基于ESP8266的無線Mesh網絡設計研究

楊偉彪

摘要：隨著無線網絡技術、無線物聯網的發展及各種智能設備的普及，智能設備間的信息交流越發重要，其中無線網絡技術是其應用的關鍵。無線Mesh網絡是一種自組多跳的新型無線網絡技術，在對esp8266無線模塊基本開發及無線Mesh網絡相關技術的支持下，設計出可行的無線Mesh網絡系統。通過簡單的AT指令語言對該模塊進行無線網絡開發設置，分析無線Mesh網絡中的信息傳輸過程，最終設計出一個無線Mesh網絡框架。實例應用表明，該無線Mesh網絡框架具有易安裝、結構靈活、健壯等優勢，在智能家居、物聯網應用領域具有很高的實用價值。

關鍵詞關鍵詞：WiFi；ESP8266；無線Mesh網絡；AT指令

DOIDOI：10.11907/rjdk.172250

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011021803

0引言

隨著互聯網的發展，各種智能設備逐漸普及，用戶之間的信息傳輸逐漸由人與人擴展到人與物、物與物之間，而其中信息傳輸交流的關鍵就是無線通訊技術。無線通訊技術有很多種，應用最廣泛和成熟的無線技術有ZigBee、BLE、WiFi、藍牙等。它們各有所長，分別適用于不同的應用場景。本文研究的無線Mesh網絡則是一種新型的多跳無線網絡技術，可以實現多種異構網絡的互聯。目前，國內對該技術的研究較少，且大多是理論研究，實際應用涉及較少。

本文以ESP8266無線模塊為基礎，對其AT指令進行開發，再將多個開發設置好的無線模塊合理安裝布置，建立簡單的無線Mesh網絡模型。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特殊的無線局域網，而外部的各種智能終端可以通過相關協議連接最近、最穩定的無線節點，若要連上外部互聯網，只需將無線Mesh網絡中的一個節點通過相關協議連接，則整個無線Mesh網絡系統中的任何節點、設備都能訪問互聯網。若要添加新的無線設備，只需簡單接上電源即可。

1ESP8266芯片

ESP8266由Espressif設計，憑借其高集成度、低功耗、廉價和易用性等特點，成為近年來無線物聯網領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。內置32位MCU，可兼作應用處理器，支持STA/AP/STA+AP 3種工作模式，內置TCP/IP協議棧，支持多路TCP Client連接，支持豐富的SocketAT指令，能耗超低，適合電池供電應用。ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網絡芯片，當使用WiFi功能時，可以將其添加到任何基于微控制器的設計中，連接簡單易行[1]。ESP8266擁有強大的數據處理和儲存能力，可通過GPIO數據接口集成傳感器，實現前期開發和運行中系統資源占用最小化。ESP8266最簡單的芯片模型如圖1所示。

圖1ESP8266結構

2無線Mesh網絡

無線Mesh網絡也稱為“多跳（Multihop）”網絡，是一種具有自組織、結構靈活、高速率、易安裝、性能穩定、價格低廉等優勢的無線網狀網絡，是與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。在傳統無線局域網（WLAN）中，每個終端都通過一條與路由器相連的無線路徑訪問網絡，用戶之間要進行信息傳輸，必須首先訪問一個固定的接入點，這種網絡結構被稱為單跳網絡。而在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為AP和STA，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者多個節點進行直接通信。它們傳輸信息的方式是將信息包從一個節點傳遞到另一個節點，直到信息包到達目的地。每個網狀網節點接收要傳給其它節點的信息包，并將它們再次傳送出去。這種結構的最大優勢在于：如果最近一條路徑由于流量過大而停止工作，無線Mesh網絡會自動改變信息包的路由，使它們穿過一條替代路徑，則數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸，直至到達最終目的地，這樣的訪問方式就是多跳訪問。與傳統交換式網絡相比，無線Mesh網絡去掉了節點之間的布線需求，但仍具有分布式網絡所提供的冗余機制和重新路由功能[2]。在無線Mesh網絡里，如果要添加新的設備，只需簡單接上電源即可，它可以自動進行自我配置，并確定最佳的多跳傳輸路徑。添加或移動設備時，網絡能夠自動發現拓撲變化并自動調整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。與傳統單跳網絡相比，無線Mesh網絡具有以下優勢：

（1）易部署和安裝。安裝無線Mesh網絡節點非常簡單，只需在合理位置將智能設備接上電源即可，因此，用戶可以很容易通過增加新的節點擴大無線Mesh網絡容量。在無線Mesh網絡中，大多Mesh節點都不需用有線電纜連接。

（2）結構靈活。在單跳網絡中，設備必須共享路由。如果有多個設備要同時訪問網絡，就可能產生通信擁塞并導致系統運行速度降低甚至崩潰。而在無線Mesh網絡中，多個設備可以分別選取當前最優路徑同時連接到網絡，因此不會導致系統性能降低。

（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，因為隨著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其它導致數據丟失的因素隨之增加。而無線Mesh網絡的信息傳輸原理正是經多個短跳傳輸數據，因此其相比傳統網絡具有更高的帶寬。

（4）非視距傳輸（NLOS）。利用無線Mesh技術可以很容易地實現NLOS配置，因此在室外和公共場所有著廣泛的應用前景。首先與發射臺有直接視距的用戶先接收無線信號，然后將接收到的信號通過附近節點一步步轉發給非直接視距的用戶。因此，無線Mesh網絡能夠輕易擴大覆蓋范圍。

（5）健壯性。實現網絡健壯性的方法通常是使用多路由器傳輸數據。如果某個節點發生故障，則信息由其它節點通過備用路徑傳送。而Mesh網絡原理正是如此，因此它比單跳網絡更加健壯[3]。endprint

3系統開發設計

3.1ESP8266硬件程序開發

由于ESP8266本身帶有AT固件，因此可以串口轉WiFi使用，采用AT指令進行基本開發。ESP8266模塊可以工作在3種模式：STA、AP、AP+STA。將ESP8266芯片與USB轉串口線連接好后，將USB接口與電腦連接，上電后，藍色燈微弱閃爍后熄滅，紅燈長亮。使用串口調試軟件，對ESP8266芯片進行AT指令設置。設置好波特率為115 200，然后選擇com號，打開串口，輸入AT后，返回OK則ESP8266芯片正常。初始化ESP8266芯片，設置WiFi工作模式的AT指令為AT+CWMODE=3，此模式為AP+STA模式，然后設置WiFi相關參數，指令AT+CWSAP=，，，，列出當前可用AP，指令AT+CWLAP，執行后終端返回當前可連接上的AP列表，或者知道AP的名字，則使用指令AT+CWJAP=，，終端響應OK，則成功加入了該AP。指令AT+CWLIF可以查看當前加入該AP的設備IP地址及MAC地址。指令AT+CIPSTAMAC=設置STA的MAC地址，AT+CIPAPMAC=設置AP的MAC地址，AT+CIPAP=，設置AP的IP地址，AT+CIPSTA=，設置STA的IP地址。ESP8266芯片的WiFi設置如圖2所示。

圖2ESP8266WIIF設置

3.2無線Mesh網絡框架設計

在整個無線Mesh網絡中，信息傳輸過程如下：首先智能設備進入無線Mesh網絡范圍后，將自動搜索最近、信號最強的WiFi，輸入密碼后則連入了該無線Mesh網絡，該設備若要與Mesh網絡中的任何一個節點進行信息傳輸，則會首先向最近、信號最強的AP發送信息，然后該AP又會通過各種路由算法自動選擇最佳的下一個AP節點傳送信息，經過多次節點間的路由轉發后，該信息最終到達目標節點。此信息傳輸的優勢在于，如果最近的AP由于信息流量過大而導致擁塞，數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的相對更佳的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包最終根據網絡情況，不斷路由到與之最近、最佳的下一個節點進行傳輸，直至到達最終目的地，其過程如圖3所示。

圖3信息傳輸

在設置好多個ESP8266芯片的WiFi參數后，將1號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，各芯片間的數據信息傳輸將通過相關路由協議合理選擇最佳路徑，1號芯片連接上路由器后，通過相關的網絡協議連接上互聯網，就組建成一個無線Mesh網絡。當有其它設備接入該Mesh網絡，將會自動選擇最近、信號最強的AP，若該設備也具有AP功能，也可以讓其它設備接入其WiFi。最終設計的無線Mesh網絡框架如圖4所示。實例應用表明，該無線Mesh網絡框架具有模塊化、多頻、多信道、覆蓋范圍廣、廉價、組網靈活、可靠性強等優勢，在公共場所，物聯網應用領域發展前景良好。

圖4無線Mesh網絡框架

4結語

本文基于ESP8266WiFi芯片的軟硬件開發，研究設計了一個無線Mesh網絡框架。該無線Mesh網絡模型具有價格低廉、易安裝部署、結構靈活、高帶寬等優勢，各種智能設備可以快速接入該Mesh網絡，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。ESP8266芯片具有強大的WiFi功能，其具有開發簡單、功耗低、價格低廉等優點。將該無線Mesh網絡模型應用于各種實際場所，能夠實現各種智能設備之間的信息訪問和控制。該芯片及無線Mesh網絡模型框架將在智能家居、公共場所、物聯網等領域得到廣泛應用。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）