無線模塊的AT指令UDP透?jìng)髟O(shè)計(jì)

黃玉金 楊越 薛偉 張?zhí)斐?/p>

摘要：ESP8266是一款國產(chǎn)的性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的串口與WiFi橋接器，本文對(duì)單片機(jī)與ESP8266的接口模型和用AT指令配置ESP8266的UDP透?jìng)魍ㄐ胚M(jìn)行了分析與研究，提出了該模式下單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和操作步驟，應(yīng)用在多路溫控RTU設(shè)計(jì)中運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：ESP8266；AT指令；透?jìng)?；編程；WiFi

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.1.006

引言

ESP8266是上海樂鑫公司設(shè)計(jì)的高度集成的WiFiSoC，它具有低功耗、緊湊設(shè)計(jì)和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。ESP8266擁有完整的且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)功能，既能夠獨(dú)立應(yīng)用（集成了32位處理器，帶片上SRAM），也可以用作串口-WiFi橋接模塊，配合其他主機(jī)MCU運(yùn)行。

在獨(dú)立應(yīng)用時(shí)，集成的處理器通過GPIO可以和外部傳感器或模塊進(jìn)行接口，樂鑫提供了專門軟件開發(fā)方案，其一下游模塊生產(chǎn)商安信可（AI-Thinker）提供了Windows下的GUI方式的IDE實(shí)現(xiàn)SDK編程[1]。這種方法需要用戶對(duì)ESP8266及其編程有相當(dāng)?shù)睦斫?，一般需要較長的學(xué)習(xí)和開發(fā)周期。

當(dāng)ESP8266用作橋接模塊配合單片機(jī)（如8051兼容單片機(jī)、ARM Cortex MO、M3等）使用時(shí)，可以采用UART串口、I2C或SPI與主控單片機(jī)接口，但是用得最多的還是串口。借由一套便捷的AT指令[2]，單片機(jī)可以通過工作于station模式的ESP8266模塊快速、穩(wěn)定地連上WiFi，也可以生成WiFi AP，供其他設(shè)備連接，甚至還可以工作于AP和station共存的模式。

ESP8266目前在智能燈泡、插座、開關(guān)等智能電器中有廣泛應(yīng)用，在工業(yè)、科研設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)方案中也被大量采用[3]。筆者在一個(gè)多路溫控記錄項(xiàng)目中就使用這個(gè)模塊設(shè)計(jì)了RTU，該RTU在室外環(huán)境中也工作穩(wěn)定。

本文主要介紹采用AT指令的UDP透?jìng)魍ㄐ诺木幊棠Ｐ驮O(shè)計(jì)。采用UDP透?jìng)?，用戶的主控單片機(jī)可以用類似有線UART的方式實(shí)現(xiàn)WiFi傳輸，可以顯著地降低開發(fā)難度，節(jié)約開發(fā)時(shí)間。

1 ESP8266的AT指令集

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)[2]，ESP8266的AT指令包含4個(gè)類型，用于實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能、WiFi相關(guān)和TCP/IP相關(guān)的功能的操作。

在設(shè)置指令中，根據(jù)設(shè)置參數(shù)的時(shí)間有效性又分為當(dāng)前參數(shù)設(shè)置和永久參數(shù)設(shè)置。當(dāng)前參數(shù)設(shè)置在下一次復(fù)位或被更改前有效，永久設(shè)置在設(shè)置被更改之前均有效。樂鑫為模塊公司提供了AT指令模式的源代碼和SDK，模塊公司往往會(huì)對(duì)這些指令進(jìn)行刪減和調(diào)整（增加私有AT指令），以適應(yīng)更小的FLASH或簡(jiǎn)化應(yīng)用。本文采用安信可（AI Thinker）公司修改后的指令集手冊(cè)[4]進(jìn)行了測(cè)試。

ESP8266的數(shù)據(jù)通信既支持UDP方式，也支持TCP（或SSL）方式。一般認(rèn)為TCP協(xié)議面向連接，提供的服務(wù)更加可靠，但是在單片機(jī)中處理TCP通信控制錯(cuò)誤會(huì)比較麻煩，筆者在設(shè)計(jì)溫控RTU時(shí)就采用了數(shù)據(jù)報(bào)方式的UDP透?jìng)魍ㄐ?。本文?duì)ESP8266的UDP AT指令實(shí)現(xiàn)通信透?jìng)鲿r(shí)的編程設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹和總結(jié)。

2 ESP8266的UDP透?jìng)鞯姆治?/p>

2.1 UDP、IP和端口

UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議），是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議。在TCP/IP模型中，UDP為網(wǎng)絡(luò)層以上和應(yīng)用層以下提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口。

UDP通信被認(rèn)為是不可靠的通信，這里的不可靠主要指兩個(gè)方面：報(bào)文是否送達(dá)不可靠，報(bào)文送達(dá)的順序不可靠。前者是因?yàn)閰f(xié)議的設(shè)計(jì)沒有要求對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，后者是因?yàn)閿?shù)據(jù)報(bào)可能經(jīng)由不同的路由而導(dǎo)致到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間延遲不一致引起的。對(duì)于報(bào)文是否送達(dá)雖然在通信層沒有進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但是用戶（程序設(shè)計(jì)人員）可以在應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)反饋確認(rèn)；而針對(duì)報(bào)文順序問題，考慮到ESP8266更多的是用于低通信載荷的場(chǎng)所，多數(shù)情況一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)就可以傳遞當(dāng)前的全部數(shù)據(jù)，一般也不會(huì)造成困擾。

ESP8266提供WiFi方式連接以太網(wǎng)，WiFi在OSI網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模型的通信層、數(shù)據(jù)層和有線的以太網(wǎng)有一些不同，但是對(duì)使用UDP或是TCP的應(yīng)用者而言并沒有區(qū)別，只是Internet通信的一種具體形式，不會(huì)影響到ESP8266模塊的使用者。

在使用ESP8266進(jìn)行無線通信的開發(fā)時(shí)，還有2個(gè)基本概念需要理解：IP地址和端口號(hào)。在UART通信中，線纜的兩端分別連接不同的設(shè)備，屬于1對(duì)1的通信，兩個(gè)設(shè)備不需要身份設(shè)置就可以相互區(qū)別；而通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上有很多不同的設(shè)備，就必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)記區(qū)別。Internet網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)身份設(shè)置就是IP地址。無論是TCP還是UDP，在通信中都會(huì)涉及到目標(biāo)IP地址和源IP地址，用于對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行標(biāo)記。

端口則是編程的電子工程師需要理解的另一個(gè)重要概念。端口和IP（用于標(biāo)志設(shè)備）一起使用，用于標(biāo)志同一個(gè)設(shè)備中不同的功能或者關(guān)注的不同的通信數(shù)據(jù)。

2.2 ESP8266的工作模式

ESP8266可以工作于3種模式：station模式、AP模式以及station和AP共存模式。工作于AP模式的ESP8266提供與路由器類似的功能，但是最多只能連接4個(gè)station，本文不做分析。在使用ESP8266 AT指令方式的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)所，主要有下面2種形式：

1）主控板通過TTL UART連接ESP8266模塊，通過UART發(fā)送AT指令控制ESP8266連接路由器（AP）工作于station模式（圖1a）。這種模式下，ESP8266和主控板之間相當(dāng)于無線網(wǎng)卡和PC之間的關(guān)系；

2）主控板通過TTL UART連接ESP8266模塊，通過UART發(fā)送AT指令控制ESP8266AP模塊工作于AP+station模式，模塊生成一個(gè)AP，同時(shí)本身也作為station收發(fā)數(shù)據(jù)（圖1b）。這種模式下模塊可以與連接到該模塊所生成的AP的其他模塊或者設(shè)備通信，可用于構(gòu)建小型局域網(wǎng)（最多連接4個(gè)設(shè)備），但是更多的場(chǎng)景還是用于AIR-KISS等無線方式對(duì)該模塊進(jìn)行配置[5]。因?yàn)檫@種方式在應(yīng)用中可能存在多個(gè)連接，需要?jiǎng)討B(tài)傳遞控制信息，不能進(jìn)行透?jìng)?，也不在本文討論之列?/p>

2.3 ESP8266使用注意事項(xiàng)

ESP8266工作于AT指令操作模式時(shí)，為了減少M(fèi)CU解碼的時(shí)間和簡(jiǎn)化內(nèi)部協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，對(duì)AT指令的設(shè)計(jì)和使用有一些額外的要求，在開發(fā)中注意到這些要求，會(huì)顯著提高開發(fā)效率：

1）模塊的默認(rèn)波特率（出廠設(shè)置）是115200bps；

2）AT指令必須大寫，而且以回車換行符"＼r＼n"結(jié)尾；

3）長度和時(shí)間間隔成幀機(jī)制。ESP8266判斷UART傳來的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔，若時(shí)間間隔大于20ms，則認(rèn)為一幀結(jié)束；否則，一直接收數(shù)據(jù)到上限值2KB，認(rèn)為一幀結(jié)束。ESP8266模塊判斷UART來的數(shù)據(jù)一幀結(jié)束后，通過WIFI接口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。成幀時(shí)間間隔為20ms，一幀上限值為2KB。

2.4 AT指令透?jìng)髟O(shè)計(jì)

MCU通過串口和ESP8266連接，發(fā)送控制信息或者數(shù)據(jù)到串口，ESP8266也將控制命令的執(zhí)行情況和收到的數(shù)據(jù)從串口返回。要進(jìn)行透?jìng)餍枰l(fā)送一系列的配置指令，模塊執(zhí)行命令或者傳遞數(shù)據(jù)的時(shí)間也通常不可忽略，而且有些指令會(huì)執(zhí)行失敗，對(duì)程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)。

表1對(duì)進(jìn)行透?jìng)魍ㄐ排渲眠^程中可能會(huì)用到的指令的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。測(cè)試時(shí)將ESP8266恢復(fù)至出廠設(shè)置，近距離（<3米）連接了一個(gè)TPLINK WR845N的家用無線路由器。從表1可以看到，執(zhí)行簡(jiǎn)單的查詢模塊IP的指令耗時(shí)10ms，從給ESP8266發(fā)出連接路由器指令到反饋連接成功耗時(shí)5.2s。在計(jì)算機(jī)上通過串口測(cè)試ESP8266時(shí)，人工交互式執(zhí)行系列指令很方便，如果某指令未能成功執(zhí)行，用戶可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)獲取模塊狀態(tài)，調(diào)整指令輸出成功配置模塊正常工作，但在單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)中如果有些指令的執(zhí)行時(shí)間太長，或者某條指令執(zhí)行失敗，相應(yīng)的程序的運(yùn)行邏輯就變得很復(fù)雜。

在對(duì)ESP8266的指令表進(jìn)行研究之后，發(fā)現(xiàn)在對(duì)ESP8266進(jìn)行透?jìng)髋渲煤?，有一條指令在保存其透?jìng)髟O(shè)置后可以使得模塊上電之后自動(dòng)連接路由器并綁定預(yù)定的遠(yuǎn)程和本地的IP和端口，再次進(jìn)入透?jìng)鳡顟B(tài)。在利用這個(gè)特性之后，主控板檢測(cè)到ESP8266未能正常工作時(shí)，只需復(fù)位重啟模塊即可。對(duì)ESP8266模塊的配置可以使用PC端軟件交互操作，不用在單片機(jī)上額外配置，可以顯著的降低編程難度。

要將ESP8266模塊配置為上電自動(dòng)進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?，一般先在PC上進(jìn)行測(cè)試。在將模塊與USB串口橋接器（如CP2102或CH340）的TX和RX交叉連接后，保證ESP8266模塊有充足的3.3V的電源供應(yīng)，然后按照下面的流程進(jìn)行測(cè)試和配置：

1.測(cè)試模塊是否正確連接，即發(fā)送測(cè)試指令觀察是否有反饋；

a）注意模塊的通信波特率需設(shè)置正確。一般通過給模塊斷電并重新上電觀察是否接收到模塊上電時(shí)從串口輸出的狀態(tài)信息（是否正確顯示）來判斷波特率和電路是否正確連接。

b）發(fā)送AT測(cè)試指令觀察是否有反饋。有的時(shí)候模塊被配置后上電自動(dòng)進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?，從而?dǎo)致AT測(cè)試沒有反應(yīng)，此時(shí)可嘗試發(fā)送"+++"退出透?jìng)?。注意退出透?jìng)髦噶畋仨殕为?dú)發(fā)出，即發(fā)送"+++“時(shí)不能同時(shí)跟隨發(fā)送"＼r＼n"或其他的字符，必須發(fā)送單獨(dú)成幀的"+++"。

2.發(fā)送AT+MODE=1配置模塊工作于透?jìng)髂Ｊ剑?/p>

3.發(fā)送AT+CWJAP="ap"，"pw"配置模塊連接指定的路由器AP；其中ap、pw分別指預(yù)期連接的AP的名稱和密碼；

4.發(fā)送AT+CIPMUX=O配置模塊工作于單連接狀態(tài)：

5.發(fā)送AT+CIPSTA="192.168.x.y"配置模塊使用指定的lP；其中"192.168.x.y"表示預(yù)期的IP；

6.發(fā)送AT+SAVETRANSLINK=1，"192.168.1.8"，51081，"UDP"，51080配置模塊透?jìng)鬟h(yuǎn)端IP"192.168.1.8"和端口51081，自身在51080端口監(jiān)聽：

7.發(fā)送AT+RST或者斷電再加電復(fù)位模塊進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ剑▓D1a）。

經(jīng)過上述配置，當(dāng)ESP8266進(jìn)入透?jìng)鳡顟B(tài)之后，主控板通過TX發(fā)送的數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到遠(yuǎn)端IP綁定的端口，遠(yuǎn)端設(shè)備發(fā)送到本地lP和端口的數(shù)據(jù)也自動(dòng)從RX傳入（圖1a）。

3 結(jié)論

本文用上述方法在設(shè)計(jì)的野外運(yùn)行的多通道溫控系統(tǒng)RTU上實(shí)現(xiàn)了WiFi無線傳輸，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。后又專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)了ESP8266 UDP透?jìng)鞯膱D形化的一鍵配置，可顯著節(jié)約ESP8266 WiFi無線設(shè)計(jì)的開發(fā)時(shí)間。

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