基于ESP8266的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)研究

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(yīng)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(duì)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(jì)出可行的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過簡(jiǎn)單的AT指令語言對(duì)該模塊進(jìn)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(jì)出一個(gè)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架。實(shí)例應(yīng)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(shì)，在智能家居、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)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(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：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(kuò)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(yīng)用最廣泛和成熟的無線技術(shù)有ZigBee、BLE、WiFi、藍(lán)牙等。它們各有所長(zhǎng)，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究較少，且大多是理論研究，實(shí)際應(yīng)用涉及較少。

本文以ESP8266無線模塊為基礎(chǔ)，對(duì)其AT指令進(jìn)行開發(fā)，再將多個(gè)開發(fā)設(shè)置好的無線模塊合理安裝布置，建立簡(jiǎn)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(gè)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(diǎn)，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(gè)節(jié)點(diǎn)通過相關(guān)協(xié)議連接，則整個(gè)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的任何節(jié)點(diǎn)、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(jiǎn)單接上電源即可。

1ESP8266芯片

ESP8266由Espressif設(shè)計(jì)，憑借其高集成度、低功耗、廉價(jià)和易用性等特點(diǎn)，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(yīng)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(yīng)用。ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)芯片，當(dāng)使用WiFi功能時(shí)，可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計(jì)中，連接簡(jiǎn)單易行[1]。ESP8266擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存能力，可通過GPIO數(shù)據(jù)接口集成傳感器，實(shí)現(xiàn)前期開發(fā)和運(yùn)行中系統(tǒng)資源占用最小化。ESP8266最簡(jiǎn)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(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)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(gè)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(jìn)行信息傳輸，必須首先訪問一個(gè)固定的接入點(diǎn)，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(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和STA，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。它們傳輸信息的方式是將信息包從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到信息包到達(dá)目的地。每個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收要傳給其它節(jié)點(diǎn)的信息包，并將它們?cè)俅蝹魉统鋈?。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)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(huì)自動(dòng)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(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直至到達(dá)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(diǎn)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(jī)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(jiǎn)單接上電源即可，它可以自動(dòng)進(jìn)行自我配置，并確定最佳的多跳傳輸路徑。添加或移動(dòng)設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓⒆詣?dòng)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(shì)：

（1）易部署和安裝。安裝無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)非常簡(jiǎn)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(diǎn)擴(kuò)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(diǎn)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(gè)設(shè)備要同時(shí)訪問網(wǎng)絡(luò)，就可能產(chǎn)生通信擁塞并導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行速度降低甚至崩潰。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)設(shè)備可以分別選取當(dāng)前最優(yōu)路徑同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)，因此不會(huì)導(dǎo)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?yàn)殡S著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其它導(dǎo)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(gè)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(shí)現(xiàn)NLOS配置，因此在室外和公共場(chǎng)所有著廣泛的應(yīng)用前景。首先與發(fā)射臺(tái)有直接視距的用戶先接收無線信號(hào)，然后將接收到的信號(hào)通過附近節(jié)點(diǎn)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(kuò)大覆蓋范圍。

（5）健壯性。實(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則信息由其它節(jié)點(diǎn)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(jì)

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(jìn)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(lán)色燈微弱閃爍后熄滅，紅燈長(zhǎng)亮。使用串口調(diào)試軟件，對(duì)ESP8266芯片進(jìn)行AT指令設(shè)置。設(shè)置好波特率為115 200，然后選擇com號(hào)，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A(yù)T+CWSAP=，，，，列出當(dāng)前可用AP，指令A(yù)T+CWLAP，執(zhí)行后終端返回當(dāng)前可連接上的AP列表，或者知道AP的名字，則使用指令A(yù)T+CWJAP=，，終端響應(yīng)OK，則成功加入了該AP。指令A(yù)T+CWLIF可以查看當(dāng)前加入該AP的設(shè)備IP地址及MAC地址。指令A(yù)T+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(jì)

在整個(gè)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，信息傳輸過程如下：首先智能設(shè)備進(jìn)入無線Mesh網(wǎng)絡(luò)范圍后，將自動(dòng)搜索最近、信號(hào)最強(qiáng)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(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，則會(huì)首先向最近、信號(hào)最強(qiáng)的AP發(fā)送信息，然后該AP又會(huì)通過各種路由算法自動(dòng)選擇最佳的下一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)傳送信息，經(jīng)過多次節(jié)點(diǎn)間的路由轉(zhuǎn)發(fā)后，該信息最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。此信息傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在于，如果最近的AP由于信息流量過大而導(dǎo)致?lián)砣瑪?shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的相對(duì)更佳的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直至到達(dá)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(gè)ESP8266芯片的WiFi參數(shù)后，將1號(hào)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(hào)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(gè)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有其它設(shè)備接入該Mesh網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)自動(dòng)選擇最近、信號(hào)最強(qiáng)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(jì)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架如圖4所示。實(shí)例應(yīng)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(jià)、組網(wǎng)靈活、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在公共場(chǎng)所，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(jì)了一個(gè)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)框架。該無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型具有價(jià)格低廉、易安裝部署、結(jié)構(gòu)靈活、高帶寬等優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)大的WiFi功能，其具有開發(fā)簡(jiǎn)單、功耗低、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。將該無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于各種實(shí)際場(chǎng)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(chǎng)所、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）