【ESP32專欄】用ESP32做出WiFi即時PM2.5顯示器

Posted By 尤濬哲 on 10 月 14, 2020 in ESP32, WiFi, 教學文 | 0 comments

作者：尤濬哲

ESP32內建的WiFi模組，因此可以很簡易連上網路，本文將介紹如何上網抓取即時空氣品質PM2.5資料：我們只需要利用WiFi函式庫連上網路，並用HTTPClient模擬一個瀏覽器，就可以上網抓取網頁資料。不過為了讓讀者了解ESP32 WiFi的運作原理，我們會先從WiFiscan這個範例開始講起。

WiFiscan就是掃描網路的意思，就像我們手機開啟WiFi功能時，會先列表附近掃描到的網路名稱及訊號強度，WiFiscan就是這樣的功能，我們掃描到網路之後，再來選擇要使用哪個網路上網。

以下為本文大綱：

WiFiscan網路掃描
HTTPClient抓取PM2.5資訊
JSON資料解析
PM2.5警示器

1. WiFiscan網路掃描

在ESP32中使用無線網路要使用到WiFi.h函式庫內的WiFi物件，另外ESP32啟動WiFi之後，可以選擇四種模式WiFi.mode，列表如下：

製表：尤濬哲

本次將介紹比較常用的WIFI_STA，讓ESP32就像是一台手機，將資料傳到某個資料庫，或者讀取網路的資料。完成設定模式後，就啟動WiFi.scanNetworks()掃描附近的無線網路，除了顯示無線網路的名稱SSID之外，也會顯示訊號強度RSSI，RSSI是負數表示，越接近0代表訊號越強，另外就是有設定密碼的則會標示「*」。

WiFiScan網路掃描是內建的範例程式，我們透過功能表/檔案/範例/WiFi/WiFiScan可以找到。

#include "WiFi.h"
void setup(){
Serial.begin(115200);
WiFi.mode(WIFI_STA);//設定為STA工作站模式
WiFi.disconnect();//斷線（初始化的意思）
delay(100);
Serial.println("Setup done");
}
void loop(){
Serial.println("scan start");
int n = WiFi.scanNetworks();//掃描網路，並將掃描到的網路數量存入n
Serial.println("scan done");
if (n == 0) {
Serial.println("no networks found");
} else {
Serial.print(n);
Serial.println(" networks found");
for (int i = 0; i < n; ++i) {
//顯示無線網路SSID, RSSI, 加密
Serial.print(i + 1);
Serial.print(": ");
Serial.print(WiFi.SSID(i));
Serial.print(" (");
Serial.print(WiFi.RSSI(i));
Serial.print(")");
Serial.println((WiFi.encryptionType(i) == WIFI_AUTH_OPEN)?" ":"*");
delay(10);
}
}
Serial.println("");
//等候五秒後，重新掃描
delay(5000);
}

本範例關鍵語法包括：

WiFi.mode(WIFI_STA);//設定為STA工作站模式；
WiFi.disconnect();//斷線（作用為初始化的意思）
int n = WiFi.scanNetworks();//掃描網路，並將掃描到的網路數量存入n

筆者掃描結果如下圖，一共掃描到附近的3個網路，前方的英文為該無線網路的名稱，一般稱為SSID（Service Set Identifier：服務識別碼），SSID名稱有分大寫小，後續連線時要注意大小寫是否輸入正確。而後方的數字則是訊號強度RSSI（Received Signal Strength Indicator），以負值表示，越接近0代表訊號越好，一般-50以內代表無線訊號非常好，-110以上則代表訊號非常微弱。

本例所得到的列表中，訊號以1:You(-47)最強、Asus(-82)最弱，而2:You2F後面沒有「*」代表該網路沒有連線密碼。

2. HTTPClient抓取PM2.5資訊

我們將使用ESP32的無線網路讀取公開資訊的PM2.5空氣品質為範例，說明如何讓ESP32抓取網路資料。

上一節掃描網路之後，我們就可以選擇要連上哪一個網路，等連上網路後，就可以使用最簡單的HTTPClient物件讀取網頁資料，所謂的HTTPClient是一個網路物件，可以想像他是一個模擬的瀏覽器，可以讀取網頁的資料，在ESP32中讀取網頁除了HTTPClient外，還有WiFiClient及WiFiClientSecure，功能稍有差異，後續我們用到時會再詳述。

以本例而言，我們將連上最強的網路訊號SSID：You，而密碼則是假設已知為ABCD1234，此時連線整個範例的步驟則為：

設定WiFi模式：mode(WIFI_STA)
啟動WiFi連線：begin(ssid, password)
檢查是否連線成功：status() != WL_CONNECTED
如果已經連上網路，則啟動網頁連線：begin(“http://PM2.5網址”)
檢查網頁連線是否正常： httpCode == HTTP_CODE_OK
如果網頁連線正常，則取得網頁內容：String payload = http.getString()
將資料顯示在序列監控視窗上

上述完整流程圖如下：

程式碼範例如下：

下圖為ESP32透過HTTPClient讀取網頁的結果：

除了大部分成功抓取全部的空氣品質資訊回來之外，讀者可以發現其中可能會有多次讀取失敗，而此時回覆的httpcode為-1，推測可能的原因是網路延遲造成。若讀取成功（httpcode=200），則會將該網頁所有內容取回，代表讀取成功，訊息擷取一段如下：

本資料看來都是亂碼，其實是有規則可尋，例如基隆的PM2.5放在上圖紅色標示的位置，而這種格式稱為JSON（JavaScript Object Notation，JavaScript物件表示法），是目前網路最流行的資料交換格式，不過要如何讓ESP32自動找到需要地區的PM2.5的資訊，則必須要透過JSON解析工具。

3. JSON資料解析

JSON格式是一種資料結構，主要為{“欄位1″:”內容1”, “欄位2″:”內容2″….}這樣的方式組成，如以資料庫的觀點來說明，每一個大括弧{ }代表一個紀錄，而內容則依序寫在{ }內部，以分號「:」區隔欄位名稱及內容。舉例來說，以上表取得的資料第一筆「基隆」來說，若要獲得PM2.5的資料，則是尋找”PM2.5”:”19″這個欄位，同理也可以從上表得到桃園市PM2.5為31。

JSON可分成以下兩大種類JSON物件「{ }」與JSON陣列「[ ]」，兩者又可以互相組合，因此結構比資料庫欄位形式較為複雜，先說明兩者的差異。

JSON物件（object）：以大括號{ }起訖

每一個欄位都會先標示欄位名稱，在用「:」標示該欄位內容，不同欄位之間用「,」做分隔。

JSON物件是JSON基本形式：JObject={“欄位1″：”內容1”, “欄位2″:”內容2”}

例如我們要表示同學Jake的數學65分，歷史85分，可以這樣寫：{“name”：” Jake “, “Math”:”65″,”History”:”85″}

而多個JSON物件再組成一個JSON物件，例如我們可以把上面的內容改成下面這樣：

JObject={“name”：” Jake “, “grade”:{“Math”:”65″,”History”:”85″}}

也就是說，同學Jake成績單裡面有數學65分，及歷史85分，其意義是相同的，我們只是把兩個成績欄位塞入一個成績單物件中，在成績單物件中分成兩個欄位是數學與歷史。

此時要拿到Jake的數學成績時，我們用JObject[“grade”][“math”]就可以取得數學成績。

如果我們需要再把Mary的成績一起顯示，則必須再多一個JSON物件，因此我們可以改用下面的JSON陣列來表示。

JSON陣列（array）：以中括號[ ]起訖

此種就是C語言裡的陣列表示法，因此稱為JSON陣列，其格式大致如下：

[{Json物件1}, { Json物件2}, { Json物件3}, { Json物件4}]

一個JSON陣列是多個JSON物件的組合，每個物件之間以「,」區隔，以上一個例子來說，假設班上有兩位學生，則可用這樣的方式來表示：

JArray= [{“name”：” Jake “, “grade”:{“Math”:”65″,”History”:”85″} , {“name”：” Mary “, “grade”:{“Math”:”84″,”History”:”32″}}]

此時要拿到Jake的數學成績時，就用JArray [0][“math”]，若是要Mary的歷史成績則是JArray [1][“History”]，我們可以發現Array與Object取值時Array用的是[數字]，代表第幾個元素，而Object則是用[“欄位”]。

而空氣品質網站提供的內容為中括號[ ]開頭及結尾，因此我們將用會Array的方式進行解析。

了解格式後，我們在Arduino IDE中安裝AduinoJson函式庫以解析資料內容，如下圖：首先點選功能表/草稿碼/匯入函式庫/管理函式庫，在跳出的程式庫管理元中，輸入關鍵字JSON即會出現我們需要的函式庫AduinoJson，請注意要認清作者為Benoit Blanchon的這一個函式庫。

完成安裝後，我們可以將程式上方引用ArdunioJson函式庫，並對取得的網頁內容Payload進行JSON解析，其解析的語法為：

//假設payload是空氣品質JSON陣列
//要一個payload大小x2的JSON暫存
DynamicJsonDocument AQJarray(payload.length()*2);
deserializeJson(AQJarray, payload);//解析payload為JSON Array格式
String KLPM25=AQJarray[0]["PM2.5"];//第0個是基隆的PM2.5
String XHPM25=AQJarray[1]["PM2.5"];//第1個是汐止的PM2.5
Serial.println("基隆PM2.5：" + KLPM25);
Serial.println("汐止PM2.5：" + XHPM25);

結果如下圖：

再介紹幾個JSON語法：

DynamicJsonDocument Json變數(size);

是向系統要一個名為「Json變數」的空間存放JSON，至於空間要多大，比較保險的作法是字串長度x2，本例選擇payload.length()*2。

deserializeJson(Json變數,待解析之JSON字串);

是將「待解析之JSON字串」完成解析後，將結果放在「Json變數」，本例「待解析之JSON字串」就是自網路取得的空氣品質字串payload，完成解析後的Json變數為AQJarray

String KeelungPM25=AQJarray[0][“PM2.5”];

此時需要任何資料，就可以透過Json變數[序號][“欄位名”]取得相關的空氣品質數值。

不過呢，用陣列序號的方式來找PM2.5資訊，前面幾筆還比較好算，如果您的地區剛好中間或尾巴，那不知道要算多久？這時我們可以用For或While迴圈來協助我們比較，例如您的地區是高雄市橋頭，已知橋頭的SiteId站台編號為48，此時我們用For迴圈來找SiteId＝48即可。

讀者也許會問，為何不直接比較站台名SiteName＝橋頭呢？因為網路上中文的比對比較容易出問題，筆者曾經遇到過同樣是”橋頭”卻不等於”橋頭”，看起來一樣，但背後的編碼不同導致的比對問題，因此使用編號的比對是比較正式作法的。

可參考下圖：

進一步來看看程式碼：

for (int i = 0; i < AQJarray.size(); i++) {
if (AQJarray[i]["SiteId"] == "48") {
//橋頭站SiteId為"48"
String QTPM25 = AQJarray[i]["PM2.5"];
Serial.println("橋頭PM2.5：" + QTPM25);
break;//退出for迴圈
}
}

程式碼中：

for (int i = 0 ; i < AQJarray.size() ; i++)

是比對迴圈的初始設定，從第0個開始，比對到最後一個，如何知道最後一個呢？AQJarray.size()代表這列的總數量：

if (AQJarray[i][“SiteId”] == “48”)

比較第i個元素的SiteId是否為橋頭站的編號”48″，如果是的話，就取得該站的PM2.5資訊，顯示在序列監控視窗中。

而最後的break;則是退出For迴圈，因為我們要的橋頭站資訊已經取得，不需要再比對到最後一站。

再來看看結果：

本段完整的程式碼如下：

#include
#include
char ssid[] = "SSID"; //請修改為自己的SSID
char password[] = "password"; //請修改自己的密碼
char url[] = "http://opendata2.epa.gov.tw/AQI.json"; //PM2.5的網址
void setup() {
Serial.begin(115200);
delay(1000);
Serial.print("開始連線到無線網路SSID:");
Serial.println(ssid);
//1.設定WiFi模式
WiFi.mode(WIFI_STA);
//2.啟動WiFi連線
WiFi.begin(ssid, password);
//3.檢查連線狀態
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
Serial.print(".");
delay(1000);
}
Serial.println("連線完成");
}
void loop() {
//4.啟動網頁連線
Serial.print("啟動網頁連線");
HTTPClient http;
http.begin(url);
int httpCode = http.GET();
Serial.print("httpCode=");
Serial.println(httpCode);
//5.檢查網頁連線是否正常
if (httpCode == HTTP_CODE_OK) {
//6.取得網頁內容
String payload = http.getString();
Serial.print("payload=");
//7.將資料顯示在螢幕上
Serial.println(payload);
DynamicJsonDocument AQJarray(payload.length() * 2);
deserializeJson(AQJarray, payload);//解析payload為JSON Array格式
String KLPM25 = AQJarray[0]["PM2.5"]; //第0個是基隆的PM2.5
String XHPM25 = AQJarray[1]["PM2.5"]; //第1個是汐止的PM2.5
Serial.println("基隆PM2.5：" + KLPM25);
Serial.println("汐止PM2.5：" + XHPM25;
for (int i = 0; i < AQJarray.size(); i++) {
if (AQJarray[i]["SiteId"] == "48") {
//橋頭站SiteId為"48"
String QTPM25 = AQJarray[i]["PM2.5"];
Serial.println("橋頭PM2.5：" + QTPM25);
break;//退出for迴圈
}
}
http.end();//關閉網頁連線
delay(10000);
}

4. PM2.5警示器

最後我們利用之前學過得LED燈來顯示現在的空氣品質狀態，假設我們學校規定空氣品質的指標有三級，分別為優良、普通、危害，其數值如下：

優良：PM2.5<=15，顯示綠燈
普通：PM2.5<=30，顯示黃燈
危害：PM2.5>30，顯示紅燈

假設學校規定當空氣品質呈現第三級「危害」時，暫停戶外活動，並顯示紅燈提醒同學，因此我們需要在程式中加入比較。

理論上，我們只需要把QTPM25拿來比較即可，但QTPM25資料型態是字串，無法直接進行數字運算，此時我們要先將QTPM25型別轉換。程式碼如下：

int QTPM25Value= QTPM25.toInt();//將字串轉整數
if(QTPM25Value <15){
//空氣品質程度<15，屬於優良 digitalWrite(15,HIGH);//亮綠燈 digitalWrite(2,LOW); digitalWrite(4,LOW); } if(QTPM25Value >=15 && QTPM25Value <30){ //空氣品質程度15~30之間，屬於普通 digitalWrite(15,LOW); digitalWrite(2,HIGH);//亮黃燈 digitalWrite(4,LOW); } if(QTPM25Value >=30){
//空氣品質程度>30，屬於危害
digitalWrite(15,LOW);
digitalWrite(2,LOW);
digitalWrite(4,HIGH);//亮紅燈
}

接線圖如下：