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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
- 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)
- 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，
- LED灯的管脚发生变化，由ESP01的TXD0变成ESP01s的GPIO2引脚；
- 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
| STM32引脚 | ESP8266引脚 | 功能说明 |
|---|---|---|
| PA2 | RX | STM32的UART2_TX |
| PA3 | TX | STM32的UART2_RX |
| 3.3V | VCC | 电源输入 |
| GND | GND | 共地 |
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;elsereturn 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APesp8266_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
| STM32引脚 | ESP8266引脚 | 功能说明 |
|---|---|---|
| PA0 | EN | 模块使能（高电平有效） |
| PA1 | RST | 硬件复位 |
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;elsereturn 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
| 问题现象 | 排查方向 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 模块无响应 | 电源/接线/波特率 | 检查3.3V供电是否稳定 |
| AT指令返回乱码 | 波特率不匹配 | 尝试115200或9600波特率 |
| 无法连接WiFi | SSID/密码错误/信号强度 | 使用AT+CWLAP扫描周围热点 |
| TCP连接频繁断开 | 路由器NAT超时设置 | 发送心跳包保持连接 |
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socketwhile(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。