15.4.4 软件设计与实现
终端设备的软件代码主要在传感器数据采集文件“DHT22.c”“BH1750.c”、ESP8266的AT指令文件“esp8266.c”、MQTT协议报文文件“mqtt.c”和主程序文件“main.c”中。各外设初始化函数、HAL库函数和FreeRTOS代码由STM32CubeMX自动生成MDK的工程文件。程序结构如图15.28所示。应特别注意的是，USART1串口初始化函数中配置接收方式为DMA模式，并开启接收空闲中断，以实现不定长数据接收，其他外设采用常规设置即可。
图15.28 程序结构
1.“main.c”文件代码
“main.c”文件中包括STM32外设初始化、ESP8266初始化，创建3个任务（两个传感器数据采集任务和一个接收数据处理任务）、MQTT的60 s心跳包定时器2中断、串口USART1空闲中断和DMA数据接收程序。
（1）int main（）函数。
通过宏定义Wi-Fi名称和密码，定义连接阿里云的MQTT参数的三元组（在阿里云定义的设备里“设备信息”选项卡下的“MQTT连接参数”中可查到），定义MQTT发布和订阅格式（在阿里云定义的产品下的“Topic类列表”选项卡下的“物模型通信Topic”的属性中，将以“post”和“set”结尾的格式替换“deviceName”）。代码如下。
在主函数中完成对STM32F1系列MCU的外设模块初始化、ESP8266和MQTT初始化、开启串口空闲中断DMA接收、创建3个任务和一个信号量。代码如下。
（2）串口空闲中断回调函数接收不定长数据。
STM32F1系列MCU采用USART的空闲中断DMA接收的方式接收ESP8266的不定长数据。这样既可提高STM32F1系列MCU的利用率，又可准确接收不定长数据。USART的空闲中断是自接收到上个字节完成起（RXNE=1），超过一个字节周期时长没接收到新数据，产生空闲中断（USART的SR第4位IDLE被置1），在串口空闲中断回调函数中处理DMA收到的数据，函数代码如下。
（3）ESP8266初始化程序。
该初始化程序的功能是依次完成ESP8266调试、连接热点、连接阿里云IoT服务器、登录阿里云物联网平台、订阅主题。在初始化过程中，会出现一次连接热点或登录阿里云不成功的现象，可通过软件复位的方式再一次初始化（
NVIC_SystemReset（）；）。函数代码如下。
（4）数据发送与接收任务。
①温湿度采集任务Task_DHT22通过传感器DHT22实现对环境的温度和湿度的采集，然后上传到阿里云物联网平台。任务程序如下。
②光照度采集任务Task_mlux通过光照度传感器BH1750实现对环境光照度的采集，然后上传到阿里云平台。任务程序如下。
传感器数据上传阿里云物联网平台函数，按照阿里云物联网平台的物模型模式上传数据。输入参数Yu_Identifier为阿里云设备功能标识符，SensorData为传感器数据。程序代码如下。
③数据接收及处理任务接收阿里云下发的指令，分别实现对主灯、加湿器和空调开关的开关操作。数据接收是通过串口1空闲中断DMA接收，为了将数据接收和处理同步，采用二值信号量实现。当串口1空闲中断回调函数接收到阿里云下发的指令时，就释放一个信号量；在接收任务中获取一个信号量，以保障同步。任务代码如下。
函数Proces_MQTT_message（）的功能是判断阿里云下发的数据功能，并根据数据的功能执行处理操作。输入参数buf是接收数据内容，len表示数据长度。函数代码如下。
开关状态上传阿里云物联网平台的函数Swi tch_StatusReport（）的程序代码与传感器数据上传函数的代码相同。
2.“esp8266.c”文件代码
“esp8266.c”文件里的函数主要通过STM32的串口发送AT指令，来完成ESP8266模块的调试等操作，测试使用的函数为ESP8266_Init（），连接到热点使用的函数为ESP8266_ConnectWi-Fi（），连接到阿里云服务器使用的函数为ESP8266_ConnectServer（）。
（1）ESP8266模块的调试函数ESP8266_Init（）。
ESP8266模块的调试函数ESP8266_Init（）实现的功能有对ESP8266模块执行复位、调试和关闭回显。输出参数返回0表示调试不成功，返回1表示调试成功。
程序代码如下。
（2）连接热点函数。
ESP8266_ConnectWi-Fi（）函数的功能首先是通过“AT+C WMODE=1”完成对ESP8266作为客户端的配置，然后通过指令“AT+C WJAP”完成对指定热点的连接。
①输入参数：ssid表示热点名，pwd表示热点密码。
②输出参数：返回0表示连接失败，返回1表示连接成功。(https://www.daowen.com)
程序代码如下。
（3）连接阿里云服务器函数。
ESP8266_ConnectServer（）函数的功能包括发送“AT+CIPSTART”指令登录阿里云服务器，并发送“AT+CIPMODE”指令设置透传模式，发送“AT+CIPSEND”指令进入透传发送状态。
①输入参数：mode表示模式（TCP/UDP），ip表示服务器IP地址，port表示接口号。
②输出参数：返回0表示连接失败，返回1表示连接成功。
程序代码如下。
上述代码中的ESP8266_ATSendString（）函数用于通过串口1发送字符串，代码如下。
当发送完AT指令后，ESP8266返回的数据通过字符串比较函数String_check（）完成检测，检测是否有对应指令的响应。程序代码如下。
3.“MQTT.c”文件代码
该文件中主要是MQTT报文相关的函数，MQTT有14种报文，一般应用中主要会用到连接（CONNECT）、订阅（SUBSCRIBE）、取消订阅（UNSUBSCRIBE）、发布（PUBLISH）和心跳（PINGREQ）。
（1）MQTT主要的响应报文。
MQTT主要的响应报文有正确连接响应报文、断开连接响应报文、心跳回复报文、订阅回复报文等，程序代码如下。
（2）连接报文函数。
连接报文格式=固定报头（0x10+剩余长度）+可变报头[协议名（0x000x04'M＂Q＂T＂T'）+协议级别（0x04）+连接标志（0xC2）+保持连接（0x000x64）]+有效载荷（用客户端ID+用户名+密码）。
①输入参数：三元组，ClientID为服务器ID，Username为用户名，Password为密码。
②输出参数：返回1表示成功，返回0表示失败。
该报文函数实现方法如下。
（3）订阅与取消订阅报文函数。
订阅报文格式=固定报头（0x82+剩余长度）+可变报头（0x00 0x01）+有效载荷（阿里云订阅Topic+消息等级）。
取消订阅报文的固定报头的报文类型为0xA2，其他格式和订阅报文一样。
①输入参数：topic表示主题，qos表示消息等级，Sub_UnSub表示订阅/取消订阅请求包（0为取消订阅，1为订阅）。
②输出参数：返回1表示成功，返回0表示失败。
函数代码如下。
（4）发布报文函数。
发布报文的格式=固定长度（0x30+剩余长度）+可变报头（主题名和报文标识符）+有效载荷。
①输入参数：topic表示主题，message表示消息，qos表示消息等级。
②输出参数：返回1表示成功，返回0表示失败。
函数代码如下。
上述代码中的MQTT_SendBuf（）函数是通过串口发送定长数据，函数代码如下。
