单片机怎么用json

单片机轻松玩转JSON：数据交互的现代化实践**

在物联网（IoT）、智能设备日益普及的今天，单片机作为核心控制单元，不再仅仅是执行简单逻辑的“裸机”，越来越多地需要与外部世界进行复杂的数据交互，JSON（JavaScript Object Notation）作为一种轻量级、易读易写的数据交换格式，以其结构清晰、易于人阅读和编写、同时也易于机器解析和生成等特点，成为了Web应用和移动应用中数据交互的主流选择，单片机如何使用JSON呢？本文将详细介绍在单片机项目中应用JSON的方法、步骤及注意事项。

为什么单片机要用JSON？

在探讨“怎么用”之前，我们先理解“为什么用JSON”：

标准化与通用性：JSON是一种通用的数据格式，几乎所有现代编程语言和平台都支持其解析和生成，这意味着单片机可以通过JSON格式与服务器、手机App、其他单片机等设备无缝通信。
结构化数据：JSON支持键值对（key-value）的嵌套结构，能够清晰地表示复杂的数据关系，如传感器数据（温度、湿度、光照）、设备状态、配置信息等。
可读性强：JSON文本格式直观，便于调试和开发人员查看数据内容,相比二进制格式更易于排查问题。
易于扩展：当需要增加新的数据字段时，JSON格式可以灵活扩展，而不会破坏原有的数据结构兼容性（前提是解析端能处理新增字段）。

单片机使用JSON的基本步骤

在资源有限的单片机上使用JSON，通常需要借助专门的库来简化操作,基本步骤如下：

选择合适的JSON库：
- 轻量级库：单片机RAM和Flash资源有限，因此应选择轻量级的JSON库，常用的有：
  - ArduinoJson：非常流行，功能强大，API友好,支持多种Arduino平台及部分其他单片机。
  - cJSON：用C语言编写，非常轻量，适用于资源极度紧张的环境,也可移植到各种单片机平台。
  - ujson：另一个轻量级选择,注重性能和内存效率。
- 选择依据：根据单片机的型号（RAM大小、Flash大小）、处理能力以及项目对JSON功能的需求（仅需解析、仅需生成、或两者都需要）来选择。
集成JSON库到项目：
- 对于Arduino平台,通常可以通过库管理器直接安装所选的JSON库。
- 对于其他平台（如STM32、ESP32等），可能需要下载库的源代码，并将其添加到你的工程中,包含相应的头文件。
设计JSON数据结构：
- 在编码之前，先定义好要传输或存储的数据的JSON结构，一个包含温度、湿度和时间戳的传感器数据JSON可以这样设计：
```
{
  "sensor": "DHT22",
  "temperature": 25.6,
  "humidity": 60.2,
  "timestamp": "2023-10-27T10:30:00Z"
}
```
- 确保数据结构简洁明了，避免不必要的嵌套,以减少内存占用和解析时间。

生成JSON字符串（序列化）：

当单片机需要将内部数据以JSON格式发送出去时（通过HTTP请求、MQTT消息、串口等）,就需要将数据对象序列化为JSON字符串。

以ArduinoJson为例：

#include <ArduinoJson.h>
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  StaticJsonDocument<200> doc; // 根据JSON大小分配足够的内存
  // 向JSON对象中添加数据
  doc["sensor"] = "DHT22";
  doc["temperature"] = 25.6;
  doc["humidity"] = 60.2;
  doc["timestamp"] = "2023-10-27T10:30:00Z";
  // 序列化为JSON字符串
  String jsonString;
  serializeJson(doc, jsonString);
  Serial.println("Generated JSON:");
  Serial.println(jsonString);
}
void loop() {
  // nothing to do here
}

这里StaticJsonDocument是在编译时分配内存，适合大小固定的JSON；还有DynamicJsonDocument可在运行时分配内存,更灵活但占用稍多。

解析JSON字符串（反序列化）：

当单片机接收到来自外部的JSON字符串时（从服务器获取的配置指令）,需要将其解析成可操作的数据结构。

以ArduinoJson为例：

#include <ArduinoJson.h>
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  String receivedJson = "{\"sensor\":\"DHT22\",\"temperature\":25.6,\"humidity\":60.2,\"timestamp\":\"2023-10-27T10:30:00Z\"}";
  StaticJsonDocument<200> doc; // 分配与JSON大小匹配的内存
  // 反序列化
  DeserializationError error = deserializeJson(doc, receivedJson);
  if (error) {
    Serial.print("deserializeJson() failed: ");
    Serial.println(error.c_str());
    return;
  }
  // 提取数据
  const char* sensor = doc["sensor"]; // 使用const char*获取字符串
  float temperature = doc["temperature"];
  float humidity = doc["humidity"];
  const char* timestamp = doc["timestamp"];
  Serial.println("Parsed JSON:");
  Serial.print("Sensor: "); Serial.println(sensor);
  Serial.print("Temperature: "); Serial.println(temperature);
  Serial.print("Humidity: "); Serial.println(humidity);
  Serial.print("Timestamp: "); Serial.println(timestamp);
}
void loop() {
  // nothing to do here
}

单片机使用JSON的注意事项

内存管理是关键：
- 单片机的RAM通常非常有限（几KB到几十KB），而JSON解析和生成需要分配内存缓冲区，务必根据JSON数据的大小合理分配JsonDocument的内存，既要避免不足导致解析失败,也要避免过度浪费。
- 对于不确定大小的JSON，可以考虑使用DynamicJsonDocument,但要小心内存碎片和溢出风险。
错误处理：
- JSON字符串可能格式错误、缺失字段或数据类型不匹配，解析时务必检查返回值（如ArduinoJson的DeserializationError），进行适当的错误处理,避免程序崩溃。
性能考虑：

JSON解析和生成会消耗CPU时间和内存资源，在资源极其紧张或对实时性要求极高的场景，如果数据量不大且结构固定，可以考虑使用更简单的自定义文本格式或二进制格式，但对于大多数应用,JSON的开销是可以接受的。
字符串处理：
- JSON是基于文本的，涉及到字符串操作，单片机上的字符串处理函数（如strcpy, strlen等）要小心使用，避免缓冲区溢出，Arduino的String类方便但可能存在内存碎片问题，在资源紧张时可以考虑使用字符数组（C-style strings）。
数据类型匹配：
- 解析JSON时，要确保从JSON中获取的数据类型与变量类型匹配，JSON中的数字可能是整数也可能是浮点数，需要根据实际情况选择正确的doc["key"]访问方式（如as<int>(), as<float>()）。

实践建议与进阶

从小处着手：先尝试简单的JSON结构（只有键值对，无嵌套）,再逐步过渡到复杂嵌套结构。
利用调试工具：使用在线JSON格式化/验证工具（如JSONLint）来验证你生成或接收的JSON字符串是否合法。
模块化设计：将JSON的生成和解析功能封装成独立的函数或类,提高代码的可读性和复用性。
结合通信协议：JSON常与HTTP/HTTPS、MQTT、CoAP等协议结合使用，实现单片机与云平台或移动端的数据交互，ESP8266/ESP32可以通过HTTP POST发送JSON数据到服务器。
考虑CBOR：如果对数据大小和解析效率有极致追求，可以考虑CBOR（Concise Binary Object Representation），它是一种二进制格式的JSON-like数据格式，更紧凑，解析更快,但可读性稍差。

尽管单片机资源有限，但通过选择合适的轻量级JSON库，并合理进行内存管理和错误处理，完全可以在单片机上实现JSON数据的生成和解析，这极大地扩展了单片机的数据交互能力，使其能够更好地融入现代化的物联网生态系统，单片机使用JSON的技能，对于开发智能、互联的嵌入式产品至关重要,希望本文能为你在单片机项目中应用JSON提供有益的参考。