基于ESP8266的Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬深展　念平

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，設(shè)計(jì)具有低成本、低功耗、易擴(kuò)展的無線傳感網(wǎng)絡(luò)越來越迫切，基于Linux Web服務(wù)器的高集成Mesh無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)基于IEEE802.11協(xié)議的低功耗WiFi芯片—ESP8266作為Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究?；贛esh網(wǎng)絡(luò)的無線傳感系統(tǒng)分為三層，底層是傳感器網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)收集傳感數(shù)據(jù)；中間層是Mesh無線網(wǎng)絡(luò)層，利用Mesh網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)健的穩(wěn)定性傳輸數(shù)據(jù)；高層是服務(wù)器層，主要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。平臺(tái)集成了Linux Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和PHP運(yùn)行環(huán)境，使用無線WiFi網(wǎng)絡(luò)提供各種互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)快捷、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：無線傳感；Mesh網(wǎng)絡(luò)；ESP8266；Web服務(wù)器；互聯(lián)網(wǎng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172441

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）011008103

0引言

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)流行的網(wǎng)絡(luò)原型，為嵌入式提供了廣泛的應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)得到迅速發(fā)展。WMN是近年發(fā)展起來的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有低成本、高傳輸速度、大運(yùn)用范圍、維護(hù)方便等特點(diǎn)，成為未來通信發(fā)展的新方向[1]。搭配不同傳感網(wǎng)絡(luò)的Mesh無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擁有極廣泛的工業(yè)應(yīng)用，能提供穩(wěn)定的內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)控制。Linux作為開源操作系統(tǒng)，強(qiáng)大的嵌入式Linux Web服務(wù)器擁有開發(fā)成本低、功耗低、高性能和高可靠性等優(yōu)勢(shì)[2]。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信主要通過WiFi在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由ESP8266無線模塊構(gòu)成。而Arduino嵌入式系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)通信的主要服務(wù)器，通過WiFi無線通信設(shè)備節(jié)點(diǎn)協(xié)議為各節(jié)點(diǎn)分配流量和提供數(shù)據(jù)傳輸，定期收集數(shù)據(jù)發(fā)送到MySQL數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器可以分析和顯示接收到的數(shù)據(jù)并采取相應(yīng)措施。Arduino還提供一個(gè)以太網(wǎng)接口，接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器工作，用戶能通過瀏覽器遠(yuǎn)程觀察傳感器數(shù)據(jù)和控制整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，也稱為無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，是一種新型的分布式無線寬帶接入技術(shù)。無線Mesh路由器和終端設(shè)備組成了無線網(wǎng)格多跳網(wǎng)絡(luò)[3]。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是讓任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅能接受信號(hào)，還能發(fā)送信號(hào)，無線Mesh接入點(diǎn)既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，又能作為橋接器連接其它有限網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的多跳連接將成為解決“最后一英里”瓶頸問題的關(guān)鍵技術(shù)[4]。

目前大多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)都是基于紅外射頻和ZigBee，而基于WiFi無線網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用昂貴。基于RF的紅外射頻傳感網(wǎng)絡(luò)容易受到干擾，只適用于小范圍的傳感網(wǎng)絡(luò)使用。而ZigBee技術(shù)衰減快，抗干擾性差，兼容性低，無法實(shí)現(xiàn)大面積部署[5]。

本文系統(tǒng)基于IEEE802.11n無線協(xié)議，能夠提供比ZigBee更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為3層，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1無線傳感系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

本文采用低成本和高效節(jié)能的ESP8266開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WiFi模塊。ESP8266模塊通過配置，能夠提供高性能、高集成性的WiFi數(shù)據(jù)傳輸。斷電邏輯算法和先進(jìn)的電源管理程式提供了一種高效節(jié)能的WiFi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ESP8266在深度睡眠模式時(shí)，RTC時(shí)鐘仍處于運(yùn)行狀態(tài)，能耗極低，僅需不到1mA的電量就可保持連接到接入點(diǎn)[6]。

Mesh網(wǎng)絡(luò)層擁有自適應(yīng)、自動(dòng)修復(fù)功能，當(dāng)傳輸鏈路中某條路徑發(fā)生擁堵或斷開時(shí)，能自動(dòng)選擇其它路徑進(jìn)行傳輸或在ESP8266內(nèi)短暫存儲(chǔ)，避免了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的帶寬擁擠問題，有效解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的延遲效應(yīng)。

服務(wù)器層使用基于Arduino的嵌入式Web Linux服務(wù)器，開源的Linux系統(tǒng)可為整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。ESP8266作為整個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)、用戶與節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器中傳輸數(shù)據(jù)，用戶可通過ESP8266對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。系統(tǒng)如果需要多點(diǎn)采集或者內(nèi)網(wǎng)傳輸，客戶端可直接由筆記本計(jì)算機(jī)構(gòu)建，即利用Web窗口來控制節(jié)點(diǎn)的傳輸、切換等工作。

客戶端能進(jìn)行遠(yuǎn)程Web頁面控制。例如DS1820溫度傳感器收集到的數(shù)據(jù)，需要通過LED顯示，組件能夠在客戶端演示收集到的數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)方法是：末端通過溫度傳感器在偏遠(yuǎn)地區(qū)收集數(shù)據(jù)，與傳感器相連的Arduino模塊作為一個(gè)小型電腦，持續(xù)不斷地對(duì)傳感器進(jìn)行監(jiān)控和暫存采集到的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送到SQL數(shù)據(jù)庫中，從而組成一個(gè)輕量化的小型傳感系統(tǒng)。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)是目前比較流行的物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)，常見的Web服務(wù)器有Httpd、Boa以及Thttpd等[7]。考慮到服務(wù)器需要支持CGI程序以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行身份驗(yàn)證，本系統(tǒng)選用功能強(qiáng)大的嵌入式Web服務(wù)器Apache，數(shù)據(jù)庫則使用MySQL。

首先，下載Web服務(wù)器Apache源代碼。然后根據(jù)無線Mesh AP配置管理平臺(tái)，對(duì)源碼的配置文件進(jìn)行修改。最后，對(duì)修改過的Apache服務(wù)器源代碼進(jìn)行編譯，燒錄進(jìn)Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核。

在Apache服務(wù)器移植過程中，要對(duì)配置文件httpd.conf進(jìn)行正確修改。通過修改httpd.conf配置文件完成Apache服務(wù)器的配置后，還要對(duì)限制上傳文件內(nèi)存的宏進(jìn)行修改。默認(rèn)上傳文件大小不得超過1MB，根據(jù)實(shí)際需要修改為200MB比較合適。修改命令如下：

#define SINGLE_POST_LIMIT_DEFAULT 200*1024*1024/*1MB*/

修改完后對(duì)服務(wù)器源碼進(jìn)行編譯和下載調(diào)試。在終端中設(shè)置嵌入式開發(fā)板的IP地址，在瀏覽器中輸入IP地址就能打開Apache服務(wù)器指定好的無線Mesh AP管理平臺(tái)首頁。通過瀏覽器遠(yuǎn)程登錄嵌入式Web服務(wù)器即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。endprint

嵌入式開發(fā)板為Arduino uno嵌入式模塊，是一個(gè)微小、高效的微型嵌入式電腦主板。信用卡大小的微型電腦主板擁有著近乎完美的兼容性，能夠與許多平臺(tái)和設(shè)備完美結(jié)合[8]。本系統(tǒng)Arduino嵌入式模塊主要作為服務(wù)器基站，通過WiFi與作為通信節(jié)點(diǎn)的ESP8266連接，使用802.11無線協(xié)議。

2.2AODV路由協(xié)議移植

實(shí)際傳輸過程中存在連續(xù)損失和離散損失兩種情況。恒定常量的數(shù)據(jù)丟失無疑對(duì)魯棒性有較大影響。AODV的Mesh無線網(wǎng)絡(luò)框架的WiFi算法可以避免傳輸過程中連續(xù)的數(shù)據(jù)丟失。AODV是一個(gè)純粹的按需路由協(xié)議，不在路徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不保存路由信息，也不參與路由表交換[9]。如果其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)未能與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，則發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)將會(huì)發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)，由相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送此數(shù)據(jù)到服務(wù)器。在WiFi框架的實(shí)施算法中，通道數(shù)據(jù)是打包在一起一并發(fā)送到基站的[10]。

協(xié)議軟件的移植過程：先將AODVUU路由協(xié)議在PC機(jī)Linux系統(tǒng)上進(jìn)行編譯，調(diào)試通過后再使用交叉編譯器將其編譯為可在ARM開發(fā)板下運(yùn)行的可執(zhí)行文件。在配置內(nèi)核時(shí)必須選Network packet filtering中的Netfilter相關(guān)選項(xiàng)，否則AODV無法運(yùn)行。配置完內(nèi)核后，重新進(jìn)行內(nèi)核編譯。AODVUU最終經(jīng)過交叉編譯后將生成內(nèi)核模塊文件kaodv.ko和用戶空間可執(zhí)行文件aodvd。再將重新編譯生成的內(nèi)核下載到開發(fā)板，并將AODVUU交叉編譯后的兩個(gè)文件放進(jìn)ARM開發(fā)板的文件系統(tǒng)中，加載kaodv.ko，執(zhí)行aodvd文件。

2.3ESP8266 Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與實(shí)現(xiàn)

由于Esp8266有相應(yīng)的SDK開發(fā)文檔以及Mesh組網(wǎng)的API接口，因此大大簡(jiǎn)化了開發(fā)步驟，直接調(diào)用相應(yīng)的API接口即可：①通過wifi_get_macaddr獲取模塊的MAC地址，其參數(shù)為if_index，返回值為true或者false，表示獲取mac地址失敗或者成功；②配置用戶數(shù)據(jù)包（buf）的內(nèi)容；③初始化目標(biāo)的mac地址（若mac地址為零則視為向所有網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備廣播數(shù)據(jù)包）；④通過調(diào)用espconn_Mesh_create_packet函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)包（由指針header指向這個(gè)數(shù)據(jù)包），其參數(shù)為dst_add、src_addr，表示接收到的mac地址和發(fā)送的目標(biāo)地址。其中header的信息包括dst_addrv、src_addr、option_list、packet Body等內(nèi)容；⑤通過調(diào)用espconn_Mesh_set_usr_data函數(shù)，將用戶數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容添加進(jìn)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包中，參數(shù)有head、_data、data_len等，分別表示包發(fā)送的地址、用戶緩存區(qū)一級(jí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。返回值為ture或者false，設(shè)置成功或者失??；⑥通過調(diào)用espconn_Mesh_sent函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)發(fā)送完后需要用戶手動(dòng)釋放這個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)存）。部分代碼如下：

os_memset（buf，0，sizeof（buf））；

os_sprintf（buf，”%s”，”{＼”bacast＼”：＼””）；

os_sprintf（buf+os_strlen（buf），MACSTR，MAC25TR（src））；

os_menset（dst，0，sizeof（dst））；//獲取MAC地址

header=（struct Mesh_header_format*）eapconn_Mesh_create_packet（

dst，src，false，true，m_proto_json，os_strlen（buf），false，0，F(xiàn)alse，0，false，00）；//創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)包

if（！espconn_Mesh_set_usr_data（header，buf，os_strlen（buf）））

{

MESH_DEMO_PRINT（“bcast set user data fail＼＼n”）；

MESH_DEMO_FREE（header）；

return；

}//設(shè)置用戶數(shù)據(jù)

If（eapconn_Mesh_sent（&g_ser_conn，（uint8_t*）header，header>len））

{

MESH_DEMO_PRINT（“bcast Mesh is busy＼＼n”）；

espconn_Mesh_connect（&g_ser_conn）；

MESH_DEMO_FREE（header）；

return；

}//發(fā)送數(shù)據(jù)包

3結(jié)語

本文系統(tǒng)介紹了基于WiFi的Mesh無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使用了基于Linux的arduino開發(fā)板和基于ESP8266無線模塊的Mesh無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于實(shí)時(shí)無線傳感器監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制傳感器網(wǎng)絡(luò)，解決了無線局域網(wǎng)和基于射頻的傳感器網(wǎng)絡(luò)延遲、高成本以及技術(shù)門檻高等問題。基于WiFi的Mesh網(wǎng)絡(luò)不能解決無線傳感系統(tǒng)帶來的所有問題，但能夠避免任何類型的故障節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通信中斷以及流量擁堵等問題。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）endprint