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制作一个简单的ESP Mesh网络

手递手报纸 • 2022-8-17 • 技术 • 阅读 49

制作一个简单的ESP Mesh网络,第1张

　　在过去的几年中，物联网 （IoT） 呈指数级增长。国际数据公司 （IDC） 的一项新研究估计，到 2025 年，将有近 420 亿台联网设备，产生超过 80 泽字节 （ZB） 的数据。随着物联网设备数量的增长；数据量的增长，随之而来的是对高级网络仪器的需求；可以支持这个负载。

　　但是，如果我们考虑一个通用主机（如通用路由器），它可以连接到有限数量的节点，准确地说少于 32 个。随着越来越多的物联网设备可能出现在我们的家庭或行业中，这还不够。目前，这个问题有两种解决方案：第一种是使用Mesh 路由器，与通用路由器相比，它可以处理更多的连接，或者我们可以使用称为Mesh Network的网络协议。

　　因此，在本文中，我们将制作一个简单的ESP Mesh 网络设置，它由四个 ESP 设备组成，它们将在Wi-Fi Mesh 网络的帮助下相互通信。最后，我们要将单个 ESP 连接到我们的笔记本电脑，以便从网络上的所有四个传感器获取数据。请注意，我们将在本教程中同时使用 ESP32 和 ESP8266 板，以便您可以 使用相同的方法创建ESP8266 Mesh 网络或ESP32 Mesh 网络。

　　什么是 ESP-MESH 及其工作原理？

　　根据 ESP-MESH 的官方文档，它是一个自组织和自愈网络，意味着网络可以自主构建和维护。

制作一个简单的ESP Mesh网络,pYYBAGLrgFyAV5IdAAkkEbB9a-U032.png,第2张

　　网状网络是网络上的一组连接设备，它们充当单个网络。ESP-Mesh与传统的网格设置完全不同。在 ESP-Mesh 中，节点或单个设备可以同时连接到其邻居。一个节点可以连接到多个节点，它们可以将数据从一个节点中继到另一个节点。这个过程不仅高效，而且是多余的。如果任何一个节点发生故障；来自其他节点的数据可以毫无问题地到达目的地。这也开启了在不需要中央节点的情况下实现互连的可能性，从而显着扩展了网状网络的覆盖范围。有了这些特性，这个网络就不太容易合并，因为网络中的节点总数不受单个中心节点的限制。

　　为了简单起见，我们决定使用四个 ESP 模块；但是如果你正在构建这个网络，你可以使用尽可能多的 ESP 设备。为了构建网状网络，我们将使用 Arduino 的painlessMesh 库，它支持ESP8266和ESP32模块。

　　使用 ESP 构建 Mesh 网络所需的组件

　　该项目所需的组件列表如下。为了构建这个项目，我使用了非常通用的组件，您可以在当地的爱好商店中找到它们。

　　NodeMCU（ESP8266） - 2

　　ESP32 开发板 - 2

　　BMP280 传感器 - 2

　　DHT22 传感器 - 1

　　DS18B20 传感器 - 1

　　面包板

　　USB 数据线（用于电源和数据）

　　ESP Wi-Fi Mesh - 电路图

　　下图用于构建基于 ESP8266 和 ESP32 的 Wi-Fi Mesh 网络的硬件部分。

制作一个简单的ESP Mesh网络,pYYBAGLrgFqAK6cpAAIOasA_xNM407.png,第3张

　　对于这个电路，我们将两个BME280 传感器连接到ESP32 板，我们将 DHT22 传感器连接到其中一个ESP8266 板，并将 DS18B20 传感器连接到另一个 ESP8266 板。我们之前曾在不同的项目中单独使用过所有这些传感器。在这里，我们将在不同的 NodeMCU/ESP32 板上使用它们，然后通过ESP Mesh 网络将它们全部连接起来。硬件设置的图像如下所示。

制作一个简单的ESP Mesh网络,poYBAGLrgFSAArtDAAeU7DFdxXY272.png,第4张

　　为网状网络编程 ESP8266 和 ESP32

　　在本文中，我们将使用 Arduino IDE 对 ESP32 和 ESP8266 板进行编程。在这里，我们将使用Painless Mesh 库来构建我们的网格网络。要安装库，请转到Sketch-》Include Library-》Manage Libraries并搜索painlessMesh。完成后，只需单击安装，该库将安装在 Arduino IDE 中。如下图所示，单击安装后，该库会要求您安装其他依赖项。您需要安装它们才能使库正常工作。

制作一个简单的ESP Mesh网络,pYYBAGLrgE-ASN6yAARrTqR4_j8594.png,第5张

　　正如您在硬件部分已经知道的那样，我们将使用一个 DS18B20 传感器、一个 DHT22 传感器和两个 BME 280 传感器。我们需要安装所有这些，并且可以使用板管理器方法简单地完成。

制作一个简单的ESP Mesh网络,pYYBAGLrgEuANbZMAAFkRENB1yw138.png,第6张

　　您也可以从下面给出的链接下载这些库。一旦我们下载并安装了所有必需的库，我们就可以继续创建我们的代码。

　　注意：您接下来看到的代码解释是所有四个板中使用的代码。我们设计了代码，以便我们可以稍微调整一下，我们可以将它上传到我们的任何 ESP 板上，尽管它是 ESP32 或 ESP8266 板。

　　将代码上传到连接了 BME280 传感器的 ESP32 开发板：

正如您在硬件示意图中看到的，我们已经连接了一个 BME280 传感器。为此，您需要取消注释BME_280传感器的宏并为其指定一个唯一的节点名称。在我们的例子中，我们将Node_1和Node_2用于我们连接 BME280 传感器的两个 ESP32 板

 

#define BME_280
//#定义DHT22
//#定义DS18B20
//#define ENABLE_LOG
字符串节点名 = "NODE_1";

 

将代码上传到连接了 DHT 传感器的 ESP8266 开发板：

在我们的一个 ESP8266 板上，我们有一个 DHT22 传感器，在另一个板上，我们有一个 DS18B20 传感器。要将代码上传到 DHT22 板，我们必须遵循相同的过程。首先，我们取消注释 DHT22 的宏，然后注释掉 BME280 的宏，并将代码上传到我们连接了 DHT 22 传感器的板上。

 

//#define BME_280
#定义DHT22
//#定义DS18B20
//#define ENABLE_LOG
字符串节点名 = "NODE_3";

 

将代码上传到连接了 DS18B20 传感器的 ESP8266 开发板：

该电路板的过程也完全相同。我们取消注释 DS18B20 传感器的宏，并对其他宏进行注释。

 

//#define BME_280
//#定义DHT22
#define DS18B20
//#define ENABLE_LOG
字符串节点名 = "NODE_3";

 

最后，要启用或禁用其他日志语句，您可以取消注释 ENABLE_LOG 宏。现在我们已经了解了代码的工作原理，我们可以进一步解释代码。

我们将通过包含 painlessMesh 库和 Arduino_JSON 库来开始我们的代码。 

 

#include 
#include

 

接下来，我们定义一些宏，我们将使用它们来启用或禁用我们的代码部分。这是必需的，因为并非所有节点都使用相同的传感器类型和。因此，为了包含或排除部分代码，我们可以将四个不同的代码放入一个文件中。

 

//#define BME_280
#定义DHT22
//#定义DS18B20
//#define ENABLE_LOG

 

接下来，我们定义一个String类型的变量nodeName。这将用于唯一标识网络中的节点。除此之外，我们还定义了浮点类型变量来存储温度、湿度和气压数据。

 

字符串节点名 = "NODE_4"; // 名称需要唯一
浮动温度（NAN），嗡嗡声（NAN），压力（NAN）；

 

从这一步开始，我们将使用#ifdef和#endif宏来包含或排除部分代码。代码的第一部分用于 BME280 传感器。如前所述，我们将从#ifdef BME_280语句开始。接下来，我们为 BME280 传感器定义所有必需的库。BME 传感器也使用线库，所以我们也定义了它。接下来，我们制作一个BME280I2C对象bme。接下来，使用范围解析运算符，我们访问类的变量，并使用 endif 语句完成它。

 

#ifdef BME_280
#include 
#include 
BME280I2C bme；
BME280::TempUnit tempUnit(BME280::TempUnit_Celsius);
BME280::PresUnit presUnit(BME280::PresUnit_Pa);
＃万一

 

我们也对 DHT 库做同样的事情。我们从#ifdef DHT22语句开始，然后包含DHT.h库。接下来，我们为 DHT 定义 PIN，并为 DHT22 添加一个原型。此后，我们通过传递上述定义的语句来创建一个对象。我们以#endif语句结束。 

 

#ifdef DHT22
#include "DHT.h"
#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT22
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
＃万一

 

我们也为 DS18B20 传感器做同样的事情。我们从#ifdef DS18B20语句开始。

由于 DS18B20 传感器需要OneWire库，我们将其与DallasTemperature库一起提供。接下来，我们为传感器定义引脚并通过传递引脚变量创建一个 OneWire 对象。接下来，我们通过创建一个新的 DallasTemperature 对象将 OneWire 对象的地址传递给 DallasTemperature 对象。

 

#ifdef DS18B20
#include 
#include <达拉斯温度.h>
常量 int oneWireBus = 4;
单线单线（oneWireBus）；
DallasTemperature ds18b20(&oneWire);
＃万一

 

接下来，我们定义 Wi-Fi 凭据以及端口号。对于网络中的所有节点，此凭据和端口号应保持不变。

 

#define MESH_PREFIX "whateverYouLike"
#define MESH_PASSWORD "somethingSneaky"
#define MESH_PORT 5555

 

接下来，我们制作三个实例。一个用于调度器，另一个用于painlessMesh，最后一个用于 JSON 库JSONVar

 

调度器用户调度器；// 控制你的任务
无痛网眼；
JSONVar myVar;

 

接下来，我们创建了一个任务，它就像一个线程，总是在一段时间后运行并调用一个函数。下面定义的任务将用于向所有节点发送广播消息。该任务立即采用三个参数。第一个定义任务调用函数的频率，接下来，它要求任务的生命周期，最后，它需要一个指向调用函数的指针。

 

任务taskSendMessage(TASK_SECOND * 1, TASK_FOREVER, &sendMessage);

 

接下来，我们有调用函数sendMessage()。此函数调用另一个返回 JSON 字符串的函数。顾名思义，sendMessage 任务用于向所有节点发送消息。

 

无效发送消息（）{
  字符串味精 = construnct_json();
  网格.sendBroadcast（味精）；
  taskSendMessage.seTInterval(随机(TASK_SECOND * 1, TASK_SECOND * 5));
}

 

接下来，我们有我们的receivedCallback()函数。每当有新消息到达时，此函数就会被调用。如果你想对收到的消息做些什么，你需要调整这个函数来完成你的工作。这个函数有两个参数——节点id和作为指针的消息。

 

无效接收回调（uint32_t来自，字符串&msg）{
  Serial.printf("startHere: 接收自 %u msg=%s\n", from, msg.c_str());
}

 

接下来，我们有我们的newConnecTIonCallback( ) 函数。每当有新设备添加到网络时，此函数都会调用，并将打印语句发送到串行监视器。

 

无效新连接回调（uint32_t nodeId）{
  Serial.printf("--> startHere: 新连接, nodeId = %u\n", nodeId);
}

 

接下来，我们有我们的nodeTImeAdjustedCallback()。此回调函数负责无痛网格所需的所有时间必需品。

 

无效节点时间调整回调（int32_t 偏移量）{
  Serial.printf("调整时间 %u.Offset = %d\n", mesh.getNodeTIme(), offset);
}

 

接下来，我们有我们的setup()函数。在设置中，我们初始化串口并打印节点名称。这很有帮助，因为一旦对所有节点进行了编程，我们就可以使用串行监视器轻松识别节点。我们还有记录任何 ERROR | 的网格对象的setDebugMsgTypes()类。启动消息。接下来，我们通过将 SSID、密码和端口号传递给init()函数来初始化网格。请记住，这些函数还需要指向调度程序的指针才能正常工作。

 

序列号.开始（115200）；
Serial.println(nodeName);
网格.setDebugMsgTypes（错误|启动）；// 在 init() 之前设置，以便您可以看到启动消息
mesh.init(MESH_PREFIX, MESH_PASSWORD, &userScheduler, MESH_PORT);

 

现在，我们将初始化我们上面讨论过的所有回调函数。每当需要执行某个任务时，就会调用这些回调函数。

 

网格.onReceive(&receivedCallback);
 网格.onNewConnection(&newConnectionCallback);
 网格.onChangedConnections(&changedConnectionCallback);
 mesh.onNodeTimeAdjusted(&nodeTimeAdjustedCallback);

 

现在我们将任务添加到任务调度程序中，并在 taskSendMessage.enable() 方法的帮助下启用它。当它执行时，不同的任务开始在后台同时运行。

 

userScheduler.addTask(taskSendMessage);
taskSendMessage.enable();

 

接下来，在设置部分，我们拥有所有必要的ifdef和endif宏，它们用于根据要求初始化不同的传感器。首先，我们将配置 BME280 传感器。下面的代码初始化 BME280 传感器并检查传感器的版本，因为 BME280 传感器带有许多不同的版本。

 

#ifdef BME_280
  Wire.begin();
  而（！bme.begin（））
  {
    Serial.println("找不到 BME280 传感器！");
    延迟（1000）；
  }
  // bme.chipID(); // 已弃用。请参阅芯片模型（）。
  开关 (bme.chipModel())
  {
    案例 BME280::ChipModel_BME280:
      Serial.println("找到 BME280 传感器！成功。");
      休息;
    案例 BME280::ChipModel_BMP280:
      Serial.println("找到 BMP280 传感器！没有可用的湿度。");
      休息;
    默认：
      Serial.println("发现未知传感器！错误！");
  }
＃万一

 

最后，我们在ifdef和#endif方法的帮助下配置了 DHT22 和 DS18B20 传感器。这标志着setup()函数的结束。

 

#ifdef DHT22
  Serial.println(F("DHTxx 开始！"));
  dht.begin();
＃万一
#ifdef DS18B20
  ds18b20.begin();
  Serial.println(F("DS18B20 开始！"));
＃万一

 

接下来，我们有我们的循环。在这段代码中，循环 剂量没有做太多，它只是在mesh.update()方法的帮助下更新网格。它负责所有任务。如果此更新方法不存在，这些任务将不起作用。

 

无效循环（）
{
  网格。更新（）；
  // construnct_json();
}

 

接下来，我们有我们的最终功能。此函数构造 JSON 字符串并将其返回给调用函数。在这个函数中，我们首先调用bme.read()方法，然后传递所有使用新值更新的预定义变量。接下来，我们将压力值除以 100，因为我们要将其转换为毫巴。接下来，我们定义 JSON 数组并放置传感器名称、节点名称、温度、压力值，并使用JSON.stringify()函数返回值。最后，我们定义另一个 ifdef 和 endif 宏来启用或禁用日志参数。 

 

字符串 construnct_json()
{
#ifdef BME_280
  bme.read(pres, temp, hum, tempUnit, presUnit);
  压力 = 压力 / 100；
  myVar["传感器类型"] = "BME280";
  myVar["节点名称"] = nodeName;
  myVar["Temperature"] = serialized(String(temp, 2));
  myVar["pres"] = 序列化(String(pres, 2));
#ifdef ENABLE_LOG
  Serial.println(JSON.stringify(myVar));
＃万一
  返回 JSON.stringify(myVar);
＃万一

 

最后，我们对 DHT22 和 DS18B20 传感器代码执行相同的 *** 作。

 

#ifdef DHT22
  temp = dht.readTemperature();
  嗡嗡声 = dht.readHumidity();
  myVar["传感器类型"] = "DHT22";
  myVar["节点名称"] = nodeName;
  myVar["Temperature"] = 序列化(String(temp));
  myVar["湿度"] = 序列化(String(hum));
#ifdef ENABLE_LOG
  Serial.println(JSON.stringify(myVar));
＃万一
  返回 JSON.stringify(myVar);
＃万一
#ifdef DS18B20
  ds18b20.requestTemperatures();
  temp = ds18b20.getTempCByIndex(0);
  myVar["传感器类型"] = "DS18B20";
  myVar["节点名称"] = nodeName;
  myVar["Temperature"] = 序列化(String(temp));
#ifdef ENABLE_LOG
  Serial.println(JSON.stringify(myVar));
＃万一
  返回 JSON.stringify(myVar);
＃万一
}

 

　　现在，随着编码过程的完成；我们注释或取消注释顶部定义的宏；根据我们要上传的板。接下来，我们给每个节点一个唯一的名称，我们只需上传代码。如果一切正常，代码将正确编译和上传，没有任何错误。

　　基于 ESP8266 和 ESP32 的网状网络 - 测试

制作一个简单的ESP Mesh网络,pYYBAGLrgECAIE8gAAYrJwa3QBM050.png,第7张

　　基于 esp8266 和 esp32 的网状网络的测试设置如下所示。如上图所示，我已经为所有 esp 模块连接了电源，您还可以在笔记本电脑的屏幕上看到输出数据。串行监视器窗口的屏幕截图如下所示。

制作一个简单的ESP Mesh网络,poYBAGLrgDuABEGsAAMf24qQ0XY935.png,第8张

　　在上面的窗口中，您可以看到我们正在轻松接收来自所有四个传感器的数据。

#include
#include
//#define BME_280
#定义DHT22
//#定义DS18B20
//#define ENABLE_LOG
字符串节点名 = "NODE_4"; // 名称需要唯一
浮动温度（NAN），嗡嗡声（NAN），压力（NAN）；
//########################## Init_BME280 #################### #####
#ifdef BME_280
#include
#include
BME280I2C bme；
BME280::TempUnit tempUnit(BME280::TempUnit_Celsius);
BME280::PresUnit presUnit(BME280::PresUnit_Pa);
＃万一
//__________________________ _BME280 结束 __________________________
//########################## Init_DHT22 ##################### #####
#ifdef DHT22
#include "DHT.h"
#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT22
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
＃万一
//__________________________ DHT22 结束 __________________________
//######################### Init_Ds18B20 #################### #####
#ifdef DS18B20
#include
#include <达拉斯温度.h>
常量 int oneWireBus = 4;
单线单线（oneWireBus）；
DallasTemperature ds18b20(&oneWire);
＃万一
//__________________________ DHT22 结束 __________________________
#define MESH_PREFIX "whateverYouLike"
#define MESH_PASSWORD "somethingSneaky"
#define MESH_PORT 5555
调度器用户调度器；// 控制你的个人任务
无痛网眼；
JSONVar myVar;
无效发送消息（）{
字符串味精 = construnct_json();
网格.sendBroadcast（味精）；
taskSendMessage.setInterval(随机(TASK_SECOND * 1, TASK_SECOND * 5));
}
任务taskSendMessage(TASK_SECOND * 1, TASK_FOREVER, &sendMessage);
// 无痛库需要
无效接收回调（uint32_t来自，字符串&msg）{
Serial.printf("startHere: 接收自 %u msg=%s\n", from, msg.c_str());
}
无效新连接回调（uint32_t nodeId）{
Serial.printf("--> startHere: 新连接, nodeId = %u\n", nodeId);
}
无效更改连接回调（）{
Serial.printf("改变的连接\n");
}
无效节点时间调整回调（int32_t 偏移量）{
Serial.printf("调整时间 %u.Offset = %d\n", mesh.getNodeTime(), offset);
}
无效设置（）
{
序列号.开始（115200）；
Serial.println(nodeName);
//mesh.setDebugMsgTypes(错误|启动|MESH_STATUS|连接|同步|通信|一般|MSG_TYPES|远程); // 所有类型开启
网格.setDebugMsgTypes（错误|启动）；// 在 init() 之前设置，以便您可以看到启动消息
mesh.init(MESH_PREFIX, MESH_PASSWORD, &userScheduler, MESH_PORT);
网格.onReceive(&receivedCallback);
网格.onNewConnection(&newConnectionCallback);
网格.onChangedConnections(&changedConnectionCallback);
mesh.onNodeTimeAdjusted(&nodeTimeAdjustedCallback);
userScheduler.addTask(taskSendMessage);
taskSendMessage.enable();
#ifdef BME_280
Wire.begin();
而（！bme.begin（））
{
Serial.println("找不到 BME280 传感器！");
延迟（1000）；
}
// bme.chipID(); // 已弃用。请参阅芯片模型（）。
开关 (bme.chipModel())
{
案例 BME280::ChipModel_BME280:
Serial.println("找到 BME280 传感器！成功。");
休息;
案例 BME280::ChipModel_BMP280:
Serial.println("找到 BMP280 传感器！没有可用的湿度。");
休息;
默认：
Serial.println("发现未知传感器！错误！");
}
＃万一
#ifdef DHT22
Serial.println(F("DHTxx 测试！"));
dht.begin();
＃万一
#ifdef DS18B20
ds18b20.begin();
＃万一
}
无效循环（）
{
网格。更新（）；
// construnct_json();
}
字符串 construnct_json()
{
#ifdef BME_280
bme.read(pres, temp, hum, tempUnit, presUnit); // 用新值更新
压力 = 压力 / 100；
myVar["传感器类型"] = "BME280";
myVar["节点名称"] = nodeName;
myVar["Temperature"] = serialized(String(temp, 2)); // 序列化需要转换浮点值
myVar["pres"] = serialized(String(pres, 2));// 序列化需要转换flot值
#ifdef ENABLE_LOG
Serial.println(JSON.stringify(myVar)); //stringify 将数组转换为字符串
＃万一
返回 JSON.stringify(myVar);
＃万一
#ifdef DHT22
temp = dht.readTemperature();
嗡嗡声 = dht.readHumidity();
myVar["传感器类型"] = "DHT22";
myVar["节点名称"] = nodeName;
myVar["Temperature"] = 序列化(String(temp));
myVar["湿度"] = 序列化(String(hum));
#ifdef ENABLE_LOG
Serial.println(JSON.stringify(myVar));
＃万一
返回 JSON.stringify(myVar);
＃万一
#ifdef DS18B20
ds18b20.requestTemperatures();
temp = ds18b20.getTempCByIndex(0);
myVar["传感器类型"] = "DS18B20";
myVar["节点名称"] = nodeName;
myVar["Temperature"] = 序列化(String(temp));
#ifdef ENABLE_LOG
Serial.println(JSON.stringify(myVar));
＃万一
返回 JSON.stringify(myVar);
＃万一
}

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