物联网技术入门——系列文章2

上一篇博客主要谢了传感器节点（上一篇叫采集节点，我觉得在物联网中叫传感节点更合适）的电路设计，这一篇介绍传感器节点的软件设计。

传感器节点的软件主要完成两项任务：感知和WiFi通信。感知这块比较简单，主要是AD的控制。在使用之前，仔细阅读STM32的说明书，设置好与AD有关的IO、时钟、工作方式等，并适时启动AD以及读取转换值即可。不过值得一提的是STM32支持DMA通道，在DMA模式下，可以设置AD转换后的值存放到DMA通道的入口地址处，DMA通道的出口地址可以指向自定义的一段缓存，或者串口、SPI等通信端口的写入地址，这样无需CPU过问，AD转换后的值就可以被直接送到指定缓存或者通信外设的写入地址，可以减轻CPU的负担，因此建议使用DMA通道。

WiFi通信是软件设计的难点，好在大多数工作都被前人完成了，我们只需站在巨人的肩膀上关注我们的应用就可以了。

要实现WIFI通信，至少要实现WIFI驱动以及TCP/IP协议，大体结构如下图所示：

最底层是WIFI芯片，再上层是WIFI驱动层（包括SDIO驱动和WLAN驱动），最上层是TCP/IP协议层，TCP/IP协议层使用LWIP协议栈。

1. WIFI驱动

Marvell 88w8686 WiFi模块驱动主要包括802.11协议驱动和SDIO接口驱动两部分。如图。

802.11协议驱动组成包含802.11一些特点，比如扫描，连接，以及802.11d，8.2.11h，WMM等，与上层application应用层（无线工具等）实现信息交互，总线驱动连接部分位于8.2.11协议驱动和SDIO接口驱动之间，主要为无线局域网模块和低级总线驱动模块提供信息交互的接口。SDIO总线上的命令都是由host端发起请求的，后由设备回应请求。设备在与host通信之前，需要在host发出命令后，由设备对读到的命令进行解析，才能实现正常的通信。在SDIO驱动过程中，Command用于开始传输的命令，是由host端发往设备端，Response回应是设备返回的host命令，作为Command的回应，通过CMD传送。Data数据是双向传送的，可以设置为不同的模式，数据通过信号线DATn传输。SDIO每次操作都是由host在CMD线上发起一个CMD，对于有的CMD，设备需要返回一个Response，有的则不需要。WiFi Firmware是WiFi设备硬件中执行的一段程序，由WiFi驱动将其通过SDIO接口下载到WiFi模块中，主要功能是实现WiFi硬件接口控制，数据缓冲、数据帧的转换、MAC层管理和中断管理等。

在通过无线局域网传输数据的过程中，需要完成安全性设计，即数据加密。我们采用WPA认证，WPA又名PSK，长度一般为8~63字节，它通过一定的算法可以得到PMK。认证的时候会生成一个PTK，这是一组密钥。PTK加上报文数据采用一定的算法，得到密文，同时得到一个签名。认证的原理是在获取所有参数后，客户端发出一个MIC，把原文同MIC一起发给AP，AP采用相同的参数和算法计算出MIC，并与客户端发过来的比较，如果一致，则认证通过，否则失败。

2. LWIP协议栈

LwIP是用于嵌入式系统的开源裁剪版TCP/IP协议栈，可运行在无操作系统的平台上，整个协议栈实现了基本的IP、ICMP、UDP、TCP协议。它只需要十几KB的RAM和40K的ROM就可运行，尤其适用于内存资源有限的嵌入式系统。

典型的 LWIP 应用系统包括这样的三个进程：首先启动的是上层应用程序进程，然后是 LWIP 协议栈进程，最后是底层硬件数据包接收发送进程。通常 LWIP协议栈进程是在应用程序中调用 LWIP 协议栈初始化函数来创建的。但是在初始化LwIP协议栈之前，需要将各协议移植到开发板上，使其支持TCP和UDP两种方式。LwIP主要包括以下子目录：存放应用程序接口文件子目录、提供核心代码文件的core子目录、提供整个协议栈使用头文件的子目录、提供网络接口驱动程序基本框架的netif子目录和移植过程中自定义的子目录。移植LwIP协议栈，还需要完成对头文件的定义。

LWIP简化了传统的OSI七层模型，只保留了网络接口层、网络层、传输层和应用层，各层数据包接收与发送的全过程如图。

WIFI驱动和LWIP协议栈包含的东西实在太多，要花大量的时间才可能研究透彻，我实在没这个精力，所以也只知道个大概。如果感兴趣，可以阅读老衲五木的博客，写得十分全面。

3.应用

我应该更关注LWIP的应用，怎么样才能用起来是关键。

传感节点既可以主动往外推数据，也可以作为服务器被动地响应客户的请求，我选择了后者。那么应用层主要分为两个过程：一是WiFi关联过程，二是数据请求和响应过程。

WiFi关联过程有两种方式，一种是采集节点作为AP，其他设备接入AP；另一种是采集节点接入到路由器。这和手机是一样的。工作流程如下图。

首先对STM32微控制器的时钟、端口、A/DC、中断向量、串口、内存进行初始化，对Marvell模块驱动进行初始化配置（SDIO的设备枚举，加载设备固件等）。在完成上述初始化过程之后，扫描WiFi网，将结果存放在数据域中，随后进行网络关联，若返回值为0，说明网络关联成功，否则说明关联失败，接着对LWIP协议栈进行配置，并建立TCP服务器。至此，用户终端就已经可以发送数据请求，进行数据信息的访问了。

当客户端发起数据访问请求时，首先通过连接请求接口发出请求连接指令，如果连接失败，则重新连接，若连接成功，客户端发出数据请求指令，此时服务器进行数据解析，并将客户端请求的数据发送回去，当数据发送完毕时，通信结束，否则客户端继续通过请求数据指令，获取所需数据。数据请求与响应流程如图。

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