ESP32 使用ESP-IDF 连接WiFi并建立TCP服务器（支持多连接）通信源码分享

ESP32 使用ESP-IDF 连接WiFi并建立TCP服务器（支持多连接）通信源码分享

• 一、源码分享
• • 1、效果展示
  • 2、开发环境搭建
  • 3、源码分享
• 二、select关键字详解
• • 1、 核心原理
  • 2、函数原型
  • 3、关键操作宏
  • 4、 使用步骤
  • 5、示例代码
  • 6、优点与局限性
  • 7、总结
• 三、ESP-IDF详解
• • 1、ESP32 概述
  • 2、 ESP-IDF 详解
  • • 2.1 、ESP-IDF 的核心组件与架构
    • 2.2 、ESP-IDF 开发环境与工具链
    • 2.3 、ESP-IDF 开发流程简述
    • 2.4、 示例代码结构 (最简单的 Hello World)
    • 2.5、 优势与特点
    • 2.6 、适用场景
  • 3、总结

一、源码分享

1、效果展示

2、开发环境搭建

参考我这篇博文：VS Code 在线安装ESP-IDF，ESP32开发环境搭建详细教程

3、源码分享

#include <string.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/event_groups.h"
#include "esp_system.h"
#include "esp_wifi.h"
#include "esp_event.h"
#include "esp_log.h"
#include "nvs_flash.h"

#include "lwip/err.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "esp_netif.h"
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "lwip/err.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "lwip/err.h"
#include "lwip/sockets.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "lwip/netdb.h"

#define EXAMPLE_ESP_WIFI_SSID "VIP"
#define EXAMPLE_ESP_WIFI_PASS "nimingzi"
#define EXAMPLE_ESP_MAXIMUM_RETRY 5
#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024

#if CONFIG_ESP_STATION_EXAMPLE_WPA3_SAE_PWE_HUNT_AND_PECK
#define ESP_WIFI_SAE_MODE WPA3_SAE_PWE_HUNT_AND_PECK
#define EXAMPLE_H2E_IDENTIFIER ""
#elif CONFIG_ESP_STATION_EXAMPLE_WPA3_SAE_PWE_HASH_TO_ELEMENT
#define ESP_WIFI_SAE_MODE WPA3_SAE_PWE_HASH_TO_ELEMENT
#define EXAMPLE_H2E_IDENTIFIER CONFIG_ESP_WIFI_PW_ID
#elif CONFIG_ESP_STATION_EXAMPLE_WPA3_SAE_PWE_BOTH
#define ESP_WIFI_SAE_MODE WPA3_SAE_PWE_BOTH
#define EXAMPLE_H2E_IDENTIFIER CONFIG_ESP_WIFI_PW_ID
#endif
#if CONFIG_ESP_WIFI_AUTH_OPEN
#define ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD WIFI_AUTH_OPEN
#elif CONFIG_ESP_WIFI_AUTH_WEP
#define ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD WIFI_AUTH_WEP
#elif CONFIG_ESP_WIFI_AUTH_WPA_PSK
#define ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD WIFI_AUTH_WPA_PSK
#elif CONFIG_ESP_WIFI_AUTH_WPA2_PSK
#define ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD WIFI_AUTH_WPA2_PSK
#elif CONFIG_ESP_WIFI_AUTH_WPA_WPA2_PSK
#define ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD WIFI_AUTH_WPA_WPA2_PSK
#elif CONFIG_ESP_WIFI_AUTH_WPA3_PSK
#define ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD WIFI_AUTH_WPA3_PSK
#elif CONFIG_ESP_WIFI_AUTH_WPA2_WPA3_PSK
#define ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD WIFI_AUTH_WPA2_WPA3_PSK
#elif CONFIG_ESP_WIFI_AUTH_WAPI_PSK
#define ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD WIFI_AUTH_WAPI_PSK
#endif

static EventGroupHandle_t s_wifi_event_group;

#define WIFI_CONNECTED_BIT BIT0
#define WIFI_FAIL_BIT BIT1

static const char *TAG = "wifi station";

static int s_retry_num = 0;

static void event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base,
int32_t event_id, void* event_data)
{
if (event_base == WIFI_EVENT && event_id == WIFI_EVENT_STA_START) {
esp_wifi_connect();
} else if (event_base == WIFI_EVENT && event_id == WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED) {
if (s_retry_num < EXAMPLE_ESP_MAXIMUM_RETRY) {
esp_wifi_connect();
s_retry_num++;
ESP_LOGI(TAG, "retry to connect to the AP");
} else {
xEventGroupSetBits(s_wifi_event_group, WIFI_FAIL_BIT);
}
ESP_LOGI(TAG,"connect to the AP fail");
} else if (event_base == IP_EVENT && event_id == IP_EVENT_STA_GOT_IP) {
ip_event_got_ip_t* event = (ip_event_got_ip_t*) event_data;
ESP_LOGI(TAG, "got ip:" IPSTR, IP2STR(&event->ip_info.ip));
s_retry_num = 0;
xEventGroupSetBits(s_wifi_event_group, WIFI_CONNECTED_BIT);
}
}

void wifi_init_sta(void)
{
s_wifi_event_group = xEventGroupCreate();

ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());

ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
esp_netif_create_default_wifi_sta();

wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&cfg));

esp_event_handler_instance_t instance_any_id;
esp_event_handler_instance_t instance_got_ip;
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_instance_register(WIFI_EVENT,
ESP_EVENT_ANY_ID,
&event_handler,
NULL,
&instance_any_id));
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_instance_register(IP_EVENT,
IP_EVENT_STA_GOT_IP,
&event_handler,
NULL,
&instance_got_ip));

wifi_config_t wifi_config = {
.sta = {
.ssid = EXAMPLE_ESP_WIFI_SSID,
.password = EXAMPLE_ESP_WIFI_PASS,
.threshold.authmode = ESP_WIFI_SCAN_AUTH_MODE_THRESHOLD,
.sae_pwe_h2e = ESP_WIFI_SAE_MODE,
.sae_h2e_identifier = EXAMPLE_H2E_IDENTIFIER,
},
};
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA) );
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &wifi_config) );
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start() );

ESP_LOGI(TAG, "wifi_init_sta finished.");

EventBits_t bits = xEventGroupWaitBits(s_wifi_event_group,
WIFI_CONNECTED_BIT | WIFI_FAIL_BIT,
pdFALSE,
pdFALSE,
portMAX_DELAY);

if (bits & WIFI_CONNECTED_BIT) {
ESP_LOGI(TAG, "connected to ap SSID:%s password:%s",
EXAMPLE_ESP_WIFI_SSID, EXAMPLE_ESP_WIFI_PASS);
} else if (bits & WIFI_FAIL_BIT) {
ESP_LOGI(TAG, "Failed to connect to SSID:%s, password:%s",
EXAMPLE_ESP_WIFI_SSID, EXAMPLE_ESP_WIFI_PASS);
} else {
ESP_LOGE(TAG, "UNEXPECTED EVENT");
}
}

void tcp_server_loop()
{
char buffer[BUFFER_SIZE];
int client_socket[MAX_CLIENTS] = {0};
struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;
fd_set allFdSet;
int listenFd;
fd_set readSet;
int maxFd;
int nReady;
socklen_t sinSize;
// 创建TCP套接字
if ((listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Socket creation failed");
return;
}

// 设置套接字选项
/* if (setsockopt(listenFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt)))
{
ESP_LOGE(TAG, "Setsockopt failed");
close(listenFd);
return;
}*/

serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serverAddr.sin_port = htons(PORT);

// 绑定地址和端口
if (bind(listenFd, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Bind failed");
close(listenFd);
vTaskDelete(NULL);
}

// 监听连接
if (listen(listenFd, 3) < 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Listen failed");
close(listenFd);
vTaskDelete(NULL);
}

ESP_LOGI(TAG, "TCP server listening on port %d", PORT);

maxFd = listenFd;
FD_ZERO(&allFdSet);
FD_SET(listenFd,&allFdSet);

while (1) {
readSet = allFdSet;

// 使用select等待活动
nReady = select(maxFd + 1, &readSet, NULL, NULL, NULL);
if ((nReady < 0) && (errno != EINTR)) {
ESP_LOGE(TAG, "Select error");
}

// 新连接请求
//查看是不是监听套接字
if(FD_ISSET(listenFd,&readSet))
{
sinSize = sizeof(struct sockaddr_in);
/* 接受一个客户端连接socket的请求，这个函数调用是阻塞式的 */
int acceptFd = accept(listenFd, (struct sockaddr *)&clientAddr, &sinSize);
/* 返回的是连接成功的socket */
if (acceptFd < 0)
{
ESP_LOGE(TAG,"accept connection failed! errno = %d", errno);
continue;
}
/* 接受返回的client_addr指向了客户端的地址信息 */
ESP_LOGD(TAG,"I get a connection from (%s , %d)",inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));

FD_SET(acceptFd,&allFdSet);
maxFd = (acceptFd > maxFd) ? acceptFd:maxFd;

// 添加新客户端到数组
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
if (client_socket[i] == 0) {
client_socket[i] = acceptFd;
break;
}
}
}

// 处理已连接客户端的数据
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++)
{
if(client_socket[i] == 0)
{
continue;
}
if(FD_ISSET(client_socket[i],&readSet))
{
int recLen = recv(client_socket[i], buffer, sizeof(buffer), 0);
if(recLen <= 0)
{
ESP_LOGW(TAG,"connection is closed:(%d)",client_socket[i]);
closesocket(client_socket[i]);

FD_CLR(client_socket[i],&allFdSet);
client_socket[i] = 0;
}
else
{
send(client_socket[i],buffer,recLen,0);
}
}
}
}

close(listenFd);
}

void app_main(void)
{
esp_err_t ret = nvs_flash_init();
if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND) {
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ret = nvs_flash_init();
}
ESP_ERROR_CHECK(ret);

if (CONFIG_LOG_MAXIMUM_LEVEL > CONFIG_LOG_DEFAULT_LEVEL) {
esp_log_level_set("wifi", CONFIG_LOG_MAXIMUM_LEVEL);
}

ESP_LOGI(TAG, "ESP_WIFI_MODE_STA");
wifi_init_sta();

vTaskDelay(3000);
while(1)
{
tcp_server_loop();
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}

二、select关键字详解

select() 是 Unix/Linux 网络编程中用于 I/O 多路复用 的核心函数。它允许程序同时监控多个文件描述符（如套接字），并在其中任意一个或多个描述符就绪（可读、可写或出现异常）时通知程序。这种机制能显著提高程序的并发效率，避免阻塞等待单个描述符。

1、 核心原理

select() 的工作原理基于 阻塞等待 和 描述符集合：

• 阻塞等待：调用 select() 时，程序会阻塞（暂停执行），直到以下任一情况发生：
  • 至少一个描述符就绪；
  • 超时时间到达；
  • 收到中断信号。
• 描述符集合：通过 fd_set 结构体管理需要监控的描述符集合，包括：
  • readfds：监控可读事件（如数据到达）；
  • writefds：监控可写事件（如缓冲区空闲）；
  • exceptfds：监控异常事件（如带外数据）。

2、函数原型

#include <sys/select.h>

int select(
int nfds, // 最大描述符值 + 1
fd_set *readfds, // 监控可读的集合
fd_set *writefds, // 监控可写的集合
fd_set *exceptfds, // 监控异常的集合
struct timeval *timeout // 超时时间
);

• 返回值：
  • >0：就绪的描述符总数；
  • 0：超时；
  • -1：出错（如 EBADF 无效描述符）。

3、关键操作宏

• FD_ZERO(fd_set *set)：清空集合。
• FD_SET(int fd, fd_set *set)：将描述符 fd 加入集合。
• FD_CLR(int fd, fd_set *set)：将描述符 fd 移出集合。
• FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：检查 fd 是否在集合中（就绪时返回真）。

4、 使用步骤

5、示例代码

以下是一个监控标准输入和套接字的简化示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>

int main() {
fd_set read_fds;
struct timeval tv;
int max_fd = STDIN_FILENO + 1; // 标准输入描述符为0

while (1) {
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(STDIN_FILENO, &read_fds); // 监控标准输入

tv.tv_sec = 2;
tv.tv_usec = 0;

int ready = select(max_fd, &read_fds, NULL, NULL, &tv);
if (ready < 0) {
perror("select error");
break;
} else if (ready == 0) {
printf("Timeout, no data.\\n");
} else {
if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &read_fds)) {
char buf[100];
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
printf("Input: %s", buf);
}
}
}
return 0;
}

6、优点与局限性

• 优点：
  • 跨平台兼容性好（Unix/Linux/Windows）；
  • 简单易用，适合少量并发连接。
• 局限性：
  • 描述符数量限制：fd_set 大小固定（通常1024），需通过宏 FD_SETSIZE 扩展；
  • 效率问题：线性扫描所有描述符，高并发时性能下降；
  • 内核态到用户态复制开销：每次调用需传递整个集合。

7、总结

select() 是构建轻量级并发服务器的有效工具，尤其适合连接数较少或兼容性要求高的场景。对于高并发需求，可考虑更高效的替代方案（如 epoll 或 kqueue），但 select 的核心思想仍是理解多路复用的基础。

三、ESP-IDF详解

1、ESP32 概述

ESP32 是由乐鑫科技（Espressif Systems）推出的一款高性能、低功耗、高集成度的 Wi-Fi & 蓝牙双模系统级芯片（SoC）。它广泛应用于物联网（IoT）、智能家居、工业控制等领域。其关键特性包括：

• 双核处理器（通常为 Xtensa LX6，某些型号为 RISC-V）
• 集成 Wi-Fi (802.11 b/g/n) 和蓝牙 (包括经典蓝牙和低功耗蓝牙 BLE)
• 丰富的外设接口：$SPI$
• 充足的内存（RAM 和 Flash 选项多样）
• 强大的安全特性（如加密加速器）
• 超低功耗设计，支持多种休眠模式

2、 ESP-IDF 详解

ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) 是乐鑫官方为 ESP32、ESP32-S 系列、ESP32-C 系列等芯片提供的开发框架和 SDK（软件开发工具包）。它是开发基于 ESP32 芯片应用程序的首选和官方推荐工具。

2.1 、ESP-IDF 的核心组件与架构

ESP-IDF 是一个分层、模块化的框架：

• 硬件抽象层 (HAL)： 提供对芯片硬件资源（如 GPIO、UART、SPI、I2C、定时器、ADC、DAC、RTC、Wi-Fi、蓝牙等）进行操作的统一接口，屏蔽底层硬件细节。
• 驱动 (Drivers)： 在 HAL 之上，提供更易用、功能更丰富的设备驱动（如 SPI Flash 驱动、SD 卡驱动、以太网驱动等）。
• FreeRTOS： ESP-IDF 深度集成了开源的 FreeRTOS 实时操作系统内核。它提供了任务管理、队列、信号量、软件定时器、中断管理等机制，充分利用 ESP32 的多核特性（任务可以在不同核心上运行）。
• 中间件：
  • Wi-Fi 协议栈： 实现 Wi-Fi 的 Station（客户端）、SoftAP（接入点）、Promiscuous（监听）模式。
  • 蓝牙协议栈： 实现经典蓝牙和低功耗蓝牙 (BLE) 的各种角色（如 GATT Client/Server, GAP Central/Peripheral）。
  • TCP/IP 协议栈 (lwIP)： 轻量级的 TCP/IP 协议栈，支持 IPv4/IPv6 (部分型号)、DHCP、DNS、Socket API 等。
  • 文件系统 (FATFS/VFS)： 支持在 SPI Flash 或外部存储设备上使用 FAT 文件系统。
  • 加密库： 提供 AES、SHA、RSA 等加密算法的软件和硬件加速实现。
  • HTTP/WebSocket/MQTT 等协议库： 方便构建网络应用。
• 应用程序： 用户编写的业务逻辑代码，运行在 FreeRTOS 的任务中，通过调用下层 API 实现功能。

2.2 、ESP-IDF 开发环境与工具链

• 工具链： 基于 GNU GCC 编译器（针对 Xtensa 或 RISC-V 架构）。
• 构建系统： 使用 CMake（早期版本使用 GNU Make）。开发者编写 CMakeLists.txt 文件来定义项目结构、源文件、依赖组件等。
• 配置工具： menuconfig。这是一个基于文本的图形化配置工具（类似于 Linux Kernel 的 make menuconfig），用于配置 ESP-IDF 的众多选项，如：
  • 选择目标芯片型号
  • 配置 Wi-Fi/BT 参数
  • 调整 FreeRTOS 设置（任务栈大小、优先级等）
  • 配置日志输出级别和方式
  • 配置内存布局
  • 启用/禁用特定功能和外设驱动
• 核心工具 – idf.py： 这是 ESP-IDF 提供的命令行工具，用于执行构建、烧录、调试、监视串口输出等几乎所有开发任务。常用命令如：
  • idf.py set-target esp32 (设置目标芯片)
  • idf.py menuconfig (启动配置工具)
  • idf.py build (编译项目)
  • idf.py -p PORT flash (烧录固件到设备，PORT 为串口，如 COM3 或 /dev/ttyUSB0)
  • idf.py -p PORT monitor (启动串口监视器，查看设备日志输出)
  • idf.py fullclean (彻底清理构建目录)

2.3 、ESP-IDF 开发流程简述

2.4、 示例代码结构 (最简单的 Hello World)

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_log.h"

static const char *TAG = "MAIN";

void app_main(void)
{
while (1) {
ESP_LOGI(TAG, "Hello World!"); // 打印 Info 级别日志
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时 1000 毫秒 (FreeRTOS 延时)
}
}

2.5、 优势与特点

• 官方支持： 由芯片原厂维护，更新及时，与新芯片特性同步快。
• 功能全面： 提供对 ESP32 所有硬件特性和外设的底层访问。
• 性能优化： 针对 ESP32 硬件进行了深度优化（如 Wi-Fi/BT 共存）。
• 稳定性高： 经过大量商业产品验证。
• 社区活跃： 用户多，社区支持好，问题容易找到解决方案。
• 文档完善： 官方提供详尽的 API 参考指南、编程指南和示例代码。
• 模块化： 易于扩展和复用代码，方便管理大型项目。
• 开源免费： 基于 Apache 2.0 许可证。

2.6 、适用场景

ESP-IDF 适用于需要深度控制硬件、追求高性能、高稳定性或需要使用 ESP32 特有功能（如超低功耗协处理器 ULP）的应用开发。对于快速原型开发，也可以考虑基于 ESP-IDF 构建的更高级框架（如 Arduino for ESP32、MicroPython），但这些框架最终都依赖于 ESP-IDF 的底层功能。

3、总结

ESP-IDF 是开发 ESP32 系列芯片的强大、灵活且功能完备的官方框架。它提供了从硬件操作到网络协议栈的全套解决方案，结合 FreeRTOS 实现了高效的多任务处理。虽然其学习曲线相对陡峭，尤其是对于不熟悉嵌入式开发和 RTOS 的开发者，但它提供了最直接、最强大的方式来充分利用 ESP32 的潜力，是开发复杂或高性能 ESP32 应用的基石。掌握 idf.py 工具链和 menuconfig 配置是使用 ESP-IDF 的关键。