楊偉彪

摘要：隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及各種智能設(shè)備的普及，智能設(shè)備間的信息交流越發(fā)重要，其中無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是其應用的關(guān)鍵。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種自組多跳的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在對esp8266無線模塊基本開發(fā)及無線Mesh網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的支持下，設(shè)計出可行的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過簡單的AT指令語言對該模塊進行無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)設(shè)置，分析無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸過程，最終設(shè)計出一個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架。實例應用表明，該無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架具有易安裝、結(jié)構(gòu)靈活、健壯等優(yōu)勢，在智能家居、物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域具有很高的實用價值。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：WiFi；ESP8266；無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；AT指令

DOIDOI：10.11907/rjdk.172250

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011021803

0引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各種智能設(shè)備逐漸普及，用戶之間的信息傳輸逐漸由人與人擴展到人與物、物與物之間，而其中信息傳輸交流的關(guān)鍵就是無線通訊技術(shù)。無線通訊技術(shù)有很多種，應用最廣泛和成熟的無線技術(shù)有ZigBee、BLE、WiFi、藍牙等。它們各有所長，分別適用于不同的應用場景。本文研究的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)則是一種新型的多跳無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實現(xiàn)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。目前，國內(nèi)對該技術(shù)的研究較少，且大多是理論研究，實際應用涉及較少。

本文以ESP8266無線模塊為基礎(chǔ)，對其AT指令進行開發(fā)，再將多個開發(fā)設(shè)置好的無線模塊合理安裝布置，建立簡單的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型。由于ESP8266具有AP+STA共存模式，因此各模塊之間可以互相連接組成一個特殊的無線局域網(wǎng)，而外部的各種智能終端可以通過相關(guān)協(xié)議連接最近、最穩(wěn)定的無線節(jié)點，若要連上外部互聯(lián)網(wǎng)，只需將無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點通過相關(guān)協(xié)議連接，則整個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的任何節(jié)點、設(shè)備都能訪問互聯(lián)網(wǎng)。若要添加新的無線設(shè)備，只需簡單接上電源即可。

1ESP8266芯片

ESP8266由Espressif設(shè)計，憑借其高集成度、低功耗、廉價和易用性等特點，成為近年來無線物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最受歡迎的一款芯片。ESP8266無線模塊接口豐富，支持UART、PWM、GPIO、ADC等，具有3種天線接口形式：板載PCB天線、IPEX接口和郵票孔接口、板載PCB天線和IPEX。內(nèi)置32位MCU，可兼作應用處理器，支持STA/AP/STA+AP 3種工作模式，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接，支持豐富的SocketAT指令，能耗超低，適合電池供電應用。ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)芯片，當使用WiFi功能時，可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計中，連接簡單易行[1]。ESP8266擁有強大的數(shù)據(jù)處理和儲存能力，可通過GPIO數(shù)據(jù)接口集成傳感器，實現(xiàn)前期開發(fā)和運行中系統(tǒng)資源占用最小化。ESP8266最簡單的芯片模型如圖1所示。

圖1ESP8266結(jié)構(gòu)

2無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳（Multihop）”網(wǎng)絡(luò)，是一種具有自組織、結(jié)構(gòu)靈活、高速率、易安裝、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)勢的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，是與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)（WLAN）中，每個終端都通過一條與路由器相連的無線路徑訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶之間要進行信息傳輸，必須首先訪問一個固定的接入點，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可以同時作為AP和STA，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個節(jié)點進行直接通信。它們傳輸信息的方式是將信息包從一個節(jié)點傳遞到另一個節(jié)點，直到信息包到達目的地。每個網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點接收要傳給其它節(jié)點的信息包，并將它們再次傳送出去。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于：如果最近一條路徑由于流量過大而停止工作，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)會自動改變信息包的路由，使它們穿過一條替代路徑，則數(shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸，直至到達最終目的地，這樣的訪問方式就是多跳訪問。與傳統(tǒng)交換式網(wǎng)絡(luò)相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)去掉了節(jié)點之間的布線需求，但仍具有分布式網(wǎng)絡(luò)所提供的冗余機制和重新路由功能[2]。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)里，如果要添加新的設(shè)備，只需簡單接上電源即可，它可以自動進行自我配置，并確定最佳的多跳傳輸路徑。添加或移動設(shè)備時，網(wǎng)絡(luò)能夠自動發(fā)現(xiàn)拓撲變化并自動調(diào)整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。與傳統(tǒng)單跳網(wǎng)絡(luò)相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢：

（1）易部署和安裝。安裝無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點非常簡單，只需在合理位置將智能設(shè)備接上電源即可，因此，用戶可以很容易通過增加新的節(jié)點擴大無線Mesh網(wǎng)絡(luò)容量。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，大多Mesh節(jié)點都不需用有線電纜連接。

（2）結(jié)構(gòu)靈活。在單跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備必須共享路由。如果有多個設(shè)備要同時訪問網(wǎng)絡(luò)，就可能產(chǎn)生通信擁塞并導致系統(tǒng)運行速度降低甚至崩潰。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，多個設(shè)備可以分別選取當前最優(yōu)路徑同時連接到網(wǎng)絡(luò)，因此不會導致系統(tǒng)性能降低。

（3）高帶寬。無線通信的物理特性決定了信息傳輸距離越短就越容易獲得高帶寬，因為隨著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其它導致數(shù)據(jù)丟失的因素隨之增加。而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸原理正是經(jīng)多個短跳傳輸數(shù)據(jù)，因此其相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬。

（4）非視距傳輸（NLOS）。利用無線Mesh技術(shù)可以很容易地實現(xiàn)NLOS配置，因此在室外和公共場所有著廣泛的應用前景。首先與發(fā)射臺有直接視距的用戶先接收無線信號，然后將接收到的信號通過附近節(jié)點一步步轉(zhuǎn)發(fā)給非直接視距的用戶。因此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠輕易擴大覆蓋范圍。

（5）健壯性。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)健壯性的方法通常是使用多路由器傳輸數(shù)據(jù)。如果某個節(jié)點發(fā)生故障，則信息由其它節(jié)點通過備用路徑傳送。而Mesh網(wǎng)絡(luò)原理正是如此，因此它比單跳網(wǎng)絡(luò)更加健壯[3]。endprint

3系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

3.1ESP8266硬件程序開發(fā)

由于ESP8266本身帶有AT固件，因此可以串口轉(zhuǎn)WiFi使用，采用AT指令進行基本開發(fā)。ESP8266模塊可以工作在3種模式：STA、AP、AP+STA。將ESP8266芯片與USB轉(zhuǎn)串口線連接好后，將USB接口與電腦連接，上電后，藍色燈微弱閃爍后熄滅，紅燈長亮。使用串口調(diào)試軟件，對ESP8266芯片進行AT指令設(shè)置。設(shè)置好波特率為115 200，然后選擇com號，打開串口，輸入AT后，返回OK則ESP8266芯片正常。初始化ESP8266芯片，設(shè)置WiFi工作模式的AT指令為AT+CWMODE=3，此模式為AP+STA模式，然后設(shè)置WiFi相關(guān)參數(shù)，指令AT+CWSAP=，，，，列出當前可用AP，指令AT+CWLAP，執(zhí)行后終端返回當前可連接上的AP列表，或者知道AP的名字，則使用指令AT+CWJAP=，，終端響應OK，則成功加入了該AP。指令AT+CWLIF可以查看當前加入該AP的設(shè)備IP地址及MAC地址。指令AT+CIPSTAMAC=設(shè)置STA的MAC地址，AT+CIPAPMAC=設(shè)置AP的MAC地址，AT+CIPAP=，設(shè)置AP的IP地址，AT+CIPSTA=，設(shè)置STA的IP地址。ESP8266芯片的WiFi設(shè)置如圖2所示。

圖2ESP8266WIIF設(shè)置

3.2無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計

在整個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，信息傳輸過程如下：首先智能設(shè)備進入無線Mesh網(wǎng)絡(luò)范圍后，將自動搜索最近、信號最強的WiFi，輸入密碼后則連入了該無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，該設(shè)備若要與Mesh網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點進行信息傳輸，則會首先向最近、信號最強的AP發(fā)送信息，然后該AP又會通過各種路由算法自動選擇最佳的下一個AP節(jié)點傳送信息，經(jīng)過多次節(jié)點間的路由轉(zhuǎn)發(fā)后，該信息最終到達目標節(jié)點。此信息傳輸?shù)膬?yōu)勢在于，如果最近的AP由于信息流量過大而導致?lián)砣?，?shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流量較小的相對更佳的鄰近節(jié)點進行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包最終根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況，不斷路由到與之最近、最佳的下一個節(jié)點進行傳輸，直至到達最終目的地，其過程如圖3所示。

圖3信息傳輸

在設(shè)置好多個ESP8266芯片的WiFi參數(shù)后，將1號ESP8266芯片以STA連接上附近的路由器，由于ESP8266芯片具有AP+STA模式，因此其它ESP8266芯片可以互相連接，各芯片間的數(shù)據(jù)信息傳輸將通過相關(guān)路由協(xié)議合理選擇最佳路徑，1號芯片連接上路由器后，通過相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接上互聯(lián)網(wǎng)，就組建成一個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。當有其它設(shè)備接入該Mesh網(wǎng)絡(luò)，將會自動選擇最近、信號最強的AP，若該設(shè)備也具有AP功能，也可以讓其它設(shè)備接入其WiFi。最終設(shè)計的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架如圖4所示。實例應用表明，該無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架具有模塊化、多頻、多信道、覆蓋范圍廣、廉價、組網(wǎng)靈活、可靠性強等優(yōu)勢，在公共場所，物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域發(fā)展前景良好。

圖4無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架

4結(jié)語

本文基于ESP8266WiFi芯片的軟硬件開發(fā)，研究設(shè)計了一個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架。該無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型具有價格低廉、易安裝部署、結(jié)構(gòu)靈活、高帶寬等優(yōu)勢，各種智能設(shè)備可以快速接入該Mesh網(wǎng)絡(luò)，信息傳輸更快更好。通過本文研究，可以了解ESP8266芯片的AT指令開發(fā)。ESP8266芯片具有強大的WiFi功能，其具有開發(fā)簡單、功耗低、價格低廉等優(yōu)點。將該無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型應用于各種實際場所，能夠?qū)崿F(xiàn)各種智能設(shè)備之間的信息訪問和控制。該芯片及無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型框架將在智能家居、公共場所、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應用。

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