ESP32 雙核心控制 LED 與 DHT22 溫濕度感測器 (Wokwi 模擬) EX1 --MQTTx , MQTT client WEB

 ESP32 雙核心控制 LED 與 DHT22 溫濕度感測器 (Wokwi 模擬) --MQTTx , MQTT client WEB

這個教學將引導你如何在 Wokwi 網站上使用 ESP32 雙核心，透過 MQTTx 控制 LED 的不同模式，並訂閱 DHT22 的溫濕度數據。

實驗目標

1. LED 控制：

   • 利用 ESP32 的雙核心特性，一個核心處理 LED 的亮滅、閃爍和定時控制。

   • 透過 MQTT 接收指令，切換 LED 的四種模式：on (開啟)、off (關閉)、flash (閃爍)、timer (定時 10 秒後關閉)。

2. DHT22 溫濕度監測：

   • 另一個核心讀取 DHT22 溫濕度感測器的數據。

   • 透過 MQTT 發布 DHT22 的溫度和濕度數據。

3. MQTTx  及  mqttgo client 互動 ：

   • 使用 MQTTx  (Mqttgo) 工具發布控制 LED 的主題與酬載 (payload)。

   • 使用 MQTTx  (Mqttgo)  訂閱 DHT22 的溫濕度主題。

必備資源

• Wokwi 帳號： 用於 ESP32 模擬。

• MQTT Broker： 建議使用免費的公共 MQTT Broker，例如 broker.hivemq.com 或 mqtt.eclipseprojects.io 或 broker.mqttgo.io。

• MQTTx 軟體： 用於 MQTT 訊息的發布與訂閱。

• ESP32 相關函式庫：

  • WiFi.h      ssid = "Wokwi-GUEST" password = ""

  • PubSubClient.h (MQTT 客戶端函式庫)

  • DHT.h (DHT 感測器函式庫)

  • 
    
    

    
    

Wokwi 設定

1. 開啟 Wokwi 專案：

   • 進入 Wokwi 網站，建立一個新的 ESP32 Dev Kit C 專案。

2. 加入元件：

   • LED： 在板上連接一個 LED 到 GPIO 2 (或你選擇的其他 GPIO)。記得串聯一個 220 歐姆的電阻。

   • DHT22： 將 DHT22 感測器連接到 GPIO 4 (或你選擇的其他 GPIO)。

     • VCC 接 3.3V

     • GND 接 GND

     • Data 接 GPIO 4

3. Wokwi 線路定：

   • 
     
     

     

Arduino 程式碼 (雙核心)

ESP32 擁有雙核心 (Core 0 和 Core 1)。我們將利用 xTaskCreatePinnedToCore 函式，將不同的任務分配給不同的核心。

• Core 0： 處理 Wi-Fi 連線、MQTT 通訊、以及 LED 的控制邏輯。

• Core 1： 專門負責讀取 DHT22 感測器數據並發布。

#include <WiFi.h>

#include <PubSubClient.h>

#include <DHT.h>

#include <DHT_U.h> // 需要同時包含 DHT_U.h

// --- Wi-Fi 設定 ---

const char* ssid = "Wokwi-GUEST";

const char* password = "";

// --- MQTT 設定 ---

const char* mqtt_server = "broker.mqttgo.io"; // 或 "mqtt.eclipseprojects.io"

const int mqtt_port = 1883;

const char* mqtt_client_id = "ESP32_Wokwi_Client";

// MQTT 主題

const char* mqtt_topic_led_control = "wokwi/led/control";

const char* mqtt_topic_temperature = "wokwi/dht/temperature";

const char* mqtt_topic_humidity = "wokwi/dht/humidity";

WiFiClient espClient;

PubSubClient client(espClient);

// --- LED 設定 ---

const int ledPin = 2; // 連接到 GPIO 2

enum LedMode { ON, OFF, FLASH, TIMER };

volatile LedMode currentLedMode = OFF;

volatile unsigned long timerStartTime = 0;

volatile bool ledState = false; // 用於閃爍模式

// --- DHT22 設定 ---

#define DHTPIN 4      // 連接到 GPIO 4

#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22  (AM2302), AM2321

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

// --- 任務句柄 ---

TaskHandle_t TaskLEDControl = NULL;

TaskHandle_t TaskDHTSensor = NULL;

// --- 函式宣告 ---

void setup_wifi();

void reconnect_mqtt();

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length);

void ledControlTask(void *pvParameters);

void dhtSensorTask(void *pvParameters);

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  pinMode(ledPin, OUTPUT);

  digitalWrite(ledPin, LOW); // 確保初始是關閉的

  setup_wifi();

  client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);

  client.setCallback(callback);

  dht.begin(); // 初始化 DHT 感測器

  // 創建 LED 控制任務，運行在 Core 0

  xTaskCreatePinnedToCore(

    ledControlTask,   /* 任務函式 */

    "LED Control",    /* 任務名稱 */

    2048,             /* 堆疊大小 (字節) */

    NULL,             /* 任務參數 */

    1,                /* 任務優先級 */

    &TaskLEDControl,  /* 任務句柄 */

    0                 /* 運行在 Core 0 */

  );

  // 創建 DHT 感測器任務，運行在 Core 1

  xTaskCreatePinnedToCore(

    dhtSensorTask,    /* 任務函式 */

    "DHT Sensor",     /* 任務名稱 */

    4096,             /* 堆疊大小 (字節) */

    NULL,             /* 任務參數 */

    1,                /* 任務優先級 */

    &TaskDHTSensor,   /* 任務句柄 */

    1                 /* 運行在 Core 1 */

  );

}

void loop() {

  // 主循環中只負責維持 MQTT 連線

  if (!client.connected()) {

    reconnect_mqtt();

  }

  client.loop(); // 處理 MQTT 訊息

  delay(10); // 短暫延遲，避免佔用太多 CPU

}

// --- Wi-Fi 連線函式 ---

void setup_wifi() {

  delay(10);

  Serial.println();

  Serial.print("Connecting to ");

  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, password);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

    delay(500);

    Serial.print(".");

  }

  Serial.println("");

  Serial.println("WiFi connected");

  Serial.print("IP address: ");

  Serial.println(WiFi.localIP());

}

// --- MQTT 重連函式 ---

void reconnect_mqtt() {

  while (!client.connected()) {

    Serial.print("Attempting MQTT connection...");

    // 嘗試連線

    if (client.connect(mqtt_client_id)) {

      Serial.println("connected");

      // 訂閱 LED 控制主題

      client.subscribe(mqtt_topic_led_control);

      Serial.print("Subscribed to: ");

      Serial.println(mqtt_topic_led_control);

    } else {

      Serial.print("failed, rc=");

      Serial.print(client.state());

      Serial.println(" try again in 5 seconds");

      // 等待 5 秒後重試

      delay(5000);

    }

  }

}

// --- MQTT 訊息回調函式 ---

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {

  Serial.print("Message arrived [");

  Serial.print(topic);

  Serial.print("] ");

  String message = "";

  for (int i = 0; i < length; i++) {

    message += (char)payload[i];

  }

  Serial.println(message);

  if (String(topic) == mqtt_topic_led_control) {

    if (message == "on") {

      currentLedMode = ON;

      digitalWrite(ledPin, HIGH);

      Serial.println("LED Mode: ON");

    } else if (message == "off") {

      currentLedMode = OFF;

      digitalWrite(ledPin, LOW);

      Serial.println("LED Mode: OFF");

    } else if (message == "flash") {

      currentLedMode = FLASH;

      Serial.println("LED Mode: FLASH");

    } else if (message == "timer") {

      currentLedMode = TIMER;

      digitalWrite(ledPin, HIGH); // 定時模式開始時先開啟 LED

      timerStartTime = millis();

      Serial.println("LED Mode: TIMER (10s)");

    } else {

      Serial.println("Unknown LED command.");

    }

  }

}

// --- LED 控制任務 (運行在 Core 0) ---

void ledControlTask(void *pvParameters) {

  (void) pvParameters; // 避免編譯器警告

  for (;;) { // 無限循環

    switch (currentLedMode) {

      case ON:

        // LED 保持亮著，由 callback 函式設置

        break;

      case OFF:

        // LED 保持熄滅，由 callback 函式設置

        break;

      case FLASH:

        digitalWrite(ledPin, ledState);

        ledState = !ledState;

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 每 500ms 改變一次狀態

        break;

      case TIMER:

        if (millis() - timerStartTime >= 10000) { // 10 秒

          digitalWrite(ledPin, LOW);

          currentLedMode = OFF; // 定時結束後轉為 OFF 模式

          Serial.println("LED Timer finished. LED OFF.");

        }

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 短暫延遲

        break;

      default:

        digitalWrite(ledPin, LOW); // 預設為關閉

        break;

    }

    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 短暫延遲，讓其他任務有機會執行

  }

}

// --- DHT 感測器任務 (運行在 Core 1) ---

void dhtSensorTask(void *pvParameters) {

  (void) pvParameters; // 避免編譯器警告

  for (;;) { // 無限循環

    delay(2000); // 每 2 秒讀取一次數據，避免頻繁讀取導致錯誤

    float h = dht.readHumidity();

    float t = dht.readTemperature(); // 讀取攝氏溫度

    // 檢查是否讀取失敗，如果是則嘗試重讀

    if (isnan(h) || isnan(t)) {

      Serial.println(F("Failed to read from DHT sensor!"));

    } else {

      Serial.print(F("Humidity: "));

      Serial.print(h);

      Serial.print(F("%  Temperature: "));

      Serial.print(t);

      Serial.println(F("°C"));

      // 發布溫度

      char tempString[8];

      dtostrf(t, 4, 2, tempString); // 浮點數轉字串

      client.publish(mqtt_topic_temperature, tempString);

      // 發布濕度

      char humString[8];

      dtostrf(h, 4, 2, humString); // 浮點數轉字串

      client.publish(mqtt_topic_humidity, humString);

    }

    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000)); // 每 5 秒執行一次，避免 MQTT 發布過於頻繁

  }

}

程式碼說明

1. Libraries: 包含了 Wi-Fi、PubSubClient (MQTT)、和 DHT 函式庫。

2. Wi-Fi & MQTT 設定： 定義了 Wi-Fi 的 SSID、密碼，以及 MQTT Broker 的位址、埠號和客戶端 ID。請使用 Wokwi-GUEST 作為 SSID，密碼為空。

3. LED 控制變數： currentLedMode 是一個 volatile 變數，用於跨任務安全地修改 LED 模式。timerStartTime 記錄定時模式的開始時間。

4. DHT 感測器： 定義了 DHT22 的引腳和類型。

5. setup() 函式：

   • 初始化序列埠、LED 引腳和 DHT 感測器。

   • 設定 Wi-Fi 連線和 MQTT 客戶端。

   • 關鍵： 使用 xTaskCreatePinnedToCore() 創建兩個 FreeRTOS 任務：

     • ledControlTask：綁定到 Core 0，處理 LED 的邏輯。

     • dhtSensorTask：綁定到 Core 1，處理 DHT 的讀取和發布。

6. loop() 函式：

   • 主循環主要負責檢查 MQTT 連線狀態，並呼叫 client.loop() 來處理 MQTT 訊息的收發。因為大部分工作由 FreeRTOS 任務處理，這裡的 loop 函式變得非常精簡。

7. setup_wifi() & reconnect_mqtt()： 標準的 Wi-Fi 和 MQTT 連線/重連邏輯。

8. callback() 函式：

   • 當收到 MQTT 訊息時觸發。

   • 根據收到的 payload (酬載) 更新 currentLedMode 變數，以控制 LED 的行為。

9. ledControlTask() 函式 (Core 0)：

   • 這是 LED 控制的無限循環任務。

   • 根據 currentLedMode 的值，執行不同的 LED 操作：

     • ON：LED 保持亮起。

     • OFF：LED 保持關閉。

     • FLASH：每 500ms 切換一次 LED 狀態。

     • TIMER：亮起 LED，10 秒後自動關閉並切換到 OFF 模式。

   • 使用 vTaskDelay() 進行非阻塞延遲，讓 CPU 可以切換到其他任務。

10. dhtSensorTask() 函式 (Core 1)：

    • 這是 DHT 感測器讀取的無限循環任務。

    • 每隔 2 秒讀取一次 DHT22 的濕度和溫度。

    • 檢查讀取是否成功，如果成功則將數據透過 MQTT 發布到相應的主題。

    • 使用 vTaskDelay() 進行非阻塞延遲。

MQTTx 操作

1. 下載並安裝 MQTTx： 如果你還沒有安裝，請從 MQTTx 官方網站 下載並安裝。

2. 新增連線：

   • 打開 MQTTx。

   • 點擊左側的 New Connection。

   • Name： 任意填寫，例如 "Wokwi ESP32"。

   • Host： broker.mqttgo.io 或 broker.hivemq.com (或你選擇的其他公共 Broker)。

   • Port： 1883。

   • 點擊 Connect。

3. 訂閱主題 (DHT22)：

   • 連線成功後，點擊頁面中間的 New Subscription。

   • Topic： wokwi/dht/temperature

   • 點擊 Confirm。

   • 重複步驟，訂閱 wokwi/dht/humidity。

   • 你會看到 Wokwi 上的 ESP32 開始運行後，DHT22 的溫濕度數據會每隔一段時間顯示在 MQTTx 的訊息列表中。

4. 發布訊息 (LED 控制)：

   • 點擊左下角的 New Message (或在已建立的連線中點擊 Publish 區域)。

   • Topic： wokwi/led/control

   • Payload：

     • 要開啟 LED：輸入 on

     • 要關閉 LED：輸入 off

     • 要閃爍 LED：輸入 flash

     • 要定時關閉 LED (10秒後)：輸入 timer

   • 選擇 QoS 為 0。

   • 點擊 Publish 按鈕。

   • Wokwi 上的 ESP32 會收到指令並控制 LED。

實驗步驟與觀察

1. 將上述程式碼複製貼上到 Wokwi 的 sketch.ino 檔案中。

2. 確認 diagram.json 檔案中的 Wi-Fi 和硬體連接設定正確。

3. 點擊 Wokwi 上的 Run 按鈕。

4. 觀察 Wokwi 的 Serial Monitor：

   • 你會看到 Wi-Fi 連線的訊息。

   • MQTT 連線成功的訊息。

   • 訂閱 LED 控制主題的訊息。

   • DHT22 讀取的溫濕度數據，以及發布到 MQTT 的訊息。你會看到這些數據是從 Core 1 輸出的。

5. 在 MQTTx 中，你會看到 wokwi/dht/temperature 和 wokwi/dht/humidity 主題下不斷湧入的溫濕度數據。

6. 在 MQTTx 中，向 wokwi/led/control 主題發布不同的 payload (on, off, flash, timer)。

7. 觀察 Wokwi 模擬器中的 LED，確認其行為與你發布的指令一致。特別注意 timer 模式下，LED 會亮起 10 秒後自動熄滅。

8. broker.mqttgo.io 設定

    9. mqttx設定

         

常用的免費 MQTT Broker

1. Eclipse Mosquitto

   • 類型： 開源軟體 (可以自己架設) / 提供公共測試伺服器

   • 優點：

     • 輕量級： 非常適合資源有限的設備，如 Raspberry Pi。

     • 穩定可靠： 是最廣泛使用的開源 MQTT Broker 之一。

     • 完整支援： 支援 MQTT 3.1、3.1.1 和 5.0 協議。

     • 公共測試伺服器： 提供了公開的測試伺服器 test.mosquitto.org，方便快速測試。

     • 社群活躍： 擁有龐大的使用者社群，容易找到支援。

   • 缺點： 如果要用於生產環境，通常需要自己架設和維護。

   • 適用情境： 開發、測試、個人專案、小型 IoT 部署，以及教學用途。

2. HiveMQ Cloud (Free Plan)

   • 類型： 雲端託管服務 (提供免費方案)

   • 優點：

     • 雲端管理： 無需自己架設，HiveMQ 負責基礎設施的維護和擴展。

     • 高度可靠： 提供企業級的穩定性和安全性。

     • 免費層級： 通常提供免費方案，允許連接少量設備 (例如 100 個設備) 和一定的訊息量，非常適合原型開發和小型專案。

     • 完整功能： 支援完整的 MQTT 規範。

   • 缺點： 免費方案有連接數和訊息量的限制，超出部分需要付費。

   • 適用情境： 需要穩定、託管的 MQTT 服務，不想自己維護 Broker 的開發者。

3. EMQX Cloud (Serverless / Free Tier)

   • 類型： 雲端託管服務 (提供免費方案 / Serverless)

   • 優點：

     • 高擴展性： 專為大規模 IoT 應用設計，能處理百萬級的併發連接。

     • 全球部署： 支援多區域部署，提供更好的延遲表現。

     • 免費方案/Serverless： 提供免費的 Serverless 方案或免費額度，通常以「Session 分鐘數」來計費，對於開發和測試非常方便。

     • 功能豐富： 支援 MQTT 5.0，並提供數據整合、規則引擎等進階功能。

   • 缺點： 免費額度用完後會按量計費，需注意用量。

   • 適用情境： 需要測試大規模 IoT 連接、數據處理，或計畫未來可能擴展的專案。

4. Public MQTT Brokers (例如 broker.hivemq.com, mqtt.eclipseprojects.io)

   • 類型： 公共測試 Broker

   • 優點：

     • 無需設定： 立即可用，不需要任何安裝或設定。

     • 方便測試： 快速測試 MQTT 連線和訊息發送/接收功能。

   • 缺點：

     • 安全性低： 通常不支援認證，所有發布的訊息都是公開的，不適合傳輸任何敏感數據。

     • 穩定性不保證： 作為公共測試用途，其穩定性和可用性無法保證，不適合生產環境。

     • 流量限制： 可能會有流量或連接數的限制。

   • 適用情境： 快速的原型開發、初步功能測試、學習 MQTT 協議。

台灣本地提供的免費/測試 MQTT 服務

雖然數量相對較少，但台灣也有一些公司或個人提供免費的 MQTT 服務，通常會有一定的使用限制。

• 台灣智能感測科技 (TaiwanSensor)

  • 他們提供免費的 MQTT 伺服器，聲稱可連接 100 台設備並提供 10GB 流量。這對於個人專案或小型團隊來說是相當不錯的免費額度。

  • 其服務基於 HiveMQ 的免費服務，因此在穩定性和功能上應該有不錯的表現。

  • 聯絡資訊： 官網上通常會有聯絡電話或信箱。

  • 適用情境： 對於需要一個比公共 Broker 更穩定，且有一定額度的台灣本地服務的開發者。

• 小霸王實驗室 - mqttgo.io (HiveMQ CE 架設)

  • 由「小霸王實驗室」提供的 mqttgo.io 是一個在台灣架設的 MQTT Broker。

  • 地址： mqttgo.io

  • Port： 1883

  • 特色： 根據作者說明，這是基於 HiveMQ CE (Community Edition) 架設，目的是提供一個在台灣速度快、容易記憶的免費 MQTT 服務。不需要帳號密碼，也不需要事先申請。

  • 優點： 針對台灣用戶有較好的網路速度，使用方便，適合教學和個人專案。

  • 缺點： 作為個人維護的免費服務，其穩定性和長期支援可能不如商業級的雲端服務，仍不適合關鍵任務。

• 元米科技 (ICDT) - mqttws.hmi.tw

  • 元米科技提供 mqttws.hmi.tw 免費服務，這是一個集 Web Server 和 MQTT Broker 於一體的解決方案。

  • 特色： 對於 32 點以下的設備可以免費應用，主要用於快速完成客製化網頁圖控系統。

  • 適用情境： 如果你的專案需要將 MQTT 與簡單的網頁圖控結合，且點位數不多，這會是一個方便的選項。