作者 / 黄玉金1,2 杨越1,2 薛伟1,2 张天成3
1.中国地质大学(武汉)主动化学院(湖北 武汉 430074)
2.杂乱体系先进操控与智能主动化湖北省要点实验室(湖北 武汉 430074)
3.武汉朗德电气有限公司(湖北 武汉 430223)
*基金项目：国家自然科学基金(编号：61503350)
黄玉金(1978-)，硕士，讲师，研讨方向：无损检测技能和智能仪器规划。
摘要：ESP8266是一款国产的功用安稳、价格低廉的串口与WiFi桥接器，本文对单片机与ESP8266的接口模型和用AT指令装备ESP8266的UDP透传通讯进行了剖析与研讨，提出了该办法下单片机程序规划的一种简化结构和操作过程，运用在多路温控RTU规划中运转安稳。
导言
ESP8266是上海乐鑫公司规划的高度集成的 WiFi SoC，它具有低功耗、紧凑规划和高安稳性的特色。ESP8266具有完好的且自成体系的 WiFi 网络功用，既能够独立运用(集成了32位处理器，带片上SRAM)，也能够用作串口-WiFi桥接模块，合作其他主机 MCU运转。
在独立运用时，集成的处理器经过GPIO能够和外部传感器或模块进行接口，乐鑫供给了专门软件开发计划，其一下流模块生产商安信可(AI-Thinker)供给了Windows下的GUI办法的IDE完成SDK编程[1]。这种办法需求用户对ESP8266及其编程有适当的了解，一般需求较长的学习和开发周期。
当ESP8266用作桥接模块合作单片机(如8051兼容单片机、ARM Cortex M0、M3等)运用时，能够选用UART串口、I2C或SPI与主控单片机接口，可是用得最多的仍是串口。借由一套快捷的AT指令[2]，单片机能够经过作业于station办法的ESP8266模块快速、安稳地连上WiFi，也能够生成WiFi AP，供其他设备衔接，乃至还能够作业于AP和station共存的办法。
ESP8266现在在智能灯泡、插座、开关等智能电器中有广泛运用，在工业、科研设备的联网计划中也被许多选用[3]。笔者在一个多路温控记载项目中就运用这个模块规划了RTU，该RTU在室外环境中也作业安稳。
本文首要介绍选用AT指令的UDP透传通讯的编程模型规划。选用UDP透传，用户的主控单片机能够用相似有线UART的办法完成WiFi传输，能够明显地下降开发难度，节省开发时刻。
1 ESP8266的AT指令集
依据数据手册[2]，ESP8266的AT指令包括4个类型，用于完成根底功用、WiFi相关和TCP/IP相关的功用的操作。
在设置指令中，依据设置参数的时刻有用性又分为当时参数设置和永久参数设置。当时参数设置鄙人一次复位或被更改前有用，永久设置在设置被更改之前均有用。乐鑫为模块公司供给了AT指令办法的源代码和SDK，模块公司往往会对这些指令进行删减和调整(添加私有AT指令)，以习惯更小的FLASH或简化运用。本文选用安信可(AI Thinker)公司修改后的指令集手册[4]进行了测验。
ESP8266的数据通讯既支撑UDP办法，也支撑TCP(或SSL)办法。一般以为TCP协议面向衔接，供给的服务愈加牢靠，可是在单片机中处理TCP通讯操控过错会比较费事，笔者在规划温控RTU时就选用了数据报办法的UDP透传通讯。本文对ESP8266的UDP AT指令完成通讯透传时的编程规划进行了介绍和总结。
2 ESP8266的UDP透传的剖析
2.1 UDP、IP和端口
UDP(User Datagram Protocol,用户数据包协议)，是一个简略的面向数据报的传输层协议。在TCP/IP模型中，UDP为网络层以上和运用层以下供给了一个简略的接口。
UDP通讯被以为是不牢靠的通讯，这儿的不牢靠首要指两个方面：报文是否送达不牢靠，报文送达的次序不牢靠。前者是由于协议的规划没有要求对发送的数据进行承认，后者是由于数据报或许经由不同的路由而导致抵达方针的时刻延迟不一致引起的。关于报文是否送达虽然在通讯层没有进行完成，可是用户(程序规划人员)能够在运用层面完成反应承认;而针对报文次序问题，考虑到ESP8266更多的是用于低通讯载荷的场所，大都状况一个数据报就能够传递当时的悉数数据，一般也不会形成困扰。
ESP8266供给WiFi办法衔接以太网，WiFi在OSI网络互联模型的通讯层、数据层和有线的以太网有一些不同，可是对运用UDP或是TCP的运用者而言并没有差异，仅仅Internet通讯的一种详细办法，不会影响到ESP8266模块的运用者。
在运用ESP8266进行无线通讯的开发时，还有2个基本概念需求了解：IP地址和端口号。在UART通讯中，线缆的两头别离衔接不同的设备，归于1对1的通讯，两个设备不需求身份设置就能够彼此差异;而经过网络进行信息传输时，由于网络上有许多不同的设备，就有必要对设备进行符号差异。Internet网络中，这个身份设置便是IP地址。无论是TCP仍是UDP，在通讯中都会涉及到方针IP地址和源IP地址，用于对不同设备进行符号。
端口则是编程的电子工程师需求了解的另一个重要概念。端口和IP(用于标志设备)一同运用，用于标志同一个设备中不同的功用或许重视的不同的通讯数据。
2.2 ESP8266的作业办法
ESP8266能够作业于3种办法：station办法、AP办法以及station和AP共存办法。作业于AP办法的ESP8266供给与路由器相似的功用，可是最多只能衔接4个station，本文不做剖析。在运用ESP8266 AT指令办法的进行数据交换的场所，首要有下面2种办法：
1)主控板经过TTL UART衔接 ESP8266模块，经过UART发送AT指令操控ESP8266衔接路由器(AP)作业于station办法(图1a)。这种办法下，ESP8266和主控板之间适当于无线网卡和PC之间的联系;
2)主控板经过TTL UART衔接 ESP8266模块，经过UART发送AT指令操控ESP8266AP模块作业于AP+station办法，模块生成一个AP，一起自身也作为station收发数据(图1b)。这种办法下模块能够与衔接到该模块所生成的AP的其他模块或许设备通讯，可用于构建小型局域网(最多衔接4个设备)，可是更多的场景仍是用于AIR-KISS等无线办法对该模块进行装备[5]。由于这种办法在运用中或许存在多个衔接，需求动态传递操控信息，不能进行透传，也不在本文评论之列。
2.3 ESP8266运用留意事项
ESP8266作业于AT指令操作办法时，为了削减MCU解码的时刻和简化内部协议栈的规划，对AT指令的规划和运用有一些额定的要求，在开发中留意到这些要求，会明显进步开发功率：
1) 模块的默许波特率(出厂设置)是115200bps;
2)AT指令有必要大写，并且以回车换行符"\r\n"完毕;
3)长度和时刻距离成帧机制。ESP8266 判别UART传来的数据时刻距离， 若时刻距离大于20ms，则以为一帧完毕;不然，一向接纳数据到上限值2KB，以为一帧完毕。ESP8266模块判别UART来的数据一帧完毕后，经过WIFI接口将数据转宣布去。成帧时刻距离为20ms，一帧上限值为2KB。
2.4 AT指令透传规划
MCU经过串口和ESP8266衔接，发送操控信息或许数据到串口，ESP8266也将操控指令的履行状况和收到的数据从串口回来。要进行透传需求发送一系列的装备指令，模块履行指令或许传递数据的时刻也一般不行疏忽，并且有些指令会履行失利，对程序结构的规划带来巨大应战。
表1对进行透传通讯装备过程中或许会用到的指令的履行时刻进行了核算。测验时将ESP8266康复至出厂设置，近距离( <3米)衔接了一个TPLINK WR845N的家用无线路由器。从表1能够看到，履行简略的查询模块IP的指令耗时10ms，从给ESP8266宣布衔接路由器指令到反应衔接成功耗时5.2s。在核算机上经过串口测验ESP8266时，人工交互式履行系列指令很便利，假如某指令未能成功履行，用户能够依据需求动态获取模块状况，调整指令输出成功装备模块正常作业，但在单片机的程序规划中假如有些指令的履行时刻太长，或许某条指令履行失利，相应的程序的运转逻辑就变得很杂乱。
在对ESP8266的指令表进行研讨之后，发现在对ESP8266进行透传装备后，有一条指令在保存其透传设置后能够使得模块上电之后主动衔接路由器并绑定预订的长途和本地的IP和端口，再次进入透传状况。在运用这个特性之后，主控板检测到ESP8266未能正常作业时，只需复位重启模块即可。对ESP8266模块的装备能够运用PC端软件交互操作，不用在单片机上额定装备，能够明显的下降编程难度。
要将ESP8266模块装备为上电主动进入透传办法，一般先在PC上进行测验。在将模块与USB串口桥接器(如CP2102或CH340)的TX和RX穿插衔接后，确保ESP8266模块有足够的3.3V的电源供给，然后按照下面的流程进行测验和装备：
1.测验模块是否正确衔接，即发送测验指令调查是否有反应;
a)留意模块的通讯波特率需设置正确。一般经过给模块断电并从头上电调查是否接纳到模块上电时从串口输出的状况信息(是否正确显现)来判别波特率和电路是否正确衔接。
b)发送AT测验指令调查是否有反应。有的时分模块被装备后上电主动进入透传办法，然后导致AT测验没有反应，此刻可测验发送"+++"退出透传。留意退出透传指令有必要独自宣布，即发送"+++"时不能一起跟从发送"\r\n"或其他的字符，有必要发送独自成帧的"+++"。
2.发送 AT+MODE=1 装备模块作业于透传办法;
3.发送 AT+CWJAP="ap","pw" 装备模块衔接指定的路由器AP;其间ap、pw别离指预期衔接的AP的称号和暗码;
4.发送 AT+CIPMUX=0 装备模块作业于单衔接状况;
5.发送 AT+CIPSTA="192.168.x.y" 装备模块运用指定的IP;其间 "192.168.x.y" 表明预期的IP;
6.发送 AT+SAVETRANSLINK=1，"192.168.1.8"，51081,"UDP"，51080 装备模块透传远端IP "192.168.1.8" 和端口51081，自身在51080端口监听;
7.发送 AT+RST 或许断电再加电复位模块进入透传办法(图1a)。
经过上述装备，当ESP8266进入透传状况之后，主控板经过TX发送的数据主动发送到远端IP绑定的端口，远端设备发送到本地IP和端口的数据也主动从RX传入(图1a)。
3 定论
本文用上述办法在规划的户外运转的多通道温控体系RTU上完成了WiFi无线传输，运转安稳牢靠。后又专门规划了相应的软件完成了ESP8266 UDP透传的图形化的一键装备，可明显节省ESP8266 WiFi无线规划的开发时刻。
参考文献：
[1]曹振民,陈年生,马强,等.根据ESP8266的无线操控电路规划[J].工业操控核算机,2017,(01):68-69.
[2] Espressif Systems (Shanghai) Pte., Ltd., ESP8266 AT Instruction Set, Ver2.1.0, 2017.
[3]范兴隆.ESP8266在智能家居监控体系中的运用[J].单片机与嵌入式体系运用,2016,(09):52-56.
[4]深圳市安信可科技有限公司,Espressif AT指令集(安信可修改版),Ver0.21,2015.
[5]罗光玮.无线网络环境手机快速装备智能硬件办法研讨[D].华中科技大学,2015.
本文来源于《电子产品世界》2018年第1期第34页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
