基于Socket的Linux與Windows下WiFi模塊間通信的實現

王云亮 ，王光林

(1.天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津300384；2.天津理工大學 自動化學院，天津300384)

現如今無線通信的方式越來越多，組網模式也千姿百態。一般研究同種操作系統下的Socket或WiFi通信的比較多，但在兩種系統開發環境下WiFi之間的通信研究卻并不多。眾所周知，Linux操作系統由于其系統源碼的自由和開放性，以及系統性能的穩定性，被廣泛用作服務器的操作系統。而Windows由于其友好的圖形界面和強大的編程環境，常被廣泛用作客服端的開發環境和操作系統[1]。因此，研究兩大操作系統的實時通信問題具有一定的現實意義。

本文主要研究嵌入式Linux下的ARM與Windows環境開發下的STC80C51單片機之間的無線通信問題，通過套接字編程由WiFi進行傳輸，成功實現了兩大開發環境下數據的無線傳輸，基本解決了兩者之間的通信問題。

1 Socket原理

Socket通常稱作 “套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄。在客戶端/服務器通信模型中，Socket是網絡通信的基本操作單元，一個Socket描述就是通信連接的一端，在一個網絡通信連接中，兩端通信程序應各有一個Socket對其進行描述，不同的進程通過各自的Socket發送和接收消息，從而實現了網絡通信[2-3]。

Linux Socket支持以下 3種常見的套接字類型：（1）流式Socket(SOCK_STREAM)，一種最常用的套接字類型，可以保證數據傳輸的可靠性，不會出現數據丟失、破損或重復出現等差錯；（2）數據報 Socket(SOCK_DGRAM)是一種無連接和不可靠的雙工數據傳輸服務，數據通過獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不保證數據的可靠性和無重復性，適用于可靠性要求不高的一些場合；（3）原始 Socket(SOCK_RAW)，這種類型的 Socket允許對底層協議(如IP或ICMP)直接訪問，它功能強大但使用不太方便，一般用于新協議的開發。

Socket的編程方法很多，但主要有兩種方式——面向連接的TCP協議方式和無連接的UDP協議方式。本文采用的是TCP協議方式。

2 通信平臺的搭建

本文研究的是兩個平臺的通信，服務器是內有嵌入式Linux操作系統的ARM開發板，客戶端是運行于Windows操作系統開發環境下的單片機。本文在實際研究中，服務器端選用ARM11系列的S3C6410為開發平臺，內部嵌入Linux2.6.28內核版本，目標代碼的編譯平臺選用裝有Ubuntu12.04操作系統的普通PC，它們通過交叉編譯和NFS掛載的方式實現了服務器端編譯平臺和運行平臺的正常運行；客戶端是在Windows XP系統開發環境下的帶有各種傳感器的51單片機。

為了實現二者之間的通信，WiFi模塊在此過程中起到樞紐的作用，因此通信兩端都有一個WiFi模塊。在服務器端的WiFi模塊選用的是Marvell 88w8686[4]，它是一款低成本、低功耗、自帶數據鏈路層的WiFi協議棧，內部集成了兩個工作頻率為128 MHz的ARM7 Core，一個 Core負責網絡數據的處理，另一個Core負責處理RF方面的工作。該模塊通過SDIO接口與ARM開發板相連。

客戶端的WiFi模塊選用海凌科電子有限公司新推出的HLK-RM04模塊[5]，是基于通用串行接口的符合網絡標準的低成本嵌入式模塊。通過該模塊，傳統的串口設備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網絡傳輸自己的數據。模塊通過雙9針工頭串口線與單片機相連，功能結構圖如圖1所示，由于該模塊內置了TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口、以太網、無線網（WiFi）3個接口之間的轉換。

圖1 HLK-RM04模塊的功能結構圖

至此，整個系統的通信平臺的搭建已經完成，系統的整體結構功能框圖如圖2所示，從圖中可以看出WiFi模塊的組網模式。

3 通信過程的實現

本文以采集到的溫度值的傳輸來說明實現的過程。下面分別從服務器端和客戶端進行介紹。

圖2 系統的整體功能結構框圖

3.1 服務器端的實現

雖然在舉例中采用的是單一客戶端與服務器進行通信，但考慮到實際中往往會遇到多個客戶端連接服務器的情況，像常用的recv、send都是阻塞性函數，若資源沒有準備好，則調用該函數的進程將進入睡眠狀態，這樣就無法處理I/O多路復用的情況。鑒于此，使用select函數既可以實現非阻塞I/O或信號驅動I/O，還可以設置等待時間。服務器端實現的程序流程圖如圖3所示。

接下來對其中一些關鍵性的步驟進行闡述。

(1)建立 Socket

socketfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

圖3 服務器端的程序流程圖

AF_INET表示的是針對Internet的通信協議，允許在遠程主機之間通信；SOCK_STREAM表明使用的是TCP協議，這樣會提供按順序的、可靠的、雙向的、面向連接的比特流；0表示成功時返回文件描述符，失敗時返回-1，這樣通過errno即可知道出錯的詳細情況。

(2)綁定和監聽

它們都是成功時返回0，出錯時返回-1。

（3）調用select函數與客戶端連接

3.2 客戶端的實現

客戶端的實現實際上分兩部分進行：一是單片機通過DALLAS公司的DS18B20溫度傳感器將采集的數據傳送給串口；二是與之用串口線相連的 RM04模塊，通過 WiFi與服務器建立連接，具體實現的程序流程如圖4所示。

圖4 客戶端的程序流程圖

第一部分采集數據傳給串口的過程需要注意數據在發送的過程中應該把數據以ASCII形式發送，這樣服務器端才能以想要的十進制的形式顯示出來，其他的比較簡單，不再贅述。主要介紹第二部分中RM04模塊的配置。

(1)調到相應的端口，搜索到該模塊。

(2)以無線網卡的模式配置該模塊，選擇TCP客戶端模式，遠程端口的IP和端口號，無線局域網的名稱與密碼，本模塊的IP等，具體配置圖如圖5所示。

圖5 RM04模塊配置圖

(3)在命令窗口下 ping 192.168.1.120，如果 ping通，說明該模塊成功。

在Linux系統中進入開發板，先啟動服務器端，再運行客戶端程序，服務器端出現如圖6所示的結果。

圖6 服務器端的運行結果圖

通過圖6可以看出，客戶端與服務器端之間能夠正常通信，并能正確顯示出當前測量的溫度是27.35℃。該項研究主要針對總控制器與分節點之間的無線通信，對于需要這種模式通信的系統有很大的實際使用價值。

[1]Li Fei，Yuan Lin，Wang Zhihuo，et al.Realization of communication between Linux and Windows based on Socket[C].Proceedings of the 2010 International Conference on Information Technology and Scientific Management，2010.

[2]王遠洋，周淵平，郭煥麗.Linux下基于Socket多線程并發通信的實現[J].微計算機信息，2009，25(5-3)：70-72.

[3]郭東升，田秀華.Linux環境下基于Socket的網絡通信[J].軟件導刊，2009，8(1)：116-118.

[4]王云亮，李瑩.嵌入式安防遠程監控系統的設計[J].化工自動化及儀表，2013，40(2)：237-240.

[5]深圳市海凌科電子有限公司.HLK-RM04應用手冊1串口轉以太網應用[K].2012.