Kindle+ESP32-S3实现TCP温湿度采集与灯光控制系统-尧图网络科技

项目概述本项目基于 ESP32-S3 搭建 TCP 服务端，外接 AHT20 温湿度传感器、WS2812 彩灯；Kindle 8（Linux 环境）作为 TCP 客户端，采用交互式命令行菜单，通过 TCP 网络实现远程查询温湿度、控制彩灯模式。通信采用自定义文本协议，以换行符作为消息边界，解决 TCP 流式粘包、单次指令连接断开问题。

硬件清单

ESP32-S3 开发板
AHT20 数字温湿度传感器
WS2812 8 路 RGB 灯带
Kindle 8（越狱 Linux 环境，arm-gcc 编译运行 TCP 客户端）

一、硬件设计

1.1 硬件接线定义

ESP32-S3	外设	说明
GPIO1	WS2812 DIN	彩灯数据引脚
GPIO10	AHT20 SDA	I2C1 数据
GPIO11	AHT20 SCL	I2C1 时钟
3.3V	AHT20、WS2812 电源	共电源
GND	AHT20、WS2812 GND	必须共地

1.2 硬件注意事项

WS2812 工作电压 5V，若使用 3.3V 驱动容易色彩异常、频闪；长时间点亮建议灯带外接 5V 供电，信号端串联 330Ω 电阻。
AHT20 模块自带 I2C 上拉电阻，无需额外焊接。
ESP32 模块供电充足，大电流负载会导致电压跌落，WiFi 断连。

二、通信协议规范

2.1 传输层

TCP IPv4，ESP32 作为服务端，监听端口：8899客户端：Kindle8 Linux TCP Client，一问一答模式。

2.2 报文格式

通信编码：ASCII 文本
消息分隔符：\n（换行符）
每条发送指令末尾必须追加\n
服务端响应末尾追加\n

客户端 → ESP32 服务端（指令集）

指令	功能描述	ESP32 返回应答
`GET`	查询温湿度	`TEMP:XX.XX,HUM:XX.XX`
`CMD1`	WS2812 红色全亮	`OK:RED`
`CMD2`	WS2812 绿色全亮	`OK:GREEN`
`CMD3`	WS2812 黄色全亮	`OK:YELLOW`
`CMD4`	WS2812 彩虹跑马灯	`OK:RUNLIGHT`
`CMD5`	WS2812 全部熄灭	`OK:OFF`
其他非法指令	-	`ERR:Unknown Command`

2.3 通信容错设计

ESP32 服务端：逐字符非阻塞解析指令，废弃阻塞函数readStringUntil()，防止 WiFi 任务卡死、TCP 主动断开。
Linux 客户端：循环接收数据直到捕获换行符，避免 TCP 流式粘包、读取历史缓存数据。
客户端 Socket 设置接收超时，防止网络异常程序永久阻塞。

三、ESP32-S3 TCP 服务端软件设计（Arduino）

3.1 开发环境

Arduino IDE，平台：esp32 v2.x 依赖库：

FastLED（WS2812 驱动）
Adafruit AHTX0（AHT20 温湿度驱动）

3.2 软件架构

WiFi STA 模式连接路由器，自动获取 IP，启动 TCP Server (8899)
非阻塞轮询接收 TCP 字符，缓冲区缓存，识别\n切割完整指令
指令分发处理：温湿度读取 / WS2812 模式切换
独立定时器驱动：

- 1 秒串口打印温湿度
- 150ms 刷新跑马灯效果

客户端断线自动清空灯带、释放资源

3.3 完整源代码（直接可用）

#include <Arduino.h> #include <WiFi.h> #include <FastLED.h> #include <Adafruit_AHTX0.h> //==================== 配置区 ==================== const char* WIFI_SSID = "WIFI名称"; const char* WIFI_PASSWORD = "WIFI密码"; const uint16_t TCP_PORT = 8899; #define WS2812_PIN 1 #define LED_COUNT 8 #define AHT_SDA_PIN 10 #define AHT_SCL_PIN 11 #define RECV_BUF_LEN 64 //================================================ CRGB leds[LED_COUNT]; Adafruit_AHTX0 aht; WiFiServer tcpServer(TCP_PORT); WiFiClient client; char recvBuf[RECV_BUF_LEN]; uint16_t bufIndex = 0; enum LedMode { MODE_OFF, MODE_RED, MODE_GREEN, MODE_YELLOW, MODE_RUNLIGHT }; LedMode currentMode = MODE_OFF; uint8_t hueValue = 0; void setAllLed(CRGB color) { for(int i=0; i<LED_COUNT; i++){ leds[i] = color; } FastLED.show(); } void handleTcpCommand(String cmd) { cmd.trim(); cmd.toUpperCase(); Serial.print("收到TCP指令: "); Serial.println(cmd); if(cmd == "GET"){ sensors_event_t humEvent, tempEvent; String resp; if(aht.getEvent(&humEvent, &tempEvent)){ resp = "TEMP:" + String(tempEvent.temperature,2) + ",HUM:" + String(humEvent.relative_humidity,2); }else{ resp = "TEMP:ERR,HUM:ERR"; } client.print(resp + "\n"); } else if(cmd == "CMD1"){ currentMode = MODE_RED; setAllLed(CRGB::Red); client.print("OK:RED\n"); } else if(cmd == "CMD2"){ currentMode = MODE_GREEN; setAllLed(CRGB::Green); client.print("OK:GREEN\n"); } else if(cmd == "CMD3"){ currentMode = MODE_YELLOW; setAllLed(CRGB::Yellow); client.print("OK:YELLOW\n"); } else if(cmd == "CMD4"){ currentMode = MODE_RUNLIGHT; client.print("OK:RUNLIGHT\n"); } else if(cmd == "CMD5"){ currentMode = MODE_OFF; setAllLed(CRGB::Black); client.print("OK:OFF\n"); } else{ client.print("ERR:Unknown Command\n"); } } void setup() { Serial.begin(115200); while(!Serial) delay(10); FastLED.addLeds<WS2812, WS2812_PIN, GRB>(leds, LED_COUNT); FastLED.setBrightness(64); FastLED.clear(); FastLED.show(); Wire1.begin(AHT_SDA_PIN, AHT_SCL_PIN); if (!aht.begin(&Wire1)) { Serial.println("【错误】AHT20初始化失败 SDA:10 SCL:11"); } else { Serial.println("AHT20 初始化成功"); } Serial.print("连接WiFi:"); Serial.println(WIFI_SSID); WiFi.mode(WIFI_STA); WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); Serial.print("."); } Serial.println("\nWiFi连接成功"); Serial.print("本机IP: "); Serial.println(WiFi.localIP()); tcpServer.begin(); Serial.printf("TCP服务器启动,端口:%d\r\n",TCP_PORT); Serial.println("================================"); } void loop() { if (!client.connected()) { if (client) { client.stop(); bufIndex = 0; memset(recvBuf, 0, RECV_BUF_LEN); currentMode = MODE_OFF; FastLED.clear(); FastLED.show(); } client = tcpServer.accept(); if(client){ Serial.println("新客户端接入"); } } else { while(client.available() > 0) { char c = client.read(); if (c == '\n') { if(bufIndex > 0) { recvBuf[bufIndex] = '\0'; String cmdStr(recvBuf); handleTcpCommand(cmdStr); bufIndex = 0; memset(recvBuf, 0, RECV_BUF_LEN); } } else { if(bufIndex < RECV_BUF_LEN-1) { recvBuf[bufIndex++] = c; } } } } static uint32_t printTimer = 0; if(millis() - printTimer > 1000){ printTimer = millis(); sensors_event_t humEvent, tempEvent; if (aht.getEvent(&humEvent, &tempEvent)) { Serial.print("温度："); Serial.print(tempEvent.temperature, 2); Serial.print(" ℃ | 湿度："); Serial.print(humEvent.relative_humidity, 2); Serial.println(" %RH"); } else { Serial.println("读取AHT20数据失败"); } } static uint32_t ledTimer = 0; if(millis() - ledTimer > 150){ ledTimer = millis(); if(currentMode == MODE_RUNLIGHT){ static uint8_t pos = 0; FastLED.clear(); leds[pos] = CHSV(hueValue,255,255); FastLED.show(); pos++; if(pos >= LED_COUNT) pos = 0; hueValue +=3; } } delay(10); }

四、Kindle8 Linux TCP 客户端软件设计

4.1 运行环境

Kindle 8 越狱系统（Linux），gcc 编译器；纯 C 语言标准 POSIX Socket，无第三方依赖。功能：交互式菜单、TCP 连接、一发一收、超时保护、完整接收单行应答，解决粘包问题。

4.2 客户端源代码`tcp_client.c`

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <errno.h> #include <sys/time.h> #define SERVER_IP "192.168.1.11" // 修改为ESP32 IP #define SERVER_PORT 8899 #define BUF_SIZE 256 #define RECV_TIMEOUT_SEC 3 // 接收超时2秒 int sock_fd = -1; /* 设置socket接收超时 */ static void set_sock_timeout(int fd, int sec) { struct timeval timeout; timeout.tv_sec = sec; timeout.tv_usec = 0; setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout)); } /* 建立TCP连接 */ int connect_server(void) { struct sockaddr_in serv_addr; if (sock_fd > 0) { printf("已经连接，无需重连\n"); return 0; } sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (sock_fd < 0) { perror("socket create failed"); return -1; } set_sock_timeout(sock_fd, RECV_TIMEOUT_SEC); memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); serv_addr.sin_family = AF_INET; serv_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) { printf("IP地址格式错误\n"); close(sock_fd); sock_fd = -1; return -1; } if (connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) { perror("connect failed"); close(sock_fd); sock_fd = -1; return -1; } printf("✅ 成功连接 ESP32 TCP Server %s:%d\n", SERVER_IP, SERVER_PORT); return 0; } /* * 发送指令，循环接收直到读到换行符，获取完整一行应答 * 返回 0成功，-1失败/超时/断开 */ int send_command(const char *cmd, char *resp, int resp_len) { char send_buf[BUF_SIZE]; char tmp[BUF_SIZE]; int total = 0; int i = 0; ssize_t ret; memset(resp, 0, resp_len); if (sock_fd < 0) { printf("❌ 未连接服务器，请先连接！\n"); return -1; } // 指令必须带换行，匹配ESP32 readStringUntil('\n') snprintf(send_buf, sizeof(send_buf), "%s\n", cmd); if (write(sock_fd, send_buf, strlen(send_buf)) < 0) { perror("send fail"); close(sock_fd); sock_fd = -1; return -1; } // 循环读取，直到收到 \n 代表一条应答结束 while (1) { ret = read(sock_fd, tmp, sizeof(tmp)-1); if (ret <= 0) { printf("❌ 读取应答失败 / 超时 / 服务器断开\n"); close(sock_fd); sock_fd = -1; return -1; } for (i ; i < ret; i++) { if (total < resp_len - 1) { resp[total++] = tmp[i]; } // 遇到换行，本条响应接收完成，直接退出 if (tmp[i] == '\n') { resp[total] = '\0'; return 0; } } } } void show_menu(void) { printf("\n==================== MENU ====================\n"); printf(" 1 - 连接ESP32服务端\n"); printf(" 2 - 查询温湿度 (GET)\n"); printf(" 3 - WS2812 红色全亮 CMD1\n"); printf(" 4 - WS2812 绿色全亮 CMD2\n"); printf(" 5 - WS2812 黄色全亮 CMD3\n"); printf(" 6 - WS2812 开启跑马灯 CMD4\n"); printf(" 7 - WS2812 全部关灯 CMD5\n"); printf(" 0 - 退出程序\n"); printf("==============================================\n"); printf("请输入选项: "); } int main(void) { int choice; char response[BUF_SIZE]; while (1) { show_menu(); if (scanf("%d", &choice) != 1) { // 清空错误输入 while (getchar() != '\n'); printf("输入错误，请输入数字！\n"); continue; } switch (choice) { case 1: connect_server(); break; case 2: if (0 == send_command("GET", response, sizeof(response))) { printf("📩 服务器回复: %s", response); } break; case 3: if (0 == send_command("CMD1", response, sizeof(response))) { printf("📩 服务器回复: %s", response); } break; case 4: if (0 == send_command("CMD2", response, sizeof(response))) { printf("📩 服务器回复: %s", response); } break; case 5: if (0 == send_command("CMD3", response, sizeof(response))) { printf("📩 服务器回复: %s", response); } break; case 6: if (0 == send_command("CMD4", response, sizeof(response))) { printf("📩 服务器回复: %s", response); } break; case 7: if (0 == send_command("CMD5", response, sizeof(response))) { printf("📩 服务器回复: %s", response); } break; case 0: printf("程序退出\n"); if (sock_fd > 0) close(sock_fd); return 0; default: printf("无效选项，请重新选择\n"); break; } } }

4.3 Kindle8 编译与运行命令

修改代码内SERVER_IP为 ESP32 打印出的局域网 IP
编译，在 Linux 主机上使用交叉编译器进行编译，生成 kindle8 架构的执行程序

arm-linux-gnueabi-gcc -march=armv7-a -mtune=cortex-a9 -msoft-float -mabi=aapcs-linux tcp_client.c -o tcp_client

上传程序，ssh 登录到 kindle 主机，切换到/mnt/us/gcc-test 目录（gcc-test 要自行创建）

[root@kindle gcc-test]# scp tony@192.168.1.12:/home/tony/kindle-esp32/kindle-tcp ./ kindle-tcp 100% 13KB 2.2MB/s 00:00

运行

[root@kindle gcc-test]#./tcp_client

五、整体测试流程

ESP32 上电，串口监视器查看 WiFi 连接状态，记录 IP 地址；
修改 Kindle 客户端代码内 ESP32 IP，编译；
Kindle 运行客户端，选项【1】连接服务端；
依次调用功能：

- 2 查询温湿度
- 3~7 控制彩灯

重复多次切换，验证 TCP 连接不会断开、指令应答不乱序。

六、文件目录结构

ESP32_TCP_LIGHT_AHT20/ ├── doc/ │ └── 开发设计文档.md # 本文档 ├── esp32_server/ │ └── esp32_server.ino # ESP32 Arduino源码 ├── kindle_client/ │ ├── tcp_client.c │ └── Makefile # 可选，一键编译脚本 └── README.md # 使用说明、接线说明