangedConnections(&changedConnectionCallback);mesh.onNodeTimeAdjusted(&nodeTimeAdjustedCallback);userScheduler.addTask( taskSendMessage );taskSendMessage.enable();}void loop() {mesh.update();}
程序只有短短 50 几行,可见要实现 ESP-MESH 组网非常简单。接下来我们对这个程序进行讲解。
MESH 鉴权信息
首先在程序的开头,我们引入了 painlessMesh 这个库,以便后续程序可以使用这个库的相关功能:
#include "painlessMesh.h"
接着对 ESP-MESH 组网的一些鉴权信息进行设定,以便具有相同鉴权信息的设备,可以互相组网。其中,MESH_PREFIX
可以理解为 ESP-MESH 网络的账号,MESH_PASSWORD
则是 ESP-MESH 网络的密码,MESH_PORT
为ESP-MESH 网络的端口号。这 3 个信息可以根据你的需要随便修改,只要互相 MESH 组网的设备之间这 3 个信息相同即可。设置完这些信息之后,就可以实例化一个mesh
对象,用来处理后续的各种信息收发。
#define MESH_PREFIX"whateverYouLike"#define MESH_PASSWORD "somethingSneaky"#define MESH_PORT 5555painlessMesh mesh;
MESH 设备发送信息
然后实例化一个 Scheduler 任务管理器userScheduler
,帮助ESP- MESH 网络设备调度他们的任务,比如说定时更新传感器相关的信息,然后将数据发送给其他设备等。Scheduler 任务管理也是 painlessMesh 库推荐使用的方式,因为在 ESP-MESH 网络中要尽量避免延时 delay() 相关的代码。实例化 userScheduler 之后,再来创建一个任务taskSendMessage
,并且调用sendMessage()
函数,这个函数就是负责向其他设备发送信息的。
Scheduler userScheduler;void sendMessage();Task taskSendMessage( TASK_SECOND * 1 , TASK_FOREVER, &sendMessage );
sendMessage() 函数的具体内容如下,在这个函数中,实现了向其他节点设备发送了一句打招呼的语句。如果我们要向其他设备发送传感器信息或者数据,只要去修改这个函数中的内容即可。
void sendMessage() {String msg = "Hello from node ";msg += mesh.getNodeId();mesh.sendBroadcast( msg );taskSendMessage.setInterval( random( TASK_SECOND * 1, TASK_SECOND * 5 ));}
MESH 网络回调函数
接下来是几个 painlessMesh 库必备的回调函数实现。
receivedCallback()
函数:负责将从其他设备接收到的信息在串口监视器中打印出来;newConnectionCallback()
函数:负责通知有没有新设备接入到 ESP-MESH 网络中;changedConnectionCallback()
函数:负责通知 ESP-MESH 网络连接出现变化,比如有设备离线或有新设备加入等;nodeTimeAdjustedCallback()
函数:负责打印时间同步信息,以确保 ESP-MESH 网络中所有设备的时间是同步的。
void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) {Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str());}void newConnectionCallback(uint32_t nodeId) {Serial.printf("--> startHere: New Connection, nodeId = %u\n", nodeId);}void changedConnectionCallback() {Serial.printf("Changed connections\n");}void nodeTimeAdjustedCallback(int32_t offset) {Serial.printf("Adjusted time %u. Offset = %d\n", mesh.getNodeTime(),offset);}
setup() 初始化设置
在 setup() 初始化程序中,先初始化串口,方便后面打印信息。
Serial.begin(115200);
然后是对 ESP-MESH 网络进行相关初始化设置:
设置打印的调试信息类型为 ERROR 与 STARTUP 等级;然后根据 MESH_PREFIX、MESH_PASSWORD、userScheduler、MESH_PORT 等信息初始化 MESH 网络;借着分别设置onReceive
(接收到消息时)、onNewConnection
(有新的设备连接时)、onChangedConnections
(连接的设备发生变化时)、onNodeTimeAdjusted
(节点设备时间调整并同步时)的回调函数,用来处理 ESP-MESH 网络事件。
mesh.setDebugMsgTypes( ERROR | STARTUP );mesh.init( MESH_PREFIX, MESH_PASSWORD, &userScheduler, MESH_PORT );mesh.onReceive(&receivedCallback);mesh.onNewConnection(&newConnectionCallback);mesh.onChangedConnections(&changedConnectionCallback);mesh.onNodeTimeAdjusted(&nodeTimeAdjustedCallback);
最后在 setup() 中设置定时发送消息任务,以及对任务使能。
userScheduler.addTask( taskSendMessage );taskSendMessage.enable();
loop() 重复运行
loop() 程序非常简单,只要不断去更新 ESP-MESH 网络即可:
mesh.update();
程序测试
分别将程序上传到 2 块以上的 ESP32 开发板中(或者 ESP8266 开发板也可以),然后分别打开不同的串口监视器,可以看到从其他 ESP-MESH 网络设备上发来的信息,以及一些网络状态变更的信息。
将所有 ESP32(或 ESP8266)设备上电,打开其中一块板子的串口监视器,可以看到从其他不同节点 ID 对应的设备发送过来的消息。
偶尔也会打印出时间同步的消息:
当拔下其中某一块开发板的电源之后,可以看到连接发生变化的消息被打印出来。
当有新的设备上电加入 ESP-MESH 网络时,也可以在串口监视器中看到新设备加入的信息。
这些信息充分说明了 ESP-MESH 具有自组网和自修复的特性,可以自主地构建和维护。
ESP-MESH 智能家居组网实例
上面初步学习了 ESP-MESH 网络的编程,下面我们修改 basic 程序,接入各种传感器,来实现一个简单的智能家居设备组网实例。
假设房间中有 3 套设备:人体感应器(设备 1 或节点 1)、智能灯(设备 2 或 节点 2)、温湿度传感器(设备 3 或节点 3),这 3 套设备安装在房间的不同位置,考虑到设备可以随时移动,所以采用 ESP-MESH 组网的方式,对这 3 套设备进行互联互通,设备之间可以互相首发信息,可以根据读取到的信息,进行相应的控制,比如开关灯等。这 3 套设备的主控芯片为 ESP32 或者 ESP8266。
电路图
这 3 套设备的电路图分别如下:
人体感应器(设备 1 或节点 1):ESP8266 主控板 GPIO16 引脚连接人体红外感应传感器,用于检测房间内是否有人:
智能灯(设备 2 或 节点 2):ESP32 主控板 GPIO12 引脚连接 LED 灯,用于控制房间内的智能灯:
温湿度传感器(设备 3 或节点 3):ESP32 主控板 GPIO33 引脚连接 DHT11 温湿度传感器,用于读取房间内的温湿度信息。
设备 1 程序修改(人体感应)
在前面讲解的 basic 程序的基础之上,我们只需要修改sendMessage()
函数即可:通过人体红外感应传感器检测房间内是否有人,如果有人的话,发送“Light on
”信息,没人的话,发送“Light off
”信息给其他设备。
#define PIR_PIN 16void sendMessage() {pinMode(PIR_PIN, INPUT);String msg = "Message from node PIR: ";if ( digitalRead(PIR_PIN) ) {msg += "Light on.";} else {msg += "Light off.";} mesh.sendBroadcast( msg );}
其余代码不再赘述,完整代码请参考附件esp_mesh_pir程序。
设备 2 程序修改(LED 灯控制)
在前面讲解的 basic 程序的基础之上,我们只需要修改receivedCallback()
函数即可:如果从其他设备中接收到的信息包含“Light on
”命令,就打开 LED 灯,否则熄灭 LED 灯。
#define LED_PIN 12void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) {pinMode(LED_PIN, OUTPUT);Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str());if (msg.indexOf("Light on") > 0) {digitalWrite(LED_PIN, HIGH);} else {digitalWrite(LED_PIN, LOW);}}
其余代码不再赘述,完整代码请参考附件esp_mesh_led程序。
设备 3 程序修改(温湿度读取)
读取 DHT11 温湿度传感器要做一些额外的设置,首先在程序开头引入 DHT 库文件:
#include <DHT.h>
然后对 DHT 温湿度传感器的引脚、类型进行设置:
#define DHTPIN33#define DHTTYPE DHT11DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
在 setup() 中开启传感器:
dht.begin();
最后在前面讲解的 basic 程序的基础之上,需要修改sendMessage()
函数:定时地将温度和湿度的数据发送给其他设备。
void sendMessage() {String msg = "Message from node DHT.";msg = msg + " Temperature: " + String(dht.readTemperature());msg = msg + " Humidity: " + String(dht.readHumidity());mesh.sendBroadcast( msg );}
其余代码不再赘述,完整代码请参考附件esp_mesh_dht程序。
效果展示
将上述代码分别上传到指定的设备节点中。打开其中一个设备 1(节点 1:人体感应)的串口监视器,可以看到另外两个设备发送过来的信息,其中就包含了温度和湿度的值。
再打开设备 3(节点 3:温湿度读取)的串口监视器,同样可以看到另外两个设备发送过来的信息,其中就包括是否开关灯的命令。
最后再查看一下设备 2(节点 2:LED 灯控制)的反馈情况:当设备 1 检测到附近有人活动时,设备 2 上的 LED 灯就会被点亮,否则熄灭。
所有设备按照我们预期的情况运行,智能家居组网实验成功!
总结
ESP-MESH 是一种非常好用的组网方式,摆脱了 WiFi 网络距离的限制,同时组网又非常方便,可以应用在很多智能家居或者工程项目中,方便地进行数据交互与传送。由于本项目只是一个简单的演示,所以并没有对发送的信息或者数据进行包装,后续可以改进数据发送的格式,比如采用 JSON 格式,就可以发送与解码更加丰富的信息了。
以上就是本教程的全部内容,我是铁熊,下期再见!