高 培, 何棟煒

(1.福建商學(xué)院，福建 福州 350012；2.福建工程學(xué)院，福建 福州 350118)

0 引 言

無線數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)代信息通信研究的重要組成部分。在很多領(lǐng)域，比如人員無法到達(dá)的偏僻環(huán)境、高腐蝕性及現(xiàn)場無法利用有線連接的環(huán)境，選擇有線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)顯然己無法滿足數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男枰o線數(shù)據(jù)采集方式就成為了一種有效的替代方式，它與傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息處理等作為現(xiàn)代數(shù)據(jù)監(jiān)測控制的基本技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。

ESP32是樂鑫繼ESP8266后推出的一款集成Wifi功能的藍(lán)牙系統(tǒng)級芯片，基于ESP32的強大的處理能力、低功耗及高速穩(wěn)定的Wifi通信等特點。設(shè)計一套以ESP32主控芯片為核心的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)通過ESP32連接芯片STM32F407進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再使用無線Wifi模塊連接指定網(wǎng)絡(luò)，通過Socket接口與上位機進(jìn)行通訊，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)源模塊(本設(shè)計中使用STM32F407ZG)、ESP32模塊及上位機三部分構(gòu)成。其中ESP32與數(shù)據(jù)源模塊通過SPI接口連接，本設(shè)計中ESP32模塊作為SPI Slave(被動式SPI設(shè)備)，數(shù)據(jù)源模塊作為SPI Master(SPI主動設(shè)備)；ESP32通過AP(無線訪問接入點)，與上位機建立以太網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)運行時，數(shù)據(jù)源模塊周期性地將數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP32模塊，ESP32系統(tǒng)對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，在與上位機保持連接的同時將所采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機，上位機則對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及實時顯示。

圖1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

ESP32作為SPI Slave使用時，只能等待SPI Master發(fā)起通信連接，并根據(jù)主機提供的時鐘信號接收數(shù)據(jù)。STM32F407是由ST(意法半導(dǎo)體)開發(fā)的一種高性能微控制器，作為SPI Master使用時，每個SPI 控制器可以使用多個片選信號(CS0～CS2)來連接多個被動式SPI設(shè)備。圖2為ESP32與STM32F407設(shè)備的通信電氣連接圖，其中CS為片選信號，SCK為時鐘信號，MOSI為主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出線，MISO為從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。

2 系統(tǒng)主程序設(shè)計

ESP32的主程序設(shè)計主要包括兩個模塊，Wifi網(wǎng)絡(luò)配置模塊和線程與隊列模塊。其中Wifi網(wǎng)絡(luò)配置模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)配置，線程與隊列模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能，即：SPI數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送[3]。主程序設(shè)計流程圖見圖3所示，具體包括以下幾個步驟：

1.程序初始化：初始化NVS存儲和Wifi模式配置。

2.連接網(wǎng)絡(luò)，由Wifi網(wǎng)絡(luò)配置模塊連接到指定AP，并獲得AP分配的IP。

3.創(chuàng)建三個線程：SPI數(shù)據(jù)接收線程用于調(diào)用SPI底層驅(qū)動來接收STM32F407發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行緩存；數(shù)據(jù)發(fā)送線程則創(chuàng)建Socket與上位機PC建立無線通信連接，并與SPI接收線程協(xié)同將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機；WEB服務(wù)器線程模塊為上位機提供信息查詢，使上位機可以通過瀏覽器獲取ESP32系統(tǒng)上的運行信息。

圖2 ESP32與STM32F407設(shè)備的通信電氣連接圖

圖3 系統(tǒng)主程序設(shè)計框圖

下面具體介紹每個模塊的功能及程序設(shè)計。

2.1 WIFI網(wǎng)絡(luò)配置模塊程序設(shè)計

2.1.1 WIFI模式選擇

ESP32芯片支持高速穩(wěn)定的WIFI通信，并支持三種模式：“AP”、“STA”、”AP + STA”。本設(shè)計采用STA模式，使用WIFI_init_sta()函數(shù)進(jìn)行STA模式配置[4]。進(jìn)入STA模式之前，需要配置WIFI賬號和密碼才能連接到指定AP。

圖4 STA模式配置流程圖

2.1.2 STA模式配置

STA模式的配置總體流程如圖4所示，使用函數(shù)WIFI_init_sta()完成STA模式配置，具體包括以下工作：

1.創(chuàng)建事件組標(biāo)志，用于識別WIFI連接過程中的各種標(biāo)志位。

2.初始化硬件/軟件：使用“tcpip_adapter_init()”函數(shù)初始化TCP/IP適配層，清空之前保存的IP信息；使用“esp_event_loop_init()”初始化事件調(diào)度器，使事件回調(diào)函數(shù)能夠從初始位置判斷標(biāo)志位。使用“WIFI_init_config_t cfg=WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT()”語句初始化WIFI模塊的底層參數(shù)信息；使用“esp_WIFI_init(&cfg)”初始化WIFI驅(qū)動。

3.對STA模式參數(shù)進(jìn)行配置，把路由器的WIFI賬號、密碼數(shù)據(jù)放入標(biāo)準(zhǔn)變量中。

4.使“esp_WIFI_set_mode(WIFI_MODE_STA)”用來設(shè)置STA模式；esp_WiFi_set_config(ESP_IF_WIFI_STA, &WiFi_config)設(shè)置STA模式的配置信息；“esp_WIFI_start()”語句啟動WIFI狀態(tài)機。

2.2 線程與隊列模塊程序設(shè)計

線程與隊列模塊的程序設(shè)計框圖如圖5所示，主要包括三個線程和一個隊列的程序設(shè)計。三個線程分別是SPI數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)發(fā)送線程和WEB服務(wù)線程，另外為保證ESP32系統(tǒng)及時有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，需要采用隊列來保持SPI數(shù)據(jù)采集線程和數(shù)據(jù)發(fā)送線程之間的數(shù)據(jù)同步[5]。

圖5 線程與隊列模塊的程序設(shè)計框圖

2.2.1 隊列設(shè)計

使用FreeRTOS的隊列“queue”實現(xiàn)SPI數(shù)據(jù)采集線程和數(shù)據(jù)發(fā)送線程之間數(shù)據(jù)同步。

隊列的基本原理是不同的線程任務(wù)或者中斷程序都能夠使用隊列將數(shù)據(jù)寫入，或者讀取數(shù)據(jù)。隊列實際上是一個固定大小的空間，任何線程任務(wù)都可以對它進(jìn)行讀寫。

主程序中語句“queue = xQueueCreate(BLOCK_NUM, sizeof(char *));”用來創(chuàng)建隊列，F(xiàn)reeRTOS會分配固定的空間供線程讀寫數(shù)據(jù)。其中BLOCK_NUM設(shè)置可存儲的數(shù)據(jù)單元個數(shù)與緩沖區(qū)存儲空間個數(shù)一致。參數(shù)2設(shè)置數(shù)據(jù)單元的大小，線程間只需傳遞存儲空間的首地址即可。

2.2.2 SPI數(shù)據(jù)采集線程程序設(shè)計

ESP32通過SPI協(xié)議與STM32F407進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，STM32F407間隔一定的時間向ESP32發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)[6]。

為實現(xiàn)SPI數(shù)據(jù)采集及兩個線程間的數(shù)據(jù)傳遞，同時考慮到ESP32有限的內(nèi)存及SPI底層驅(qū)動機制，程序設(shè)計采用一個環(huán)形緩沖區(qū)來存儲從SPI信號線上接收到的數(shù)據(jù)，環(huán)形存儲器的大小為M * N Bytes，其中M是單個存儲空間的大小，N代表存儲空間個數(shù)。本次設(shè)計中ESP32的SPI底層驅(qū)動采用DMA機制，因此所建立的環(huán)形緩沖空間需要向系統(tǒng)申請DMA訪問用的內(nèi)存空間，需要用到heap_caps_malloc函數(shù)， MALLOC_CAP_DMA，單個存儲空間大小的選擇最好根據(jù)每個周期SPI發(fā)送數(shù)據(jù)的長度選擇，即M為每個周期SPI發(fā)送數(shù)據(jù)長度的整數(shù)倍，同時為了保證網(wǎng)絡(luò)發(fā)送效率，M需要選擇盡量接近MTU大小1300(ESP32不支持分片，且分片影響效率)，每次發(fā)送長度為64Bytes，因此選擇M為64*20=1280Bytes，存儲空間個數(shù)N方面，理論上選擇越大的N，系統(tǒng)運行中緩存空間越大，SPI接收出現(xiàn)錯誤的概率越小，但由于ESP32的內(nèi)存空間有限，N過大會影響其他線程，通過實驗選擇N為5。

SPI數(shù)據(jù)采集程序主要包括：SPI驅(qū)動初始化，環(huán)形緩沖區(qū)初始化，SPI Slave讀取程序。SPI Slave驅(qū)動程序通過操作DMA和SPI控制器與SPI Master進(jìn)行通信，同時對應(yīng)用程序提供訪問接口，詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計可參考文獻(xiàn)[7]。

SPI Slave讀取程序流程為：

1.循環(huán)調(diào)用spi_slave_transmit將當(dāng)前緩沖區(qū)以及接收數(shù)據(jù)信息通過spi_slave_interface_config_t結(jié)構(gòu)體指定給底層驅(qū)動，并啟動SPI接收，線程進(jìn)入掛起狀態(tài)等待接收結(jié)束。

2.接收結(jié)束后，線程繼續(xù)運行，將接收到的數(shù)據(jù)所在存儲空間的首地址通過xQueueSendToBack加入隊列。

3.將當(dāng)前緩沖區(qū)切換為環(huán)形緩沖區(qū)的下一存儲空間，重復(fù)1。

2.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送線程程序設(shè)計

在STA模式下，Socket接口與上位機有兩種建立通信連接的方式，即“TCP模式”和“UDP模式”。由于TCP模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不容易丟失，而UDP模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容易出現(xiàn)錯誤丟失情況，因此本次連接采用TCP模式。

當(dāng)ESP32連接上WIFI并獲取到AP分配的IP后，即可通過Socket接口與上位機建立通訊，發(fā)送獲取到的數(shù)據(jù)。Socket是ESP32和上位機之間建立通訊的接口。ESP32主動對上位機發(fā)起連接請求，上位機在連接前開啟監(jiān)聽的Socket接口，以實時監(jiān)聽客戶端的請求，連接建立完成后，ESP32和上位機即可進(jìn)行通信。ESP32與上位機通信連接建立流程如圖6所示：

主要步驟及具體程序描述如下[8]：

1.定義以下套接字描述符：“sock_fd”監(jiān)聽套接口描述符；“client_fd”數(shù)據(jù)傳輸套接口描述符；“bind_fd”綁定IP/端口套接口描述符。定義本地地址變量“my_addr”，用于保存本地IP與端口號；定義目標(biāo)地址變量“client_addr”，用于保存目標(biāo)機IP及端口號。

2. 使用socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)語句創(chuàng)建Socket監(jiān)聽。

圖6 ESP32與上位機通信連接建立流程圖

3. 將本地的IP、端口號、協(xié)議類型與Socket綁定，主要程序如下：

my_addr.sin_family = AF_INET;

my_addr.sin_port = htons(PORT);

my_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);

bind_fd = bind(sock_fd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(my_addr));

4. 開啟監(jiān)聽Socket使系統(tǒng)處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待上位機的連接請求，使用語句為“l(fā)isten(sock_fd,10)”進(jìn)行監(jiān)聽。

5. 接受上位機的連接請求，使用accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size)語句建立通信socket。

6. 確定連接建立后，調(diào)用xQueueReceive讀取隊列，如果隊列為空，線程掛起直至隊列非空。如果隊列為非空，從隊列中獲取數(shù)據(jù)存儲空間首地址。

7. 使用write(newconn, (char *)tmp, BUF_SIZE)向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送失敗就會返回-1，程序進(jìn)入報錯停止發(fā)送程序；如果發(fā)送數(shù)據(jù)成功會將實際發(fā)送出的字符數(shù)返回，程序回到6。

2.2.4 Web服務(wù)器線程程序設(shè)計

Web 是一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是一種在單個 TCP 連接上進(jìn)行全雙工通訊的協(xié)議。如圖7所示，ESP32連接上WIFI后，會創(chuàng)建一個WEB服務(wù)器線程，該線程用于為上位機提供信息查詢。當(dāng)上位機發(fā)送HTTP請求時，系統(tǒng)會將從SPI接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送成功的數(shù)據(jù)信息返回到上位機的瀏覽器中，方便用戶查詢在數(shù)據(jù)通信過程中是否存在報文丟失。

圖7 WEB服務(wù)線程工作過程示意圖

圖8 硬件設(shè)備連接圖

圖9 ESP32連接至WIFI過程圖

WEB服務(wù)線程程序設(shè)計主要步驟如下[9]：

1.創(chuàng)建Socket連接，并綁定本地IP地址和80端口，用于監(jiān)聽上位機的連接請求。當(dāng)上位機發(fā)出連接請求后，系統(tǒng)會與上位機建立連接，并建立通信socket。創(chuàng)建Socket和建立連接的具體程序設(shè)計可參考3.2.3節(jié)。

2.ESP32讀取上位機發(fā)送的請求數(shù)據(jù)，將其放在recv_buffer的字符型數(shù)組中，通過語句strncmp((char *)recv_buffer, "GET", 3) == 0判斷請求報文前三個字符是否為“GET”,如果是的話會執(zhí)行如下命令：

sprintf(disp,"spi:%d;tcp:%d! ",spi_count,tcp_count);

strcpy(htmldata,htmldata_h); strcat(htmldata,disp); strcat(htmldata,htmldata_t);

write(conn, htmldata, strlen(htmldata));

其中disp為自定義的字符型數(shù)組，用于存放返回的數(shù)據(jù)；spi_count為系統(tǒng)統(tǒng)計接收到的SPI數(shù)據(jù)，tcp_count為系統(tǒng)發(fā)送給上位機的數(shù)據(jù)；htmldata為長度為200的字符型數(shù)組；htmldata_h和htmldata_t定義如下：

char

charhtmldata_t[] ="《/html>";

最后通過write函數(shù)將加上HTML標(biāo)簽的數(shù)據(jù)返回到上位機的瀏覽器中顯示出來。對于需要返回的其它信息也可以由用戶自行定義。

圖10 上位機接收數(shù)據(jù)繪圖

圖11 上位機接收數(shù)據(jù)圖

3 實驗驗證

本次實驗主要通過兩個開發(fā)板進(jìn)行系統(tǒng)搭建，一塊是ESP32-DevKitC，開發(fā)環(huán)境是Ai-ThinkerIDEV1.0，另一塊是STM32F407，兩個開發(fā)板之間的SPI連接原理如圖2所示。由于我們只需要進(jìn)行單向發(fā)送，所以除去VCC和接地線，只需要連接三條線。用杜邦線根據(jù)電路接線圖連接好實物圖，完成后的硬件設(shè)備連接如圖8所示。

圖中每種顏色的杜邦線對應(yīng)條接線，黑色為地線，綠色為串行時鐘信號線，橙色為MOSI數(shù)據(jù)信號線，黃色為片選信號線。

圖12 WEB查詢系統(tǒng)信息圖

實驗主要驗證ESP32與Wifi的連接是否正常，以及是否能正常接收SPI數(shù)據(jù)并通過WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機，同時計算數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中的速率及丟包率。

首先測試ESP32與WiFi的連接，可以采用串口調(diào)試工具打印ESP32輸出的信息，明確ESP32當(dāng)前的運行連接狀態(tài)；系統(tǒng)連接上電后即進(jìn)入了準(zhǔn)備狀態(tài)，按下ESP32 RST鍵，ESP32會自動連接WiFi。通過串口調(diào)試工具可以看到整個WiFi連接過程，如圖9所示

通過圖9可以看到ESP32系統(tǒng)首先會進(jìn)行STA模式配置，當(dāng)完成STA模式配置后會輸出當(dāng)前的用戶名和密碼，接下來AP會為其分配IP地址。當(dāng)打印獲取到IP地址的時候表示ESP32連接AP成功，AP分配的IP地址是192.168.2.30。通過串口打印的提示信息可以看到ESP32系統(tǒng)的準(zhǔn)備過程，其中spi_task on表示SPI數(shù)據(jù)接收線程開啟；Data_trans_task on表示數(shù)據(jù)發(fā)送線程開啟；Data_trans_task listen和Initial_SPI Done表示ESP32系統(tǒng)開啟了SPI的監(jiān)聽端口并完成SPI初始化配置；Http_task on表示W(wǎng)EB服務(wù)線程開啟； Data_trans_task accept表示ESP32系統(tǒng)與上位機已經(jīng)建立了TCP連接并且可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

通過圖10可以看到上位機接收的數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)為38400Bytes，并且數(shù)據(jù)從0開始遞增到2后又重置為0。上位機將接收到的數(shù)據(jù)以后綴為.dat的文件進(jìn)行存儲，打開文件可以看到具體的接收數(shù)據(jù)，如圖11所示，在不考慮浮點數(shù)存儲誤差的情況下，每個數(shù)據(jù)間隔0.001。 最后，為了驗證發(fā)送過程中的成功率，可以通過瀏覽器訪問ESP32系統(tǒng)獲取接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)量，如圖12所示：

其中spi:384000Bytes表示ESP32系統(tǒng)從STM32F407系統(tǒng)接收到的SPI數(shù)據(jù)為384000Bytes。tcp:384000Bytes表示ESP32系統(tǒng)從TCP連接發(fā)送給上位機的數(shù)據(jù)，ESP32系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)量和發(fā)送出去的數(shù)據(jù)量一致，并且通過圖10上位機軟件可以看到上位機接收到的數(shù)據(jù)總量也為384000Bytes，ESP32系統(tǒng)通過Wifi發(fā)送給上位機的數(shù)據(jù)與上位機接收到的數(shù)據(jù)一致，說明數(shù)據(jù)在無線傳輸?shù)倪^程中不存在丟包，丟包率為0%。另外從圖中可以看到數(shù)據(jù)接收時間為6.01S，通過計算可知數(shù)據(jù)傳輸速率為62.5KB/s(500Kbps)。實驗結(jié)果表明本設(shè)計的系統(tǒng)可行有效。

4 結(jié) 論

以STM32F407連接ESP32，ESP32通過WIFE連接上位機為例，針對ESP32無線網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送程序進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計與說明，同時對ESP32系統(tǒng)的WEB服務(wù)程序進(jìn)行設(shè)計，以方便上位機進(jìn)行信息查詢。最后通過硬件平臺測試來驗證應(yīng)用程序有效性和驅(qū)動性能。實驗結(jié)果表明，基于ESP32的無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)程序設(shè)計合理，易于使用，但性能有待進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。未來將進(jìn)一步優(yōu)化硬件及軟件設(shè)計，提高抗干擾及數(shù)據(jù)傳輸效率，提高系統(tǒng)性能。