Основы робототехники

Создание простого веб-сервера на ESP8266 NodeMCU в Arduino IDE

Содержание

За последние несколько лет ESP8266 стал восходящей звездой среди проектов, связанных с IoT или Wi-Fi. Это чрезвычайно эффективный по стоимости Wi-Fi модуль, который (с небольшими усилиями) может быть запрограммирован для создания автономного веб-сервера. Это круто!

Рассмотрим на простом примере, как в Arduino IDE создать на ESP8266 NodeMCU веб-сервер для мониторинга и управления различными устройствами через Wi-Fi.

Создание простого веб-сервера на ESP8266 NodeMCU в Arduino IDE Создание простого веб-сервера на ESP8266 NodeMCU в Arduino IDE

Что такое веб-сервер и как он работает?

Веб-сервер это место, где веб-страницы хранятся, обрабатываются и выдаются веб-клиентам. Веб-клиент это не что иное, как веб-браузер на наших ноутбуках и смартфонах. Связь между клиентом и сервером осуществляется с помощью специального протокола под названием протокол передачи гипертекста (HTTP).

Рисунок 1 Клиент и веб-сервер HTTP Рисунок 1 Клиент и веб-сервер HTTP

В этом протоколе клиент инициирует связь, отправляя с помощью HTTP запрос на определенную веб-страницу, а сервер отвечает содержимым этой веб-страницы или сообщением об ошибке, если невозможно предоставить эту страницу (например, известная ошибка 404). Страницы, доставляемые сервером, в основном являются HTML документами.

Режимы работы ESP8266

Одна из важнейших функций, которую обеспечивает ESP8266, заключается в том, что он может не только подключаться к существующей Wi-Fi сети и работать в качестве веб-сервера, но он также может устанавливать собственную сеть, позволяя другим устройствам подключаться непосредственно к нему и получать доступ к веб-страницам. Это возможно, потому что ESP8266 может работать в трех разных режимах: режим станции, режим точки доступа и оба первых режима одновременно. Это обеспечивает возможность построения ячеистых сетей.

Режим станции (STA)

ESP8266, который подключается к существующей сети W-iFi (созданной вашим беспроводным маршрутизатором), называется станцией (Station, STA).

Рисунок 2 Демонстрация режима Station ESP8266 NodeMCU Рисунок 2 Демонстрация режима Station ESP8266 NodeMCU

В режиме STA ESP8266 получает IP адрес от беспроводного маршрутизатора, к которому подключен. С этим IP адресом он может настроить веб-сервер и выдавать веб-страницы на все подключенные к существующей Wi-Fi сети устройства.

Режим точки доступа (AP)

ESP8266, который создает свою собственную сеть Wi-Fi и действует как концентратор (точно так же как маршрутизатор Wi-Fi) для одной или нескольких станций, называется точкой доступа (Access Point, AP). В отличие от Wi-Fi роутера, он не имеет интерфейса к проводной сети. Такой режим работы называется Soft Access Point (soft-AP). Максимальное количество станций, которые могут к нему подключиться, ограничено пятью.

Рисунок 3 Демонстрация режима Soft Access Point ESP8266 NodeMCU Рисунок 3 Демонстрация режима Soft Access Point ESP8266 NodeMCU

В режиме AP ESP8266 создает новую сеть Wi-Fi и устанавливает для нее SSID (имя сети) и присваивает себе IP адрес. По запросу на этот IP адрес он может выдавать веб-страницы всем подключенным к этой сети устройствам.

Схема. Подключение светодиодов к ESP8266 NodeMCU

Теперь, когда мы знаем основы работы веб-сервера, и в каких режимах ESP8266 может создавать веб-сервер, пришло время подключить к ESP8266 NodeMCU пару светодиодов, которыми мы хотим управлять через Wi-Fi.

Начните с установки NodeMCU на макетную плату, чтобы каждая сторона платы NodeMCU была на отдельной стороне макетной платы. Затем подключите два светодиода к цифровым GPIO выводам D6 и D7 через токоограничивающие резисторы 220 Ом.

Когда вы закончите, у вас должно получиться что-то похожее на рисунок ниже.

Рисунок 4 Подключение светодиодов к ESP8266 NodeMCU Рисунок 4 Подключение светодиодов к ESP8266 NodeMCU

Концепция управления устройствами через веб-сервер ESP8266

Итак, вы можете подумать: Как я собираюсь управлять устройствами через веб-сервер, который просто обрабатывает и выдает веб-страницы? Ну, тогда вам нужно понять, что происходит за кулисами.

Когда вы вводите URL адрес в веб-браузере и нажимаете клавишу ENTER , браузер отправляет на веб-сервер HTTP запрос (точнее GET запрос). Работа веб-сервера заключается в том, чтобы, сделав что-то, обработать этот запрос. Вы, возможно, уже поняли, что мы собираемся управлять устройствами, обращаясь к определенному URL. Например, предположим, что мы ввели в браузере URL адрес, например http://192.168.1.1/ledon (т.е. включить светодиод). Затем браузер отправляет HTTP запрос на ESP8266 для обработки. Когда ESP8266 читает этот запрос, он знает, что пользователь хочет включить светодиод. Таким образом, он включает светодиод и отправляет в браузер динамическую веб-страницу, отображающую состояние светодиода: LED status : ON. Всё просто!

ESP8266 в качестве HTTP сервера в режиме точки доступа Wi-Fi (AP)

Теперь перейдем к более интересному!

Как следует из заголовка, этот пример демонстрирует, как превратить ESP8266 в точку доступа (AP) и обрабатывать веб-страницы для любого подключенного клиента. Для начала подключите ESP8266 NodeMCU к компьютеру и загрузите скетч; и тогда мы рассмотрим его более подробно.

Доступ к веб-серверу в режиме AP

После загрузки скетча откройте монитор последовательного порта со скоростью 115200 бит/с и нажмите кнопку RESET на ESP8266. Если всё в порядке, будет показано сообщение о запуске HTTP сервера.

Рисунок 5 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Монитор последовательного порта сервер запущен Рисунок 5 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Монитор последовательного порта сервер запущен

Затем найдите любое устройство, которое вы можете подключить к сети Wi-Fi телефон, ноутбук и т.д. И найдите сеть под названием NodeMCU. Подключитесь к сети с паролем 123456789.

Рисунок 6 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Подключение к серверу Рисунок 6 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Подключение к серверу

После подключения к сети AP NodeMCU откройте браузер и введите в нем адрес 192.168.1.1. NodeMCU должен отобразить веб-страницу с текущим состоянием светодиодов и две кнопки для управления ими. Если посмотрите в этот момент на монитор последовательного порта, вы можете увидеть состояние выводов GPIO платы NodeMCU.

Рисунок 7 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Веб-страница Рисунок 7 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Веб-страница Рисунок 8 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Монитор последовательного порта доступ к веб-странице Рисунок 8 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Монитор последовательного порта доступ к веб-странице

Теперь нажмите кнопку ON светодиода 1, чтобы включить его, наблюдая за URL. После нажатия кнопки ESP8266 получает запрос на URL адрес /led1on. Затем он включает светодиод 1 и отображает веб-страницу с обновленным состоянием светодиодов. Одновременно он выводит состояние вывода GPIO в монитор последовательного порта.

Рисунок 9 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Веб-страница управление светодиодами Рисунок 9 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Веб-страница управление светодиодами Рисунок 10 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Монитор последовательного порта управление светодиодами Рисунок 10 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим точки доступа. Монитор последовательного порта управление светодиодами

Вы можете проверить кнопку светодиода 2 и убедиться, что она работает аналогичным образом.

Теперь давайте подробнее рассмотрим код, чтобы понять, как он работает, и чтобы вы могли изменить его в соответствии с требованиями вашего проекта.

Подробное объяснение кода

Скетч начинается с включения библиотеки ESP8266WiFi.h . Данная библиотека предоставляет специальные методы ESP8266 для работы с Wi-Fi , которые мы вызываем для подключения к сети. После этого подключаем библиотеку ESP8266WebServer.h , в которой доступно несколько методов, которые помогут нам настроить сервер и обрабатывать входящие HTTP запросы, не беспокоясь о низкоуровневых деталях реализации.

Поскольку мы настраиваем ESP8266 NodeMCU в режим точки доступа (AP), он создаст сеть Wi-Fi. Следовательно, нам нужно установить SSID сети, пароль, IP адрес, маску подсети и IP шлюз.

Затем объявляем объект библиотеки ESP8266WebServer , чтобы получить доступ к ее функциям. Конструктор этого объекта в качестве параметра принимает номер порта (который сервер будет прослушивать). Так как 80 это порт по умолчанию для HTTP, мы будем использовать это значение. Теперь вы можете получить доступ к серверу, не указывая порт в URL.

Далее объявляем выводы GPIO платы NodeMCU, к которым подключены светодиоды, и их начальное состояние.

Внутренности функции setup()

Перед запуском настраиваем HTTP сервер. Прежде всего, для отладки открываем последовательное соединение и устанавливаем порты GPIO на выход.

Затем настраиваем программно включенную точку доступа для создания сети Wi-Fi, указав SSID, пароль, IP адрес, маску подсети и адрес шлюза.

Чтобы обрабатывать входящие HTTP запросы, нам нужно указать, какой код выполнять при введении определенного URL. Для этого мы используем метод on() . Этот метод принимает два параметра. Первый это URL путь, а второй имя функции, которую мы хотим выполнить при входе на этот URL.

Например, первая строка приведенного ниже фрагмента кода указывает, что, когда сервер получает HTTP запрос по корневому пути ( / ), он запускает функцию handle_OnConnect() . Обратите внимание, что указанный URL адрес представляет собой относительный путь.

Аналогичным образом нам нужно указать еще 4 URL для обработки двух состояний двух светодиодов.

Мы не указали, что должен делать сервер, если клиент запрашивает какой-либо URL, отличающийся от указанных в server.on() . Он должен выдать ответ с HTTP статусом 404 (Not Found, страница не найдена) и сообщением для пользователя. Помещаем эти действия в отдельную функцию и используем метод server.onNotFound() , чтобы указать серверу, что он должен выполнить, когда получит запрос на URI, который не был задан с помощью server.on() .

Теперь, чтобы запустить сервер, вызываем метод begin() для объекта server .

Внутренности функции loop()

Чтобы обработать реальные входящие HTTP запросы, нам нужно вызвать метод handleClient() объекта server . Также согласно запросу меняем состояние светодиодов.

Далее нам нужно создать функцию, которую мы прикрепили к корневому ( / ) URL с помощью server.on() . Помните? В начале этой функции мы проверяем состояние обоих светодиодов и выводим его на монитор последовательного порта. Чтобы ответить на HTTP запрос, используем метод send() . Хотя этот метод можно вызывать с другим набором аргументов, его самая простая форма состоит из HTTP кода ответа, типа контента и самого контента.

В нашем случае мы отправляем код 200 (один из кодов состояния HTTP), который соответствует ответу OK. Затем мы указываем тип контента как text/html , и, наконец, мы вызываем пользовательскую функцию SendHTML() , которая создает динамическую HTML страницу, содержащую состояние светодиодов.

Аналогичным образом нам нужно создать четыре функции для обработки запросов на включение/выключение светодиодов и страницу ошибки 404.

Отображение веб-страницы HTML

Функция SendHTML() отвечает за создание веб-страницы всякий раз, когда веб-сервер ESP8266 получает запрос от веб-клиента. Она просто объединяет HTML код в большую строку и возвращает ее в функцию server.send() , которую мы обсуждали ранее. Данная функция в качестве параметров для динамического генерирования HTML контента принимает состояние светодиодов.

Первый текст, который вы всегда должны отправлять, — это объявление !DOCTYPE , которое указывает, что мы отправляем HTML код.

Затем meta элемент viewport делает веб-страницу адаптивной в любом веб-браузере. Далее тег title устанавливает заголовок страницы.

Стилизация веб-страницы

Далее идет немного CSS кода для стилизации кнопок и внешнего вида веб-страницы. Мы выбираем шрифт Helvetica, определяем контент, который будет отображаться в виде inline-block и выровнен по центру.

Следующий код устанавливает цвет, шрифт и поля вокруг элементов body , h2 , H3 и p .

Некоторые стили со свойствами, такими как цвет, размер, поля и т.д., также применяются к кнопкам. Для эффекта нажатия у кнопки ON/OFF с помощью селектора :active устанавливается другой цвет фона.

Установка заголовка на веб-странице

Далее устанавливаем заголовок на веб-странице; вы можете изменить этот текст на то, что подходит для вашего приложения.

Отображение кнопок и соответствующего состояния

Для динамического создания кнопок и состояния светодиодов мы используем оператор if . Таким образом, в зависимости от состояния выводов GPIO, отображается кнопка либо ON, либо OFF.

Использование ESP8266 в качестве HTTP сервера в режиме Wi-Fi Station (STA)

Теперь давайте перейдем к следующему примеру, который демонстрирует, как переключить ESP8266 в режим Station (STA) и выдавать веб-страницы для любого клиента, подключенного к существующей сети.

Прежде чем приступить к загрузке скетча, чтобы он у вас заработал, необходимо внести некоторые изменения. Чтобы ESP8266 мог установить соединение с существующей сетью, вам необходимо изменить две следующие переменные с учетными данными вашей сети.

Теперь можно загрузить скетч в ESP8266.

Доступ к веб-серверу в режиме STA

После загрузки скетча откройте монитор последовательного порта со скоростью 115200 бит/с и нажмите кнопку RESET на ESP8266. Если всё в порядке, он выведет динамический IP адрес, полученный от вашего маршрутизатора, и покажет сообщение, что HTTP сервер запущен.

Рисунок 12 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Монитор последовательного порта сервер запущен Рисунок 12 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Монитор последовательного порта сервер запущен

Затем загрузите браузер и введите IP адрес, указанный на мониторе последовательного порта. NodeMCU должен выдать веб-страницу, показывающую текущее состояние светодиодов и две кнопки для управления ими. Если в это время взглянуть на монитор последовательного порта, то можно увидеть состояние выводов GPIO NodeMCU.

Рисунок 13 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Веб-страница Рисунок 13 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Веб-страница Рисунок 14 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Монитор последовательного порта доступ к веб-странице Рисунок 14 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Монитор последовательного порта доступ к веб-странице

Теперь нажмите кнопку ON светодиода 1, чтобы включить его, наблюдая за URL. После нажатия кнопки ESP8266 получает запрос на URL адрес /led1on. Затем он включает светодиод 1 и отображает веб-страницу с обновленным состоянием светодиодов. Одновременно он выводит состояние вывода GPIO в монитор последовательного порта.

Рисунок 15 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Веб-страница управление светодиодами Рисунок 15 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Веб-страница управление светодиодами Рисунок 16 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Монитор последовательного порта управление светодиодами Рисунок 16 Веб-сервер ESP8266 NodeMCU. Режим станции. Монитор последовательного порта управление светодиодами

Вы можете проверить кнопку светодиода 2 и убедиться, что она работает аналогичным образом.

Объяснение кода

Если вы сравните этот код вместе с предыдущим примером, единственное отличие состоит в том, что мы не настраиваем точку доступа, а вместо этого с помощью функции WiFi.begin() подключаемся к существующей сети.

Пока ESP8266 пытается подключиться к сети, мы проверяем состояние подключения с помощью функции WiFi.status() .

Данная функция возвращает следующие статусы:

  • WL_CONNECTED: возвращается при подключении к сети Wi-Fi;
  • WL_NO_SHIELD: возвращается, когда Wi-Fi модуль не подключен;
  • WL_IDLE_STATUS: временное состояние, возвращаемое при вызове WiFi.begin() , и остающееся активным до тех пор, пока не истечет количество попыток подключения (что приводит к WL_CONNECT_FAILED), или пока не будет установлено соединение (что приводит к WL_CONNECTED);
  • WL_NO_SSID_AVAIL: возвращается, когда нет доступных SSID;
  • WL_SCAN_COMPLETED: возвращается, когда сканирование сетей завершено;
  • WL_CONNECT_FAILED: возвращается при неудаче подключения после всех попыток;
  • WL_CONNECTION_LOST: возвращается при потере соединения;
  • WL_DISCONNECTED: возвращается при отключении от сети.

Как только ESP8266 будет подключен к сети, скетч печатает IP адрес, присвоенный для ESP8266, отображая значение WiFi.localIP() в мониторе последовательного порта.

Единственная разница между режимами AP и STA состоит в том, что один создает сеть, а другой подключается к существующей сети. Остальная часть кода для обработки HTTP запросов и выдачи веб-страниц в режиме STA такая же, как и в режиме AP, описанном выше. Это включает в себя:


Источник: radioprog.ru