标题直接 Buff 点满…

阅读指引

如果你是 0 基础选手，建议先阅读以下内容掌握基本的 FreeRTOS 工程知识：

  1. C 语言基本语法
  2. STM32 工程创建，详看
  3. FreeRTOS 的移植，详看

本文主要分为三个部分，每个部分需要准备的工具如下：

  1. 阿里云物联网平台注册：需要阿里云账号。
  2. 模拟 MQTT 客户端发送与订阅消息：软件 MQTT.fx，阿里云提供的 MQTT_Password 工具。
  3. ESP8266 固件烧录：串口助手软件，需要材料 ESP8266、USB-TTL、杜邦线若干。
  4. 软件实现：Keil 软件、STM32CubeMX（使用 HAL）、STM32、DHT11、杜邦线若干、OLED（可选）、LED 灯、ST-Link

一些阅读前的提示：

  1. 阿里云相关产品新用户只能免费试用 1 个月
  2. 这里不涉及 MQTT 的软件实现，MQTT 功能是通过固件烧录的
  3. 如果只是单纯实现温湿度监控及点灯的话，FreeRTOS 其实不是必须的

阿里云物联网平台

添加产品物模型

首先你得拥有一个阿里云账号，然后开通物联网平台：

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进入管理控制台：

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创建一个实例（前提需实名认证）：

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公共实例开通免费，但据说可能联网不佳。标准实例可以免费开通试用 1 个月。

进入实例详情：

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创建一个产品：

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创建设备：

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下面添加一个物模型：

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使用 IoT Studio 绘制界面

回到物联网平台，查看增值服务。如果没有 IoT Studio，可以在选购增值服务中购买。IoT Studio 可以试用 1 个月。

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进入 IoT Studio，选择你的实例，新建 Web 应用：

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绘制一个像样的页面：

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仪表盘数据源配置：

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折线图数据源配置：

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按钮交互配置：

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这时点击预览的话仪表盘会显示没有数据，可继续下一章节阅读。

MQTT.fx 模拟客户端发布与订阅消息

安装 MQTT_Password 工具包：如何计算MQTT签名参数_物联网平台(IoT)-阿里云帮助中心 (aliyun.com)

安装 MQTT.fx：MQTT.fx® Download (softblade.de)

回到阿里云物联网平台控制台>设备>查看，把三元素复制下来：

image.png

使用 MQTT_Password 计算签名：

image.png

除了此处的 Clientid 是需要填入的设备信息 Clientid，其他所有地方说的 Client ID 都是指 MQTT 连接的 Client ID 具体值就是计算结果的 mqttClientid

打开 MQTT.fx，配置：

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image.png

Broker Address 为你的 ProductID+.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com。

链接。然后尝试发布消息和订阅消息：

image.png

连接后阿里云物联网平台将显示在线：

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尝试在 /sys/k10qu3ushCq/mqtt_stm32/thing/event/property/post 发布一个 json 数据：

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{"params":{"temperature":42,"Humidity":22},"version":"1.0.0"}

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结果在 IoT Studio 网页应用就会显示数据：

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在 /sys/k10qu3ushCq/mqtt_stm32/thing/service/property/set 中订阅，点击开关按钮将收到消息：

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ESP8266 固件烧录及串口调试

首先，固件烧录部分详看：ESP8266 烧写 AT MQTT 固件。

ESP8266 连上串口后测试 AT 命令（记得加 \r\n）：

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# 设置热点模式
AT+CWMODE=1

# 链接手机热点（或 WIFI）
AT+CWJAP="<热点名称>","<热点密码>"

# MQTT配置。注意，逗号前加反斜杠。ClientID+用户名+密码
AT+MQTTUSERCFG=0,1,"mqtt_stm32|securemode=2\,signmethod=hmacsha1\,timestamp=6606|","mqtt_stm32&k1xxxxxxxq","5DExxxxxxC2",0,0,""

# 连接 MQTT Broker
AT+MQTTCONN=0,"k1xxxxxxxq.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com",1883,0

# 订阅 MQTT主题
AT+MQTTSUB=0,"/sys/k10qu3ushCq/mqtt_stm32/thing/service/property/set",0

# 发送数据
AT+MQTTPUB=0,"/sys/k10qu3ushCq/mqtt_stm32/thing/event/property/post","{\"params\":{\"temperature\":42\,\"Humidity\":22}\,\"version\":\"1.0.0\"}",0,0

测试发送时间上行成功后，可以继续测试 LED 开关命令。在 IoT Studio 点击按钮，串口助手将回显消息。

软件实现思路

整个 STM32 工程比较庞杂。本节介绍主要的具体思路，并展示重要代码过程。

主要思路：

  1. STM32 串口 1 用于向电脑发送数据，printf 重写为向串口 1 发送数据。详看：串口驱动程序之「发送数据」
  2. 串口 2 用于链接 ESP8266，需要实现不定长数据的收发。详看：串口驱动程序之「不定长字符串的接收」
  3. 使用 DHT11 检测环境温湿度。详看：DHT11 驱动程序
  4. OLED 模块作为温湿度数据的实时显示。详看：OLED 驱动程序
  5. 一个任务指示灯，单纯用来指示 FreeRTOS 任务有没有卡死
  6. 一个 LED 灯用来应答阿里云发来的数据

以下代码主要解析任务分配以及设备初始化的编写。标准库和 HAL 具体实现略有不同（LED 用的端口、不定长字符串接收的实现方式），请以具体配置为准。

标准库

main.c：

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#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "gpio_out.h"   
#include "key.h"
#include "OLED.h"
#include "timer.h"
#include "SysTick.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include <limits.h>
#include <string.h>
#include "dht11.h"
#include "esp8266.h"
#include "ALi_MQTT_Temp_Humi_LED_Device.h"

//任务优先级
#define START_TASK_PRIO		1
//任务堆栈大小	
#define START_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t StartTask_Handler;
//任务函数
void start_task(void *pvParameters);


//任务优先级
#define LED5_TASK_PRIO		2
//任务堆栈大小	
#define LED5_STK_SIZE 		50  
//任务句柄
TaskHandle_t LED5Task_Handler;
//任务函数
void led5_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define MAIN_TASK_PRIO		3
//任务堆栈大小	
#define MAIN_STK_SIZE 		50  
//任务句柄
TaskHandle_t MainTask_Handler;
//任务函数
void main_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define WIFI_INIT_TASK_PRIO		4
//任务堆栈大小	
#define WIFI_INIT_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t WifiInitTask_Handler;
//任务函数
void wifi_init_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define WIFI_TASK_PRIO		5
//任务堆栈大小	
#define WIFI_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t WifiTask_Handler;
//任务函数
void wifi_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define TEST_ON_TASK_PRIO		6
//任务堆栈大小	
#define TEST_ON_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t TestOnTask_Handler;
//任务函数
void test_on_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define TEST_OFF_TASK_PRIO		6
//任务堆栈大小	
#define TEST_OFF_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t TestOffTask_Handler;
//任务函数
void test_off_task(void *pvParameters);

// LED灯
#define LED5 GPIO_Pin_5

// ESP8266 RESET
//#define ESP8266_RESET GPIO_Pin_7 // 低电平 reset


/*******************************************************************************
* 函 数 名         : main
* 函数功能		   : 主函数
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
int main()
{
	SysTick_Init(72);
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//设置系统中断优先级分组4
	GPIO_OUT_Init(LED5); // FreeRTOS任务指示灯
	
	AMTHL_Init();
	
	
	//创建开始任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任务函数
                (const char*    )"start_task",          //任务名称
                (uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任务堆栈大小
                (void*          )NULL,                  //传递给任务函数的参数
                (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任务优先级
                (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任务句柄              
    vTaskStartScheduler();          //开启任务调度
}

//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区

	//创建任务指示灯任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )led5_task,     
                (const char*    )"led5_task",   
                (uint16_t       )LED5_STK_SIZE, 
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )LED5_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&LED5Task_Handler); 
	//创建main任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )main_task,     
                (const char*    )"main_task",   
                (uint16_t       )MAIN_STK_SIZE, 
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )MAIN_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&MainTask_Handler);
	//创建wifi任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )wifi_init_task,     
                (const char*    )"wifi_init_task",   
                (uint16_t       )WIFI_INIT_STK_SIZE, 
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )WIFI_INIT_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&WifiInitTask_Handler);
				
    vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务
    taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
} 



void led5_task(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        GPIO_OUT_Set(LED5,1);
        vTaskDelay(200);

        GPIO_OUT_Set(LED5,0);
        vTaskDelay(800);

    }
}

extern unsigned int rec_data[4];
void main_task(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
		DHT11_REC_Data();
        OLED_ShowNum(2,7,rec_data[2],2);
		OLED_ShowNum(2,10,rec_data[3],2);
		OLED_ShowNum(3,7,rec_data[0],2);
		OLED_ShowNum(3,10,rec_data[1],2);
		Delay_ms(2000);// 延时2s 否则DHT11数据不稳定
    }
}

// 一次性任务
void wifi_init_task(void *pvParameters)
{
    
	AMTHL_Connet();
	xTaskCreate((TaskFunction_t )wifi_task,     
			(const char*    )"wifi_task",   
			(uint16_t       )WIFI_STK_SIZE, 
			(void*          )NULL,
			(UBaseType_t    )WIFI_TASK_PRIO,
			(TaskHandle_t*  )&WifiTask_Handler);
	xTaskCreate((TaskFunction_t )test_on_task,     
			(const char*    )"test_on_task",   
			(uint16_t       )TEST_ON_STK_SIZE, 
			(void*          )NULL,
			(UBaseType_t    )TEST_ON_TASK_PRIO,
			(TaskHandle_t*  )&TestOnTask_Handler);
	xTaskCreate((TaskFunction_t )test_off_task,     
			(const char*    )"test_off_task",   
			(uint16_t       )TEST_OFF_STK_SIZE, 
			(void*          )NULL,
			(UBaseType_t    )TEST_OFF_TASK_PRIO,
			(TaskHandle_t*  )&TestOffTask_Handler);

    vTaskDelete(WifiInitTask_Handler);
}

void wifi_task(void *pvParameters)
{
	vTaskDelay(2000);
	
    while(1)
	{
		AMTHL_SendMessage();
		vTaskDelay(10000);
	}
}

// 两个任务以防任务偏向
void test_on_task(void *pvParameters)
{
    while(1)
	{
		if(AMTHL_LED_ON()) // 消除抖动
			Delay_ms(1000);
		vTaskDelay(50);
	}
}

void test_off_task(void *pvParameters)
{
    while(1)
	{
		if(AMTHL_LED_OFF()) // 消除抖动
			Delay_ms(1000);
		vTaskDelay(50);
	}
}

设备：

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#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "ALi_MQTT_Temp_Humi_LED_Device.h"

#include "serial.h"
#include "OLED.h"
#include "esp8266.h"
#include "SysTick.h"
#include "dht11.h"
#include "gpio_out.h"

#define WIFI_SSID		"ssid"
#define WIFI_PASSWORD	"ssidpswd"
#define MQTT_CLIENT_ID	"mqtt_stm32|securemode=2\\,signmethod=hmacsha1\\,timestamp=106|"
#define MQTT_USER_NAME	"mqtt_stm32&kxxxxCq"
#define MQTT_PASSWD		"5DE3xxxxxxxxxEA4C2"
#define BROKER_ASDDRESS	"kxxxxxCq.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com"
#define SUB_TOPIC		"/sys/kxxxxxq/mqtt_stm32/thing/service/property/set"
#define PUB_TOPIC 		"/sys/kxxxxxq/mqtt_stm32/thing/event/property/post"
#define JSON_FORMAT 	"{\\\"params\\\":{\\\"temperature\\\":%u\\,\\\"Humidity\\\":%u}\\,\\\"version\\\":\\\"1.0.0\\\"}"

#define SIGNAL_LED GPIO_Pin_6
#define MQTTPUB_BUF_SIZE 256
extern unsigned int rec_data[4]; // DHT11
extern USART_Buffer ESP8266_Buffer;
void AMTHL_Init(void){
	OLED_Init();
	Serial_Init(115200); // 波特率115200
	ESP8266_Init(115200);
	GPIO_OUT_Init(SIGNAL_LED);
	
	OLED_Clear();
	OLED_ShowString(1,1,"DHT11 Data");
	OLED_ShowString(2,1,"Temp:");
	OLED_ShowString(2,9,".");
	OLED_ShowString(3,1,"Humi:");
	OLED_ShowString(3,9,".");
}

void AMTHL_Connet(void){
	printf("1. Set Station Mode.\r\n");
	ESP8266_Cmd("AT+CWMODE=1","OK",500);
	Delay_ms(1000);
	
	printf("2. Close ESP8266 Echo.\r\n");
	ESP8266_Cmd("ATE0","OK",500);
	Delay_ms(1000);
	
	printf("3. No Auto Connect WIFI.\r\n");
	ESP8266_Cmd("AT+CWAUTOCONN=0\r\n","OK",500);
	Delay_ms(1000);
	
	printf("4. Start Connecting.\r\n");
	ESP8266_Cmd("AT+CWJAP=\""WIFI_SSID"\",\"" WIFI_PASSWORD "\"","OK",200);
	Delay_ms(5000);
	ESP8266_Cmd("AT+MQTTUSERCFG=0,1,\""  MQTT_CLIENT_ID "\",\"" MQTT_USER_NAME "\",\""  MQTT_PASSWD   "\",0,0,\"\"","OK",200);
	Delay_ms(3000);
	ESP8266_Cmd("AT+MQTTCONN=0,\"" BROKER_ASDDRESS  "\",1883,0","OK",200);
	Delay_ms(3000);
	ESP8266_Cmd("AT+MQTTSUB=0,\""  SUB_TOPIC "\",0","OK",200);
	Delay_ms(3000);
}

void AMTHL_SendMessage(void){
	char buf[MQTTPUB_BUF_SIZE];
	unsigned int temp,humi;
	temp = rec_data[2];
	humi = rec_data[0];
	sprintf(buf,"AT+MQTTPUB=0,\"" PUB_TOPIC "\",\"" JSON_FORMAT  "\",0,0",temp,humi);
	ESP8266_Cmd(buf,"OK",200);
	
	printf("Temp: %u degree, Humi: %u %%",temp,humi);
}

uint8_t AMTHL_LED_ON(void){
	if (ESP8266_Buffer.FinishFlag){
		if(ESP8266_Check_Str(ESP8266_Buffer.Body,"{\"LED\":1}")){
			GPIO_OUT_Set(SIGNAL_LED,0); // 开灯
			return 1;
		}
	}
	return 0;
}

uint8_t AMTHL_LED_OFF(void){
	if (ESP8266_Buffer.FinishFlag){
		if(ESP8266_Check_Str(ESP8266_Buffer.Body,"{\"LED\":0}")){
			GPIO_OUT_Set(SIGNAL_LED,1); // 关灯
			return 1;
		}
	}
	return 0;
}

HAL 库

任务配置：

image.png

freertos.c：

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71
72
73
74
75
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "OLED.h"
#include "dht11.h"
#include "usart.h"
#include "esp8266.h"
#include "ali_device.h"
/* USER CODE END Includes */


/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Variables */
extern uint8_t temperature;         
extern uint8_t humidity; 
/* USER CODE END Variables */

// 省略自动生成内容


void led_task_func(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN led_task_func */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
	  // 任务指示灯
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
	osDelay(200);
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
	osDelay(800);
  }
  /* USER CODE END led_task_func */
}


void detect_task_finc(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN detect_task_finc */
	
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {	
	if(AMTHL_LED_ON())
		osDelay(500);
	if(AMTHL_LED_OFF())
		osDelay(500);
	osDelay(50);
  }
  /* USER CODE END detect_task_finc */
}


void ali_mqtt_task_func(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN ali_mqtt_task_func */
  AMTHL_Connet();
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
	// 顺带显示
	DHT11_Read_Data(&humidity,&temperature);
	OLED_ShowNum(2,7,temperature,2);
	OLED_ShowNum(3,7,humidity,2);
	AMTHL_SendMessage();
    osDelay(2000);
  }
  /* USER CODE END ali_mqtt_task_func */
}

设备：

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#include "cmsis_os.h"
#include "usart.h"
#include "esp8266.h"
#include "dht11.h"

#include "OLED.h"

#include "ali_device.h"

#define WIFI_SSID		"ssid"
#define WIFI_PASSWORD	"ssidpswd"
#define MQTT_CLIENT_ID	"mqtt_stm32|securemode=2\\,signmethod=hmacsha1\\,timestamp=106|"
#define MQTT_USER_NAME	"mqtt_stm32&kxxxxCq"
#define MQTT_PASSWD		"5DE3xxxxxxxxxEA4C2"
#define BROKER_ASDDRESS	"kxxxxxCq.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com"
#define SUB_TOPIC		"/sys/kxxxxxq/mqtt_stm32/thing/service/property/set"
#define PUB_TOPIC 		"/sys/kxxxxxq/mqtt_stm32/thing/event/property/post"
#define JSON_FORMAT 	"{\\\"params\\\":{\\\"temperature\\\":%u\\,\\\"Humidity\\\":%u}\\,\\\"version\\\":\\\"1.0.0\\\"}"


#define MQTTPUB_BUF_SIZE 256
char buf[MQTTPUB_BUF_SIZE];

extern uint8_t temperature;         
extern uint8_t humidity; 

//#define MQTTPUB_BUF_SIZE 256

//extern unsigned int rec_data[4]; // DHT11
//extern USART_Buffer ESP8266_Buffer;
void AMTHL_Init(void){
	OLED_Clear();
	OLED_ShowString(1,1,"DHT11");
	OLED_ShowString(2,1,"temp:");
	OLED_ShowString(2,10,"^C");
	OLED_ShowString(3,1,"humi:");
	OLED_ShowString(3,10,"%");

}

void AMTHL_Connet(void){
	printf("1. Set Station Mode.\r\n");
	ESP8266_Cmd((uint8_t*)"AT+CWMODE=1",(uint8_t*)"OK",100);
	osDelay(100);
	
	printf("2. Close ESP8266 Echo.\r\n");
	ESP8266_Cmd((uint8_t*)"ATE0",(uint8_t*)"OK",100);
	osDelay(100);
	
	printf("3. No Auto Connect WIFI.\r\n");
	ESP8266_Cmd((uint8_t*)"AT+CWAUTOCONN=0\r\n",(uint8_t*)"OK",500);
	osDelay(100);
	
	printf("*** Start Connecting. ***\r\n");
	ESP8266_Cmd((uint8_t*)"AT+CWJAP=\""WIFI_SSID"\",\"" WIFI_PASSWORD "\"",(uint8_t*)"OK",1000);
	osDelay(5000);
	ESP8266_Cmd((uint8_t*)"AT+MQTTUSERCFG=0,1,\""  MQTT_CLIENT_ID "\",\"" MQTT_USER_NAME "\",\""  MQTT_PASSWD   "\",0,0,\"\"",(uint8_t*)"OK",200);
	osDelay(3000);
	ESP8266_Cmd((uint8_t*)"AT+MQTTCONN=0,\"" BROKER_ASDDRESS  "\",1883,0",(uint8_t*)"OK",200);
	osDelay(3000);
	ESP8266_Cmd((uint8_t*)"AT+MQTTSUB=0,\""  SUB_TOPIC "\",0",(uint8_t*)"OK",200);
	osDelay(3000);
}

void AMTHL_SendMessage(void){

	sprintf(buf,"AT+MQTTPUB=0,\"" PUB_TOPIC "\",\"" JSON_FORMAT  "\",0,0",temperature,humidity);
	ESP8266_Cmd((uint8_t*)buf,(uint8_t*)"OK",200);
	
	printf("Temp: %u degree, Humi: %u %%",temperature,humidity);
}

uint8_t AMTHL_LED_ON(void){
	if (UART2_Rx_flg){
		if(ESP8266_Check_Str(RxBuf,(uint8_t*)"{\"LED\":1}")){
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,SIGNAL_LED,(GPIO_PinState)0); // 开灯
			return 1;
		}
	}
	return 0;
}

uint8_t AMTHL_LED_OFF(void){
	if (UART2_Rx_flg){
		if(ESP8266_Check_Str(RxBuf,(uint8_t*)"{\"LED\":0}")){
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,SIGNAL_LED,(GPIO_PinState)1); // 关灯
			return 1;
		}
	}
	return 0;
}

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