alex9ufo 聰明人求知心切: ESP32 雙核心 RFID 讀取與 MQTT 發佈

ESP32 雙核心 RFID 讀取與 MQTT 發佈

這個程式將實現：

Core 0 (PRO_CPU)：專門負責 MQTT 連線管理和數據發佈。
Core 1 (APP_CPU)：專門負責 MFRC522 RFID 卡片讀取。

1. 硬體連接

與單核心版本相同：

MFRC522 Pin	ESP32 Pin (通常)	說明
SDA (SS/CS)	GPIO21	SPI Slave Select (片選) 腳位 (在程式碼中定義為 `SS_PIN`)
SCK	GPIO18	SPI Clock (時鐘) 腳位
MOSI	GPIO23	SPI Master Out Slave In (主出從入) 腳位
MISO	GPIO19	SPI Master In Slave Out (主入從出) 腳位
RST (Reset)	GPIO22	重置腳位 (在程式碼中定義為 `RST_PIN`)
GND	GND	地線
VCC	3.3V	電源 (MFRC522 通常需要 3.3V 電源)

請再次確認：您的 ESP32 開發板的 GPIO 腳位定義。MFRC522 VCC 務必連接到 3.3V。

2. 軟體設定 (Arduino IDE)

確保您已經安裝了以下函式庫：

ESP32 Board 支援
MFRC522 函式庫 (MFRC522 by Udo Klein 或其他相容版本)
PubSubClient 函式庫 (PubSubClient by Nick O'Leary)

3. 程式碼

Arduino
#include <SPI.h>              // MFRC522 依賴的 SPI 函式庫
#include <MFRC522.h>          // MFRC522 RFID 讀卡器函式庫
#include <WiFi.h>             // ESP32 Wi-Fi 函式庫
#include <PubSubClient.h>     // MQTT 客戶端函式庫
#include <Arduino.h>          // 確保 FreeRTOS 相關函數可用

/********************************** 常數定義 **********************************/

// Wi-Fi 網路設定
const char* ssid = "YOUR_WIFI_SSID";     // 替換成您的 Wi-Fi 名稱
const char* password = "YOUR_WIFI_PASSWORD"; // 替換成您的 Wi-Fi 密碼

// MFRC522 模組設定 (SPI 連接)
#define RST_PIN    22         // MFRC522 重置腳位 (RST/Reset)
#define SS_PIN     21         // MFRC522 選擇腳位 (SDA/SS/CS)

// MQTT Broker 設定
const char* mqtt_server = "mqttgo.io";    // MQTT Broker 位址
const int mqtt_port = 1883;               // MQTT 端口
const char* mqtt_client_id = "ESP32_RFID_DualCore_Client"; // MQTT 客戶端 ID
const char* mqtt_topic = "alex9ufo/rfidUID"; // MQTT 發佈主題

// 任務堆疊大小 (根據任務複雜度調整)
#define TASK_STACK_SIZE 4096

// 發佈頻率控制 (避免重複發送相同的 UID)
const long publishInterval = 2000; // 2000 毫秒 = 2 秒

/********************************** 全域變數與物件 **********************************/

// MFRC522 讀卡器物件
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);

// WiFiClient 物件
WiFiClient espClient;

// PubSubClient 物件
PubSubClient mqttClient(espClient); // 注意這裡改名為 mqttClient 以區別

// 任務句柄
TaskHandle_t TaskRFIDRead = NULL;
TaskHandle_t TaskMQTTPublish = NULL;

// 使用 FreeRTOS 的 Queue 來在兩個任務之間傳遞 UID
// 佇列可儲存一個 String 物件，長度為 1
QueueHandle_t rfidUIDQueue;

// 保護共享資源 (lastUID 和 lastPublishTime) 的互斥鎖
SemaphoreHandle_t xSemaphore;
String lastUID = "";
unsigned long lastPublishTime = 0;

/********************************** 輔助函數 **********************************/

// 連接到 Wi-Fi 網路的函數
void setup_wifi() {
  delay(10);
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, password);

  int retries = 0;
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
    retries++;
    if (retries > 20) { // 最多等待 10 秒
      Serial.println("\nWiFi connection failed! Retrying...");
      retries = 0;
      WiFi.disconnect();
      WiFi.begin(ssid, password);
    }
  }

  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

// MQTT 訊息回調函數 (此程式主要發佈數據，接收功能可根據需求擴展)
void mqtt_callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message arrived [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();
}

// 連接到 MQTT Broker 的函數
void reconnect_mqtt() {
  while (!mqttClient.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    if (mqttClient.connect(mqtt_client_id)) {
      Serial.println("connected");
      // 如果需要訂閱主題，請在這裡添加
      // mqttClient.subscribe("your/subscribe/topic");
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(mqttClient.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      delay(5000); // 等待 5 秒後重試
    }
  }
}

// 將 UID 轉換為十六進位字串的函數
String uid_to_string(byte *buffer, byte bufferSize) {
  String uidString = "";
  for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) {
    if (buffer[i] < 0x10) { // 如果是個位數，前面補 0
      uidString += "0";
    }
    uidString += String(buffer[i], HEX); // 轉換為十六進位
  }
  uidString.toUpperCase(); // 轉換為大寫
  return uidString;
}

/********************************** 核心任務函數 **********************************/

// Core 1 (APP_CPU) 上的 RFID 讀取任務
void TaskRFIDReader(void *pvParameters) {
  Serial.println("RFID Reader Task running on Core 1");
  SPI.begin();           // 啟動 SPI 介面
  mfrc522.PCD_Init();    // 初始化 MFRC522
  Serial.println("MFRC522 initialized on Core 1.");

  for (;;) { // 無限循環
    // 檢查是否有新的 RFID 卡片感應到
    if (mfrc522.PICC_IsNewCardPresent() && mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {
      String currentUID = uid_to_string(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size);
      Serial.print("[Core1] Card detected! UID: ");
      Serial.println(currentUID);

      // 嘗試獲取互斥鎖，保護共享變數
      if (xSemaphoreTake(xSemaphore, (TickType_t)10) == pdTRUE) {
        unsigned long currentMillis = millis();
        // 檢查 UID 是否與上次的相同，並控制發佈頻率
        if (currentUID != lastUID || (currentMillis - lastPublishTime >= publishInterval)) {
          // 將 UID 放入佇列，讓 MQTT 任務處理
          if (xQueueSend(rfidUIDQueue, &currentUID, (TickType_t)10) == pdPASS) {
            Serial.println("[Core1] UID sent to MQTT Queue.");
            // 只有在成功發送給 MQTT 任務後才更新 lastUID 和 lastPublishTime
            lastUID = currentUID;
            lastPublishTime = currentMillis;
          } else {
            Serial.println("[Core1] Failed to send UID to MQTT Queue (queue full).");
          }
        } else {
          Serial.println("[Core1] Same card, not sending (within interval).");
        }
        xSemaphoreGive(xSemaphore); // 釋放互斥鎖
      } else {
        Serial.println("[Core1] Failed to take semaphore.");
      }

      // 停止 PICC 和 PCD 以節省電力並防止重複讀取
      mfrc522.PICC_HaltA();
      mfrc522.PCD_StopCrypto1();
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50)); // 每次循環延遲 50ms，避免過度佔用 CPU
  }
}

// Core 0 (PRO_CPU) 上的 MQTT 發佈任務
void TaskMQTTPublisher(void *pvParameters) {
  Serial.println("MQTT Publisher Task running on Core 0");
  mqttClient.setServer(mqtt_server, mqtt_port);
  mqttClient.setCallback(mqtt_callback);

  for (;;) { // 無限循環
    if (!mqttClient.connected()) {
      reconnect_mqtt();
    }
    mqttClient.loop(); // 處理 MQTT 數據包和保持連線

    String uidToPublish;
    // 嘗試從佇列接收 UID，等待 100ms
    if (xQueueReceive(rfidUIDQueue, &uidToPublish, (TickType_t)100) == pdPASS) {
      Serial.print("[Core0] Received UID from Queue: ");
      Serial.println(uidToPublish);

      // 發佈 UID 到 MQTT 主題
      if (mqttClient.publish(mqtt_topic, uidToPublish.c_str())) {
        Serial.println("[Core0] UID published successfully to MQTT!");
      } else {
        Serial.println("[Core0] Failed to publish UID to MQTT.");
        // 如果發佈失敗，可以考慮將 UID 再次放入佇列或記錄下來以便後續重試
      }
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 每次循環延遲 10ms，讓出 CPU 給其他任務
  }
}

/********************************** Setup & Loop (主要執行緒) **********************************/

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(100);

  // 創建互斥鎖
  xSemaphore = xSemaphoreCreateMutex();
  if (xSemaphore == NULL) {
    Serial.println("Failed to create mutex semaphore.");
    // 處理錯誤，可能重啟或其他錯誤指示
  }

  // 創建 RFID UID 佇列
  rfidUIDQueue = xQueueCreate(1, sizeof(String)); // 佇列深度為 1，每次只存一個 UID
  if (rfidUIDQueue == NULL) {
    Serial.println("Failed to create RFID UID queue.");
    // 處理錯誤
  }

  // 設定 Wi-Fi (通常在 Core 0 執行，但因為是 FreeRTOS，最好在任務啟動前完成)
  setup_wifi();

  // 創建 RFID 讀取任務，並將其固定在 Core 1 (APP_CPU)
  xTaskCreatePinnedToCore(
    TaskRFIDReader,     // 任務函數
    "RFID_Reader",      // 任務名稱
    TASK_STACK_SIZE,    // 任務堆疊大小
    NULL,               // 任務參數
    1,                  // 任務優先級 (0 最低，portTICK_RATE_MS 相關)
    &TaskRFIDRead,      // 任務句柄
    1                   // 運行在 Core 1
  );

  // 創建 MQTT 發佈任務，並將其固定在 Core 0 (PRO_CPU)
  xTaskCreatePinnedToCore(
    TaskMQTTPublisher,  // 任務函數
    "MQTT_Publisher",   // 任務名稱
    TASK_STACK_SIZE,    // 任務堆疊大小
    NULL,               // 任務參數
    1,                  // 任務優先級
    &TaskMQTTPublish,   // 任務句柄
    0                   // 運行在 Core 0
  );

  Serial.println("Tasks created. Entering main loop...");
}

void loop() {
  // 主循環中不執行任何阻塞操作，僅讓 FreeRTOS 調度器運行
  // 所有的 RFID 讀取和 MQTT 發佈都在各自的任務中進行
  vTaskDelete(NULL); // 刪除主任務，釋放 Core 1 (預設主任務在 Core 1)
                     // 如果您希望主任務持續運行但無所事事，可以只放一個 vTaskDelay
}

4. 運行與測試

接線：按照硬體連接說明，將 MFRC522 模組連接到您的 ESP32。
修改程式碼：
- 將 YOUR_WIFI_SSID 和 YOUR_WIFI_PASSWORD 替換為您的 Wi-Fi 網路名稱和密碼。
- 檢查 RST_PIN 和 SS_PIN 的定義是否與您的 MFRC522 實際連接的 ESP32 腳位一致。
上傳程式碼：
- 在 Arduino IDE 中，選擇正確的 ESP32 開發板 (例如 "ESP32 Dev Module") 和正確的 COM 埠。
- 點擊 "上傳" 按鈕將程式碼燒錄到 ESP32。
開啟序列埠監控器：
- 燒錄完成後，打開 "工具" -> "序列埠監控器"，設定鮑率為 115200。
- 您將會看到兩個核心啟動任務的訊息，Wi-Fi 連線進度，MQTT 連線狀態。
- 當感應到卡片時，您會看到類似 [Core1] Card detected! UID: ... 和 [Core0] Received UID from Queue: ...、[Core0] UID published successfully to MQTT! 的訊息。
MQTT 客戶端監控：
- 使用任何 MQTT 客戶端 (例如 MQTTX, Mosquitto Client, Node-RED 等) 連接到 mqttgo.io Broker，並訂閱 alex9ufo/rfidUID 主題。
- 您將會看到 ESP32 發佈的卡片 UID。

製作一個軟體模組 (或稱 模擬器 / 樁函式)，來模擬 MFRC522 的讀取行為。這樣，您就可以在 Wokwi 上驗證您的 MQTT 發佈邏輯和雙核心任務分配是否正確，而不需要實際的 MFRC522 硬體。

這個軟體模組會：

替代 MFRC522 函式庫的呼叫：當您的程式碼嘗試讀取卡片時，它會返回預設的或模擬的 UID。
模擬卡片感應行為：您可以設定一個時間間隔，讓它像真的感應到卡片一樣"觸發" UID 的讀取和發送。

模擬 MFRC522 的軟體模組程式碼

這個版本會用一個簡單的計數器來模擬不同的 RFID 卡片 UID，並將其整合到之前的雙核心架構中。

#include <WiFi.h>             // ESP32 Wi-Fi 函式庫
#include <PubSubClient.h>     // MQTT 客戶端函式庫
#include <Arduino.h>          // 確保 FreeRTOS 相關函數可用

// 注意：這裡不再需要 MFRC522 相關函式庫，因為我們將模擬其功能

/********************************** 常數定義 **********************************/

// Wi-Fi 網路設定
const char* ssid = "Wokwi-GUEST";     // 替換成您的 Wi-Fi 名稱 (例如 Wokwi 的 "Wokwi-GUEST")
const char* password = "";            // 替換成您的 Wi-Fi 密碼 (例如 Wokwi 的空字串 "")

// MQTT Broker 設定
const char* mqtt_server = "mqttgo.io";    // MQTT Broker 位址
const int mqtt_port = 1883;               // MQTT 端口
const char* mqtt_client_id = "MQTTGO-9527419059"; // MQTT 客戶端 ID (建議獨一無二)
const char* mqtt_topic = "alex9ufo/rfidUID"; // MQTT 發佈主題

// 任務堆疊大小 (根據任務複雜度調整)
#define TASK_STACK_SIZE 4096

// 發佈頻率控制 (避免重複發送相同的 UID)
const long publishInterval = 2000; // 2000 毫秒 = 2 秒，每 2 秒最多發送一次數據

// MFRC522 模擬模組設定
const long RFID_SIM_INTERVAL = 3000; // 每 3 秒模擬一次 RFID 卡片感應
unsigned long lastRFIDSimTime = 0;
int simulatedUIDCounter = 0; // 用於生成不同的模擬 UID

/********************************** 全域變數與物件 **********************************/

// 創建 WiFiClient 物件，用於 Wi-Fi 連線
WiFiClient espClient;

// 創建 PubSubClient 物件，用於 MQTT 通訊
PubSubClient mqttClient(espClient);

// 任務句柄
TaskHandle_t TaskRFIDSimulate = NULL;
TaskHandle_t TaskMQTTPublish = NULL;

// 使用 FreeRTOS 的 Queue 來在兩個任務之間傳遞 UID
// 佇列可儲存一個 String 物件，長度為 1
QueueHandle_t rfidUIDQueue;

// 保護共享資源 (lastUID 和 lastPublishTime) 的互斥鎖
SemaphoreHandle_t xSemaphore;
String lastUID = "";
unsigned long lastPublishTime = 0;

/********************************** 輔助函數 **********************************/

// 連接到 Wi-Fi 網路的函數
void setup_wifi() {
  delay(10);
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, password);

  int retries = 0;
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
    retries++;
    if (retries > 20) { // 最多等待 10 秒
      Serial.println("\nWiFi connection failed! Retrying...");
      retries = 0;
      WiFi.disconnect();
      WiFi.begin(ssid, password);
    }
  }

  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

// MQTT 訊息回調函數 (此程式主要發佈數據，接收功能可根據需求擴展)
void mqtt_callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message arrived [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();
}

// 連接到 MQTT Broker 的函數
void reconnect_mqtt() {
  while (!mqttClient.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    if (mqttClient.connect(mqtt_client_id)) {
      Serial.println("connected");
      // 如果需要訂閱主題，請在這裡添加
      // mqttClient.subscribe("your/subscribe/topic");
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(mqttClient.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      delay(5000); // 等待 5 秒後重試
    }
  }
}

/********************************** 核心任務函數 **********************************/

// Core 1 (APP_CPU) 上的 RFID 模擬讀取任務
void TaskRFIDSimulator(void *pvParameters) {
  Serial.println("RFID Simulator Task running on Core 1");

  for (;;) { // 無限循環
    unsigned long currentMillis = millis();

    // 每 RFID_SIM_INTERVAL 毫秒模擬一次卡片感應
    if (currentMillis - lastRFIDSimTime >= RFID_SIM_INTERVAL) {
      lastRFIDSimTime = currentMillis;
      
      // 使用亂數產生 UID，格式為六個十六進位字符
      char uidBuffer[7]; // 6 個字符 + 1 個 null 終止符
      // 產生一個 24 位元（6 個十六進位字符）的亂數
      uint32_t randomUID = random(0xFFFFFF + 1); // random(max) 會產生 0 到 max-1 的數
                                                 // 所以 max+1 才能包含 0xFFFFFF
      sprintf(uidBuffer, "%06X", randomUID); // 格式化為六位大寫十六進位，不足補零
      String simulatedUID = String(uidBuffer);
      simulatedUID.toUpperCase(); // 轉換為大寫

      Serial.print("[Core1] Simulated Card Detected! UID: ");
      Serial.println(simulatedUID);

      // 嘗試獲取互斥鎖，保護共享變數
      if (xSemaphoreTake(xSemaphore, (TickType_t)10) == pdTRUE) {
        // 檢查模擬 UID 是否與上次的相同，並控制發佈頻率 (這部分在模擬中可能較不重要，但保留以保持結構一致)
        if (simulatedUID != lastUID || (currentMillis - lastPublishTime >= publishInterval)) {
          // 將模擬 UID 放入佇列，讓 MQTT 任務處理
          if (xQueueSend(rfidUIDQueue, &simulatedUID, (TickType_t)10) == pdPASS) {
            Serial.println("[Core1] Simulated UID sent to MQTT Queue.");
            // 只有在成功發送給 MQTT 任務後才更新 lastUID 和 lastPublishTime
            lastUID = simulatedUID;
            lastPublishTime = currentMillis;
          } else {
            Serial.println("[Core1] Failed to send simulated UID to MQTT Queue (queue full).");
          }
        } else {
          Serial.println("[Core1] Same simulated card, not sending (within interval).");
        }
        xSemaphoreGive(xSemaphore); // 釋放互斥鎖
      } else {
        Serial.println("[Core1] Failed to take semaphore.");
      }
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50)); // 每次循環延遲 50ms，避免過度佔用 CPU
  }
}

// Core 0 (PRO_CPU) 上的 MQTT 發佈任務
void TaskMQTTPublisher(void *pvParameters) {
  Serial.println("MQTT Publisher Task running on Core 0");
  mqttClient.setServer(mqtt_server, mqtt_port);
  mqttClient.setCallback(mqtt_callback);

  for (;;) { // 無限循環
    if (!mqttClient.connected()) {
      reconnect_mqtt();
    }
    mqttClient.loop(); // 處理 MQTT 數據包和保持連線

    String uidToPublish;
    // 嘗試從佇列接收 UID，等待 100ms
    if (xQueueReceive(rfidUIDQueue, &uidToPublish, (TickType_t)100) == pdPASS) {
      Serial.print("[Core0] Received UID from Queue: ");
      Serial.println(uidToPublish);

      // 發佈 UID 到 MQTT 主題
      if (mqttClient.publish(mqtt_topic, uidToPublish.c_str())) {
        Serial.println("[Core0] UID published successfully to MQTT!");
      } else {
        Serial.println("[Core0] Failed to publish UID to MQTT.");
        // 如果發佈失敗，可以考慮將 UID 再次放入佇列或記錄下來以便後續重試
      }
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 每次循環延遲 10ms，讓出 CPU 給其他任務
  }
}

/********************************** Setup & Loop (主要執行緒) **********************************/

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(100);

  // 創建互斥鎖
  xSemaphore = xSemaphoreCreateMutex();
  if (xSemaphore == NULL) {
    Serial.println("Failed to create mutex semaphore.");
    // 處理錯誤，可能重啟或其他錯誤指示
  }

  // 創建 RFID UID 佇列
  rfidUIDQueue = xQueueCreate(1, sizeof(String)); // 佇列深度為 1，每次只存一個 UID
  if (rfidUIDQueue == NULL) {
    Serial.println("Failed to create RFID UID queue.");
    // 處理錯誤
  }

  // 設定 Wi-Fi
  setup_wifi();

  // 創建 RFID 模擬讀取任務，並將其固定在 Core 1 (APP_CPU)
  xTaskCreatePinnedToCore(
    TaskRFIDSimulator,  // 任務函數
    "RFID_Simulator",   // 任務名稱
    TASK_STACK_SIZE,    // 任務堆疊大小
    NULL,               // 任務參數
    1,                  // 任務優先級
    &TaskRFIDSimulate,  // 任務句柄
    1                   // 運行在 Core 1
  );

  // 創建 MQTT 發佈任務，並將其固定在 Core 0 (PRO_CPU)
  xTaskCreatePinnedToCore(
    TaskMQTTPublisher,  // 任務函數
    "MQTT_Publisher",   // 任務名稱
    TASK_STACK_SIZE,    // 任務堆疊大小
    NULL,               // 任務參數
    1,                  // 任務優先級
    &TaskMQTTPublish,   // 任務句柄
    0                   // 運行在 Core 0
  );

  Serial.println("Tasks created. Entering main loop...");
}

void loop() {
  // 主循環中不執行任何阻塞操作，僅讓 FreeRTOS 調度器運行
  // 所有的 RFID 模擬讀取和 MQTT 發佈都在各自的任務中進行
  vTaskDelete(NULL); // 刪除主任務，釋放 Core 1 (預設主任務在 Core 1)
}

alex9ufo 聰明人求知心切

2025年6月13日星期五

ESP32 雙核心 RFID 讀取與 MQTT 發佈

ESP32 雙核心 RFID 讀取與 MQTT 發佈

1. 硬體連接

2. 軟體設定 (Arduino IDE)

3. 程式碼

4. 運行與測試

模擬 MFRC522 的軟體模組程式碼

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ESP32 (ESP-IDF in VS Code) MFRC522 + MQTT + PYTHON TKinter +SQLite

2025年6月13日 星期五

ESP32 雙核心 RFID 讀取與 MQTT 發佈

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3. 程式碼

4. 運行與測試

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ESP32 (ESP-IDF in VS Code) MFRC522 + MQTT + PYTHON TKinter +SQLite

2025年6月13日星期五