物联网（五）—搭建自己的云平台[ESP8266+Django]

物联网（一）---快速上手[STM32+OneNET+ESP8266]
物联网（二）---原理分析[STM32+OneNET+ESP8266]
物联网（三）---WEB下发命令控制单片机[STM32+OneNET+ESP8266]
物联网（四）---搭建自己的TCP服务器[ESP8266]
物联网（五）---搭建自己的云平台[ESP8266+Django]

下面的这些文章写的都比我好很多，但：
希望你在点击完下面的连接后，最终能回归文章，继续搭建自己的物联网平台。

本节所用到的程序源码下载地址：https://github.com/keep1234quiet/IOT

使用到的工具：

• Redis 数据库
• Channels-redis
• 将ESP8266变成Arduino的官方库

这篇文章来之不易，总共花费了我整整6天的时间，其中5天摸索，1天写文章，还望好好阅读。

其中未使用STM32+ESP8266的方式是因为我不知道该如何回应服务器端Ping ESP8266的Pong，这里应该是要自己手动去实现WebSocket的Ping、Pong的，然后再发送给ESP8266的串口，后期需要的话再看下能自己实现不。

socket断开的原因分析

在摸索过程中只发现了ESP8266 的Arduino 库实现了Ping 、Pong，故采用之。

本文总共对以下几个部分进行讲解：

• 如何将使用Arduino 来开发 ESP8266；
• 使用python的 WEB 框架 Django 来开发自己的云平台。

一、将使用Arduino 来开发 ESP8266

1.1 ESP8266硬件连接

这里我是用的是ESP-12S，算是ESP8266的升级版本，还有一个名字叫做NodeMCU，当然，使用普通的ESP8266也是一样的，ESP8266的版本将不会对本节实验产生影响，任选一款即可。

ESP-12引脚定义

推荐接线方式

对于上图的接线方式，左上角的复位开关建议加上，右下角的轻触开关建议换成拨动开关。

我的实物图

1.2 将使用开发Arduino的方式去开发ESP8266

这里有两篇文章进行了介绍，可以参考他的方式去给Arduino添加ESP8266的包管理器。

• [如何安装ESP8266的Arduino开发环境]
• [arduino-esp8266.readthedocs.io->Boards Manager]

这里本来没什么难度，但要注意的是：

• 插入链接https://arduino-esp8266.readthedocs.io/en/latest/installing.html#boards-manager至Arduino IDE后，要重启Arduino IDE才行；
• 下载包的时候网络问题，由于总所周知的原因这里不展开介绍；
• 程序下载的时候需要选好参数，否则会下载不成功，这里每一款模块都是不一样的，我的是ESP-12S的，仅供参考。

ESP8266 Arduino core 程序下载参数配置

当上面的工作完成后，应该就能够用Arduino IDE给ESP8266下载程序了，这里自己下载程序验证一下，推荐使用串口程序验证，看看是否生效。

二、云平台开发

2.1 为什么需要用WEB框架来进行开发

你可能会问，为什么需要用WEB框架来进行开发，如果是小型项目，确实可以不用，但是当你要做一个大项目，比如[OneNET云平台]、[机智云]、[贝壳物联] 这样的稍大型平台，甚至要做体量更大的平台，没有一个好的WEB框架，想要完成开发是十分困难的。

2.2 继续阅读下去需要什么基础

如果看完了前面的预读文章，这里应该对Django的一些概念有一定的了解了，比如路由urls、模型models、视图views这些概念都应该要知道了。当然，对其他类型框架了解的同学也可以使用其他类型的框架来代替Django。

2.3 怎么搭建云平台

本文使用的云平台是由Django-channels的聊天室例程改编而来的。原文在此：
[如何搭建一个简单的网页聊天室]

文章是原作者写的，教程也写的非常详细，每一步都有详细说明。

整个过程可能需要安装各种pythont的库，这个Terminal会给出详细的说明，可以自己根据错误提示去安装需要的库，如果要我提供的程序里已经将需要用到的库写在了requirements.txt文件中了，直接使用pip3命令安装即可；这里注意一下asgiref这个库，需要升级到最新版本才行，否则会因使用了新版本里的模块而导致无法从旧版本导入而报错。

唯独Part 2里的Enable a channel layer 这里使用Redis数据库建立了一个通信管道，只告诉了要安装channels_redis库，并没有说明如何安装Redis数据库，这里在前面的使用到的工具里提供了安装方法【Redis 数据库安装方法：[Redis安装]】，里面有详细的安装教程，也对Redis数据库进行了相应的介绍与讲解。

需要注意的是，Redis数据库安装完成后，若要服务器中要使用到管道通信，则必须保持Redis数据库在后台运行，否则将无法完成多对多的通信。

下面的教程只需要完成前三个就好了，第四个自动化测试可以不用。

实现一个聊天室的例子

如果完成了上面channels教程里如何搭建一个聊天服务器，应该能实现聊天功能了。

2.4 启动服务，开始测试

首先使用redis-server命令启动数据库服务：

redis-server

然后再使用python3 manage.py runserver 0.0.0.0:8000命令开启服务器，可使局域网内都能访问网站。

python3 manage.py runserver 0.0.0.0:8000

完成上面的Tutorial之后应该是下面这种效果的，可以完成同通信功能。
1.先启动redis数据库：redis-server
2.启动django自带的服务器：python3 manage.py runserver 0.0.0.0:8000
3.查看自己的ip ：ipconfig
4.访问自己的聊天室：http://ip:8000/chat/ChatRoom/
5.发送消息，服务器对消息进行广播，各个客户端都会收到消息

聊天室功能开启与展示.gif

2.5 适当修改ESP8266的WebSocketClient程序和服务端的程序

当前面的工作做完之后，接下来的工作就简单了，只要给ESP8266烧入好程序即可。ESP8266自带的例程里面有一个WebSocketClient.ino的例程，只要对这个例程稍加修改即可，下面是我修改好的ESP8266的程序。

注：其中主要是要注意ESP8266发送数据的格式，由于服务端聊天室只对JSON的数据进行了解析，所以ESP8266的发送的数据必须以 JSON的格式发送，否则会造成服务端崩溃。即应以这种形式发送才能在网页上正常显示出来：
webSocket.sendTXT("{/"message/":/"heartbeat/"}");

ESP8266的程序较为简短，我就直接贴了，程序阅读没有什么难点，应该不会看不懂，如果有缺少的库就自己去装一下就好了。

/*
 * WebSocketClient.ino
 *
 *  Created on: 24.05.2015
 *
 */

#include 

#include 
#include 

#include 

#include 

ESP8266WiFiMulti WiFiMulti;
WebSocketsClient webSocket;

#define USE_SERIAL Serial

bool isConnected = false;


void webSocketEvent(WStype_t type, uint8_t * payload, size_t length) {

    switch(type) {
        case WStype_DISCONNECTED:
            USE_SERIAL.printf("[WSc] Disconnected!/n");
            isConnected = false;
            break;
        case WStype_CONNECTED: {
            USE_SERIAL.printf("[WSc] Connected to url: %s/n", payload);
            isConnected = true;

            // send message to server when Connected
//          webSocket.sendTXT("Connected");//发送Conneted 导致服务器抛出 Expecting value: line 1 column 1 (char 0) 异常而断开连接。//先注释掉试试
//原因是服务端只对JSON数据进行解析，"Connected"是字符串而不是JSON数据。
            }
            break;
        case WStype_TEXT:
             USE_SERIAL.printf("[WSc] get text: %s/n", payload);
         // send message to server
       //webSocket.sendTXT(rcvMsg);
             break;
        case WStype_BIN:
            USE_SERIAL.printf("[WSc] get binary length: %u/n", length);
            hexdump(payload, length);

            // send data to server
            // webSocket.sendBIN(payload, length);
            break;
    }

}

void setup() {
    // USE_SERIAL.begin(921600);
    USE_SERIAL.begin(115200);

    //Serial.setDebugOutput(true);
    USE_SERIAL.setDebugOutput(true);

    USE_SERIAL.println();
    USE_SERIAL.println();
    USE_SERIAL.println();

    for(uint8_t t = 4; t > 0; t--) {
        USE_SERIAL.printf("[SETUP] BOOT WAIT %d.../n", t);
        USE_SERIAL.flush();
        delay(1000);
    }

    WiFiMulti.addAP("YOUR-WIFIF-NAME", "YOUR-PASSWORD");

    //WiFi.disconnect();
    while(WiFiMulti.run() != WL_CONNECTED) {
        delay(100);
    }

    // server address, port and URL
    webSocket.begin("192.168.43.102", 8000, "/ws/chat/M/");

    // event handler
    webSocket.onEvent(webSocketEvent);

    // use HTTP Basic Authorization this is optional remove if not needed
////webSocket.setAuthorization("user", "Password");

    // try ever 5000 again if connection has failed
    webSocket.setReconnectInterval(5000);
  
  // start heartbeat (optional)
  // ping server every 15000 ms
  // expect pong from server within 3000 ms
  // consider connection disconnected if pong is not received 2 times
  webSocket.enableHeartbeat(15000, 3000, 2); 
  //这个时间很准，可以从wireshark里面查看，ESP8266每15秒钟Ping一次服务器，期间会收到服务器的Ping,ESP8266也会Pong回去

}

int count = 0;
String inputString = "";
boolean stringComplete = false;
char sendStr[100];

void loop() {
  webSocket.loop();
  serialEvent();  //发现ESP8266没有serialEvent()事件，故在此对该函数进行调用
  count++;
  if(count == 60*100){
      count = 0;
      if(isConnected){                     //这里并不是心跳，心跳需要抓包才能看到
          webSocket.sendTXT("{/"message/":/"heartbeat/"}"); 
      }
  }
  if (stringComplete) {
    String s1 = "{/"message/":/"";
    String s2 = "/"}";
    webSocket.sendTXT(s1+inputString+s2);
    // clear the string:
    inputString = "";
    stringComplete = false;
    memset(sendStr,0,100);
  }
  delay(10);
}


void serialEvent() {
  while (Serial.available() && !stringComplete) {
    // get the new byte:
    char inChar = (char)Serial.read();
    
    // if the incoming character is a newline, set a flag
    // so the main loop can do something about it:
    if (inChar == '/n') {
      stringComplete = true;
      return;
    }

    // add it to the inputString:
    inputString += inChar;
  }
}

将上面的程序下载至ESP8266中，从烧录模式切换为正常运行模式，复位或重新上电。若服务器没有关闭，会从服务器的Debug窗口看到有新的客户端连接上了。

当连接成功之后，就可以让ESP8266和服务器的其他客户端加入同一个聊天室进行聊天了，这里必须是同一个聊天室，不然无法收到信息，聊天室是由/chat/后的字符决定的。

这里我对Web 端的服务器的consumer.py 文件中的ChatConsumer类里的receive稍加修改，以避免服务器收到非JSON消息而崩溃，修改如下：

    # Receive message from WebSocket
    def receive(self, text_data):
        print('====' * 10)
        print('rawMsg:'+text_data)
        print('====' * 10)

        try:
            text_data_json = json.loads(text_data)
            message = text_data_json['message']
        except:
            message = text_data
            pass

        # Send message to room group
        async_to_sync(self.channel_layer.group_send)(
            self.room_group_name,
            {
                'type': 'chat_message',
                'message': message
            }
        )

2.6 让ESP8266作为客户端，发送或接收信息

电脑开启热点，让手机和服务器处于同一局域网内，如果没问题的话应该能看到如下现象：

1. 通过串口助手向ESP8266发送数据，以/n结尾，不要以/r/n结尾，程序里没作相应的处理；
2. ESP8266 将从串口接收到的数据进行解析，封装成JSON格式的数据，在通过调用函数webSocket.sendTXT(your JSON message)将数据发送至服务器；
3. 服务器收到ESP8266发来的JSON格式数据后，对其进行解析，并广播出去，其中也包括客户端ESP8266。
4. 从网页端发送数据，服务器收到后，也同样会广播出去，ESP8266作为客户端也会收到被广播出来的数据，这样就完成了一次数据收发的过程了。

ESP8266与服务端通信过程.gif

到这里就完成开发了一个自己的云平台了，虽让功能比较简陋，但是整个流程已经走通了。相比于上一节所讲的，这一节似乎并没有太多的变化，但不同的是，我们这一节引入了WEB框架 Django，有了WEB框架，我们开发大型项目就方便快速多了，也非常有利于项目管理。

2.7 整体框架梳理

整个通信过程的整体框架

总结：本文内容篇幅不算长，但是大量引用了相关链接，对别人已经做得比较好的部分没有进行重复讲解，而是给出链接，希望读者能前去学习完毕后再来继续学习节教程，其中给出了Django、channels、WebSocket、ESP8266 Arduino core等均给出原作者原文链接及官网，也都是很好的教程，非常详细。

本文只是走通了【搭建自己的云平台并使用ESP8266成功连接云平台】这条道路，仍然有诸多问题尚未解决，比如：

1. 服务端不应该给所有的客户端进行消息广播，而应该是有选择性的；
2. 这里是用了ESP8266 Arduino core的库，利用的是其内置的WebSocket 协议实现，如果加上单片机呢，换一种连接方式又该怎么实现呢？
3. 这里的所有消息都是明文传输，未进行加解密，是十分不安全的；
4. 浏览器端这么丑，是不是应该美化一下呢，功能是不是应该继续丰富呢？
5. ...

虽然已经做了蛮多的，但是接下来要做的一点也比现在已经做的事要少，后续就留给读者自己去探寻吧，我此后我会间断的更新此系列的文章，以尽量使整个过程完整而详尽。

本系列的物联网文章就暂时告一段落了吧。