STM32与HAL库开发实战：深入探索ESP8266的多种工作模式

STM32与HAL库开发实战：深入探索ESP8266的多种工作模式

一、硬件平台简介

STM32F103C8T6‌（BluePill核心板）作为主控芯片，通过 ‌HAL库‌ 直接驱动 ‌ESP8266 WiFi模块‌，实现以下核心功能：

• STA模式‌：连接外部WiFi路由器
• AP模式‌：自建WiFi热点
• TCP客户端/服务器模式‌：实现网络数据传输
• 混合模式‌：STA+AP共存
• 低功耗模式‌：深度睡眠控制

二、硬件连接

在ESP8266中，我们所买到的模块经常的有两种，一种是ESP-01S和ESP-01;这两种有什么区别呢。
外观区别

1. ESP01模块上电和信号传输在天线区域右下角有2个LED灯，红色LED上电的时候闪烁，串口通讯的时候蓝色LED闪烁；ESP01s整个模块上只有一个蓝色LED，上电和串口通讯都是蓝色LED闪烁。如图左边是ESP01s，右边是ESP01(图片来源)
2. ESP01s模块背面有引脚说明，ESP01背面没有。
   

电路区别
ESP01s内部电路相较于ESP01做了优化，

1. LED灯的管脚发生变化，由ESP01的TXD0变成ESP01s的GPIO2引脚；
2. ESP01s模块的IO0、RST、EN引脚上加了上拉电阻，也就是说在连接了3v3引脚后这三个引脚也自动连接上高电平，无需再EN引脚上外接高电平。
   

本文我们使用的模块是ESP-01s,驱动这款WIFI模块只需要四根线。以下是硬件连接。

1. 物理接线

2. 电路注意事项

电平匹配‌：ESP8266为3.3V电平，STM32需使用3.3V供电
电源滤波‌：在VCC与GND间并联100μF+0.1μF电容
抗干扰设计‌：串口线长超过15cm时需加120Ω终端电阻

三、HAL库驱动开发

1. 手动初始化UART

UART_HandleTypeDef esp8266_handle = {0};
void esp8266_uart_init(uint32_t baudrate)
{
    esp8266_handle.Instance = USART2;
    esp8266_handle.Init.BaudRate = baudrate;
    esp8266_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    esp8266_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    esp8266_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    esp8266_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    esp8266_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    HAL_UART_Init(&esp8266_handle);
}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    if (huart->Instance == USART1)                                          /* 如果是串口1，进行串口1 MSP初始化 */
    {
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();                                       /* 使能串口TX脚时钟 */
        __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();                                      /* 使能串口时钟 */

        gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_9;                                  /* 串口发送引脚号 */
        gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;                            /* 复用推挽输出 */
        gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                                /* 上拉 */
        gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;                      /* IO速度设置为高速 */
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);
                
        gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_10;                                 /* 串口RX脚 模式设置 */
        gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;    
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);                            /* 串口RX脚 必须设置成输入模式 */
        
        HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);                                    /* 使能USART1中断通道 */
        HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 3, 3);                            /* 组2，最低优先级:抢占优先级3，子优先级3 */

        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);                          /* 使能UART1接收中断 */
        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_IDLE);                          /* 使能UART1总线空闲中断 */
    }
    else if (huart->Instance == USART2)                                          /* 如果是串口2，进行串口2 MSP初始化 */
    {
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();                                       /* 使能串口TX脚时钟 */
        __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();                                      /* 使能串口时钟 */

        gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_2;                                  /* 串口发送引脚号 */
        gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;                            /* 复用推挽输出 */
        gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                                /* 上拉 */
        gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;                      /* IO速度设置为高速 */
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);
                
        gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_3;                                 /* 串口RX脚 模式设置 */
        gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;    
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);                            /* 串口RX脚 必须设置成输入模式 */
        
        HAL_NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);                                    /* 使能USART2中断通道 */
        HAL_NVIC_SetPriority(USART2_IRQn, 3, 3);                            /* 组2，最低优先级:抢占优先级3，子优先级3 */

        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);                          /* 使能UART2接收中断 */
        //__HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_IDLE);                          /* 使能UART2总线空闲中断 */
    }
}

2. AT指令处理框架

#define ESP8266_RX_BUF_SIZE         128
#define ESP8266_TX_BUF_SIZE         64

#define ESP8266_EOK                 0
#define ESP8266_ERROR               1
#define ESP8266_ETIMEOUT            2
#define ESP8266_EINVAL              3

#define ESP8266_STA_MODE            1
#define ESP8266_AP_MODE             2
#define ESP8266_STA_AP_MODE         3

#define ESP8266_SINGLE_CONNECTION   0
#define ESP8266_MULTI_CONNECTION    1

#define WIFI_SSID                   "kkk"
#define WIFI_PWD                    "88888888"

uint8_t esp8266_wait_receive(void)
{
    if(esp8266_cnt == 0)
        return ESP8266_ERROR;
    
    if(esp8266_cnt == esp8266_cntPre)
    {
        esp8266_cnt = 0;
        return ESP8266_EOK;
    }
    
    esp8266_cntPre = esp8266_cnt;
    return ESP8266_ERROR;
}

void esp8266_rx_clear(void)
{
    memset(esp8266_rx_buf, 0, sizeof(esp8266_rx_buf));
    esp8266_cnt = 0;
}

void esp8266_receive_data(void)
{
    if(esp8266_wait_receive() == ESP8266_EOK)
    {
        printf("esp8266 recv: %s\r\n", esp8266_rx_buf);
        esp8266_rx_clear();
    }
}

uint8_t esp8266_send_command(char *cmd, char *res)
{
    uint8_t time_out = 250;
    esp8266_rx_clear();
    HAL_UART_Transmit(&esp8266_handle, (uint8_t *)cmd, strlen(cmd), 100);
    
    while(time_out--)
    {
        if(esp8266_wait_receive() == ESP8266_EOK)
        {
            if(strstr((const char*)esp8266_rx_buf, res) != NULL)
                return ESP8266_EOK;
        }
        delay_ms(10);
    }
    
    return ESP8266_ERROR;
}

uint8_t esp8266_at_test(void)
{
    return esp8266_send_command("AT\r\n", "OK");
}

uint8_t esp8266_set_mode(uint8_t mode)
{
    switch(mode)
    {
        case ESP8266_STA_MODE:
            return esp8266_send_command("AT+CWMODE=1\r\n", "OK");
        
        case ESP8266_AP_MODE:
            return esp8266_send_command("AT+CWMODE=2\r\n", "OK");
        
        case ESP8266_STA_AP_MODE:
            return esp8266_send_command("AT+CWMODE=3\r\n", "OK");
        
        default:
            return ESP8266_EINVAL;
    }
}

四、核心工作模式实现

1. ‌STA模式‌（连接路由器）

uint8_t esp8266_join_ap(char *ssid, char *pwd)
{
    char cmd[64];
    sprintf(cmd, "AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"\r\n", ssid, pwd);
    return esp8266_send_command(cmd, "WIFI GOT IP");
}

uint8_t esp8266_connection_mode(uint8_t mode)
{
    char cmd[64];
    sprintf(cmd, "AT+CIPMUX=%d\r\n", mode);
    return esp8266_send_command(cmd, "OK");
}

void esp8266_init(uint32_t baudrate)
{
    printf("esp8266初始化开始...\r\n");
    esp8266_uart_init(baudrate);
    
    //esp8266的其它初始化
    printf("1. 测试esp8266是否存在...\r\n");
    while(esp8266_at_test())
        delay_ms(500);
    
    printf("2. 设置工作模式为STA...\r\n");
    while(esp8266_set_mode(ESP8266_STA_MODE))
        delay_ms(500);
    
    printf("3. 设置单路链接模式...\r\n");
    while(esp8266_connection_mode(ESP8266_SINGLE_CONNECTION))
        delay_ms(500);
    
    printf("4. 连接wifi，SSID: %s, PWD: %s\r\n", WIFI_SSID, WIFI_PWD);
    while(esp8266_join_ap(WIFI_SSID, WIFI_PWD))
        delay_ms(1500);
    
    printf("ESP8266初始化完成！\r\n");
}

2. ‌AP模式‌（自建热点）

uint8_t esp8266_build_tcp_server(void)
{
    return esp8266_send_command("AT+CIPSERVER=1\r\n", "OK");
}

void esp8266_init(uint32_t baudrate)
{
    printf("esp8266初始化开始...\r\n");
    esp8266_uart_init(baudrate);
    
    //esp8266的其它初始化
    printf("1. 测试esp8266是否存在...\r\n");
    while(esp8266_at_test())
        delay_ms(500);
    
    printf("2. 设置工作模式为AP...\r\n");
    while(esp8266_set_mode(ESP8266_AP_MODE))
        delay_ms(500);
    
    printf("3. 设置多路链接模式...\r\n");
    while(esp8266_connection_mode(ESP8266_MULTI_CONNECTION))
        delay_ms(500);
    
    printf("4. 建立TCP服务器...\r\n");
    while(esp8266_build_tcp_server())
        delay_ms(500);
    
    printf("ESP8266初始化完成！\r\n");
}

3. ‌TCP客户端模式‌

uint8_t esp8266_enter_unvarnished(void)
{
    uint8_t ret;
    ret = esp8266_send_command("AT+CIPMODE=1\r\n", "OK");
    ret += esp8266_send_command("AT+CIPSEND\r\n", ">");
    if (ret == ESP8266_EOK)
        return ESP8266_EOK;
    else
        return ESP8266_ERROR;
}


void esp8266_init(uint32_t baudrate)
{
    printf("esp8266初始化开始...\r\n");
    esp8266_uart_init(baudrate);
    
    //esp8266的其它初始化
    printf("1. 测试esp8266是否存在...\r\n");
    while(esp8266_at_test())
        delay_ms(500);
    
    printf("2. 设置工作模式为STA...\r\n");
    while(esp8266_set_mode(ESP8266_STA_MODE))
        delay_ms(500);
    
    printf("3. 设置单路链接模式...\r\n");
    while(esp8266_connection_mode(ESP8266_SINGLE_CONNECTION))
        delay_ms(500);
    
    printf("4. 连接wifi，SSID: %s, PWD: %s\r\n", WIFI_SSID, WIFI_PWD);
    while(esp8266_join_ap(WIFI_SSID, WIFI_PWD))
        delay_ms(1500);
    
    printf("5. 连接TCP服务器，server_ip:%s, server_port:%s\r\n", TCP_SERVER_IP, TCP_SERVER_PORT);
    while(esp8266_connect_tcp_server(TCP_SERVER_IP, TCP_SERVER_PORT))
        delay_ms(500);
    
    printf("6. 进入到透传模式...\r\n");
    while(esp8266_enter_unvarnished())
        delay_ms(500);
    
    printf("ESP8266已连接上TCP服务器并进入透传模式\r\n");
    printf("ESP8266初始化完成！\r\n");
}

4. ‌混合模式（STA+AP）‌

void ESP8266_Hybrid_Mode(void) {
    // 设置混合模式
    esp8266_send_command("AT+CWMODE=3\r\n", "OK");
    
    // 同时连接路由器和开启AP
    esp8266_send_command("AT+CWJAP=\"router_ssid\",\"router_pwd\"\r\n", "OK");
    esp8266_send_command("AT+CWSAP=\"Hybrid_AP\",\"87654321\",6,4\r\n", "OK");
}

五、高级功能实现

这种模式需要连接EN引脚，和RST引脚

1. ‌低功耗控制‌

// 进入Modem-Sleep模式
void ESP8266_Enter_LightSleep(void) {
    esp8266_send_command("AT+SLEEP=1\r\n", "OK");
}

// 唤醒模块
void ESP8266_WakeUp(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(EN_GPIO_Port, EN_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(100);
}

2. ‌数据透传模式‌

uint8_t esp8266_enter_unvarnished(void)
{
    uint8_t ret;
    ret = esp8266_send_command("AT+CIPMODE=1\r\n", "OK");
    ret += esp8266_send_command("AT+CIPSEND\r\n", ">");
    if (ret == ESP8266_EOK)
        return ESP8266_EOK;
    else
        return ESP8266_ERROR;
}

六、调试技巧与常见问题

1. ‌AT指令调试方法‌

指令格式化‌：每条指令必须以 \r\n 结尾
响应超时‌：根据网络状况调整超时时间（建议500ms~5000ms）
错误码解析‌：

• ERROR：指令格式错误
• FAIL：网络连接失败
• SEND OK：数据发送成功

2. ‌常见问题解决‌

七、性能优化建议

环形缓冲区‌：使用circular buffer管理接收数据
DMA传输‌：对大数据量传输启用UART DMA模式
指令压缩‌：合并多条AT指令（如AT+CWJAP_CUR=“ssid”,“pwd”;+CIPMUX=1）
状态机设计‌：用有限状态机（FSM）管理模块工作流程

八、完整工程示例

void esp8266_init(uint32_t baudrate)
{
    printf("esp8266初始化开始...\r\n");
    esp8266_uart_init(baudrate);
    
    //esp8266的其它初始化
	// 退出透传
	 printf("退出透传\r\n");
	 esp8266_send_command("+++", "ready");
	 delay_ms(500);
	 printf("0. 重启esp8266...\r\n");
	 printf("status = %d\r\n",esp8266_send_command("AT+RST\r\n", "ready"));
	 delay_ms(500);
    printf("1. 测试esp8266是否存在...\r\n");
    while(esp8266_at_test())
        delay_ms(500);
    
    printf("2. 设置工作模式为STA...\r\n");
    while(esp8266_set_mode(ESP8266_STA_MODE))
        delay_ms(500);
    
    printf("3. 设置单路链接模式...\r\n");
    while(esp8266_connection_mode(ESP8266_SINGLE_CONNECTION))
        delay_ms(500);
    
    printf("4. 连接wifi，SSID: %s, PWD: %s\r\n", WIFI_SSID, WIFI_PWD);
    while(esp8266_join_ap(WIFI_SSID, WIFI_PWD))
        delay_ms(1500);
	 oled_fill(0x00); // 清空
    oled_show_string(0,0,WIFI_SSID,16);
    printf("5. 连接TCP服务器，server_ip:%s, server_port:%s\r\n", TCP_SERVER_IP, TCP_SERVER_PORT);
    while(esp8266_connect_tcp_server(TCP_SERVER_IP, TCP_SERVER_PORT))
        delay_ms(500);
	 oled_show_string(0,2,"suscess",16);
	 oled_show_string(0,4,TCP_SERVER_IP,16);
    
    printf("6. 进入到透传模式...\r\n");
    while(esp8266_enter_unvarnished())
        delay_ms(500);
    
    printf("ESP8266已连接上TCP服务器并进入透传模式\r\n");
    printf("ESP8266初始化完成！\r\n");
}

// main.c
int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
    uart1_init(115200);
	printf("hello world!\r\n");
	adc_dma_init((uint32_t  *)&adc_result);
	esp8266_init(115200);// 初始化esp8266,连接socket
	while(1)
	{
// 	do something
	}
}

九、总结

通过HAL库直接操作STM32F103C8T6的UART外设，结合ESP8266的AT指令集，开发者可以灵活实现WiFi模块的多种工作模式。本方案避免了CubeMX的依赖，强调底层寄存器操作与协议解析能力，为物联网终端设备开发提供了高可靠性的通信基础。