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WIFI DTU产品设计与实现(基于STM32F103+QT配置上位机案例设计分享)

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杨源鑫
发布2020-05-21 16:15:50
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发布2020-05-21 16:15:50
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文章被收录于专栏:嵌入式开发圈

1 、什么是 WIFI DTU?

1.1 、什么是 DTU ?

DTU (Data Transfer unit),是专门用于将串口数据转换为 IP 数据或将 IP 数据转换为串 口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。DTU 广泛应用于气象、水文水利、地质等行业。

1.2 、什么是 WIFI DTU?

使用 WIFI 模组,完成 DTU 的功能,就叫做 WIFI DTU,WIFI DTU 的实现难点在于配网以及后期多端口及多种协议和端口的适配。

前面我们也介绍过,其实通过文件系统ini文件改个参数也可以实现配网:

基于小熊派SD卡+Fatfs+移植开源iniparse解析库并使用

2 、WIFI DTU 市场调研

淘宝和京东上可以看到有类似的 WIFI DTU 产品

3 、WIFI DTU 实现方法

3.1 通过一个 MCU+ 一个 WIFI 模组的方式来实现

优点:

1、开发者只需熟悉使用 WIFI 模组的 AT 指令,使用一个 MCU 结合串口 AT 指令与 WIFI 模组 通信,编写软件即可完成 WIFI DTU 的功能,

2、MCU IO 扩展接口丰富,可以拓展实现多种接口的通信,完成更加复杂的 DTU 功能。

3、产品开发出来以后,如有多个拓展 IO,客户可自行根据需求进行二次开发,实现产品。

4、定好 MCU 端的协议,无论后期模组怎么变,一套好的通信协议即可兼容所有模组。

缺点:

1、成本高昂,对于单一只需要与服务器建立连接,发送数据到服务器的需求不太友好,这 样等于把事情复杂化了,硬件成本也相对增加了。

2、需要自行开发配网的上位机或者手机 APP,时间成本增加。

3.2 通过支持二次开发的 WIFI 模组的方式来实现。

优点:

1、成本低廉,因为只有一个模组,极限的利用模组本身的 SDK 即可完成功能需求的开发。

2、通常模组厂已经支持相应的配网协议,可通过手机 app,微信小程序,网页实现配网,模组厂支持力度大,技术也非常成熟。

缺点:

1、对于初学或者无模组 SDK 经验的开发者来说不太友好,正所谓专业的人做专业的事,想 要随时上手任何一款通信模组的 SDK 短时间内很难上手,模组的SDK 多种多样,有用C语言开发的,有用 C++开发的,Lua 语言开发的等等,复杂多化。

2、对于模组 IO 管脚本身就少的来说,拓展其它功能就不太适合了,更别说二次开发。

3、产品更新迭代快,可能你现在用的是这个模组,过一段时间,另一个模组又出来了,如果客户有需求换产品,这时候要做功能迁移,由于模组 SDK 千变万化,开发者也得适应这种规律。

4 市场上常见WIFI DTU的功能

4.1 斐悦极限无线wifi串口服务器

4.2 常见上位机软件配置功能

5、简单小型WIFI DTU设计与实现

5.1 小型WIFI DTU外观及硬件设计

很早之前就做了一些超级简单的小型WIFI DTU,现在就把它开源出来分享给大家,如下图所示,这就是我们设计的DTU。

此处附上其中一个Demo板子ESP32版本的原理图:

5.2 小型WIFI DTU与上位机通信协议制定

5.2.1 WIFI模式设置
5.2.2 WIFI 连接AP指令设置与查询
5.2.3 WIFI 一键配置SoftAP参数指令设置与查询
5.2.4 WIFI 建立TCP链接,UDP传输或SSL连接指令设置与查询
5.2.5 WIFI 模组一键配置参数设置及查询

5.3 小型WIFI DTU软件设计

5.3.1 STM32CubeMX工程配置

由于配置参数过多,限于篇幅限制,这里就不贴出来了,见文章最后回复关键字自行下载,谢谢谅解!

5.3.2 软件设计思路

系统初始化以后会读取FLASH,获取配置前透传的设置并打印

代码语言:javascript
复制
struct 	Upper_Variable 		 Upper_Val;
struct  Upper_WFVariable 	 Upper_ESP32Val;
/******************************************************************************************************************************************************************************
** 函数名:void   DTU_ReadFlash_SetData(struct Upper_WFVariable *Upper_WFVal)
** 功能描述:获取配置前透传的设置并打印
** 输入参数:	Upper_WFVal   存储结构体
** 输出参数:无

** 返回:无
*******************************************************************************************************************************************************************************/
void   DTU_ReadFlash_SetData(void)
{
    memset(ESP32_FlashReadTest, 0, sizeof(ESP32_FlashReadTest));
    Flash_ReadData(SetDebug_Add, ESP32_FlashReadTest);
    strcpy(Upper_Val.Upper_Debug, ESP32_FlashReadTest);
    if(strcmp("0", Upper_Val.Upper_Debug) == 0)
    {
        Debug_f = 0;
    }
    else if(strcmp("1", Upper_Val.Upper_Debug) == 0)
    {
        Debug_f = 1;
    }
    DTU_Flash_GetData(SetDebug_Add, Upper_Val.Upper_Debug, "Debug状态:");
    DTU_Flash_GetData(SetWFMode_Add, Upper_ESP32Val.Upper_SetWFMode, "WIFI模式:");

    DTU_Flash_GetData(SetWFJAP_SSID_Add, Upper_ESP32Val.Upper_SetWFJAP_SSID, "AP模式SSID:");
    DTU_Flash_GetData(SetWFJAP_PWD_Add, Upper_ESP32Val.Upper_SetWFJAP_PWD, "AP模式PWD:");

    DTU_Flash_GetData(SetWFSAP_SSID_Add, Upper_ESP32Val.Upper_SetWFSAP_SSID, "SoftAP模式SSID:");
    DTU_Flash_GetData(SetWFSAP_PWD_Add, Upper_ESP32Val.Upper_SetWFSAP_PWD, "SoftAPAP模式PWD:");

    DTU_Flash_GetData(SetWFCIPSTART_Type_Add, Upper_ESP32Val.Upper_SetWFCIPSTART_Type, "连接的模式:");
    DTU_Flash_GetData(SetWFCIPSTART_RemoteIP_Add, Upper_ESP32Val.Upper_SetWFCIPSTART_RemoteIP, "服务器端的IP:");
    DTU_Flash_GetData(SetWFCIPSTART_RemotePort_Add, Upper_ESP32Val.Upper_SetWFCIPSTART_RemotePort, "服务器端的端口号:");
}

这里的参数存储用结构体Upper_VariableUpper_WFVariable进行维护:

代码语言:javascript
复制
#define  Mode_L					2
#define  SSID_L					20
#define  PWD_L					20
#define  Type_L				        5
#define  RemoteIP_L			        100
#define  RemotePort_L		                10

struct Upper_Variable
{
    //模组设置模式
    uint8_t Upper_State;
    char  Upper_SetMode[Mode_L];	
    //模组品牌
    char  Upper_ModuleBrand[Mode_L];
    //Debug信息开关
    char  Upper_Debug[Mode_L];				
};

struct Upper_WFVariable
{
    //WIFI的模式设置
    char Upper_SetWFMode[Mode_L];				
    //WIFI的AP模式的SSID
    char Upper_SetWFJAP_SSID[SSID_L];
    //WIFI的AP模式的PWD
    char Upper_SetWFJAP_PWD[PWD_L];										
    //WIFI的SoftAP的SSID
    char Upper_SetWFSAP_SSID[SSID_L];
    //WIFI的SoftAP的PWD
    char Upper_SetWFSAP_PWD[PWD_L];										
    //字符串串参数,连接类型,"TCP","UDP" 或 "SSL"
    char Upper_SetWFCIPSTART_Type[Type_L];
    //字符串串参数,远端 IP 地址
    char Upper_SetWFCIPSTART_RemoteIP[RemoteIP_L];
    //IP地址的端口号
    char Upper_SetWFCIPSTART_RemotePort[RemotePort_L];	
};
//建立ESP32结构体和ESP8266结构体;
extern  struct  Upper_WFVariable 	 Upper_ESP32Val;		

WIFI DTU主要有以下模式

代码语言:javascript
复制
/**********************
DTU状态列表
**********************/
enum   DTU_State_List
{
        //系统空闲模式
	DTU_FreeMode = 0,
        //系统存储配置检测模式
	DTU_ConfigurationDetMode,	
        //系统配置设置模式
	DTU_ConfigurationSetMode,
        //系统透传模式
	DTU_PassthroughMode,
        //系统透传数据解析模式
	DTU_DataAnalysisMode,	
        //系统配置模式
	DTU_ConfigurationMode,	
        //系统错误模式
	DTU_ERRORMode,						
};

当用户长按按键时候,进入系统配置模式:

代码语言:javascript
复制
void key_L_CallBack(void)
{
    if(ESP32_STATE_D.ESP32_State != DTU_ConfigurationMode)	
    {
        ESP32_STATE_D.ESP32_State = DTU_ConfigurationMode;
    }

    DEBUG("按键长按\r\n");
}

系统配置模式:

代码语言:javascript
复制
/******************************************************************************************************************************************************************************
** 函数名:void   Upper_State_Dis(void)
** 功能描述:上位机配置状态机
** 输入参数:无
** 输出参数:无

** 返回:无
*******************************************************************************************************************************************************************************/
void   Upper_State_Dis(void)
{
    Upper_RX_Dis();
    Upper_Find_Dis(&Upper_Val);
    Upper_Set_Dis(&Upper_Val);

    switch(Upper_Val.Upper_State)
    {
        case	Upper_FreeMode:
            if(strcmp(Upper_Val.Upper_SetMode, "2") == 0)
            {
                Upper_Val.Upper_State = Upper_ESP32Mode;
                DEBUG("进入ESP32模式\r\n");
            }

            break;

        case		Upper_ESP32Mode:
            Upper_ESP32_ValDis(&Upper_ESP32Val);
            Upper_WFFind_ValDis(&Upper_ESP32Val);
            break;
    }

    Upper_S_bit.Upper_Byte = 0;
    memset(Upper_Rx_Buffer, 0, sizeof(Upper_Rx_Buffer));
}

系统配置模式对应的状态灯做如下处理:

代码语言:javascript
复制
系统状态对应LED灯
*********************************************************************/
if(ESP32_STATE_D.ESP32_State != DTU_ConfigurationMode)//系统空闲模式灯显示
{
    LED_SetColor(0, 1, 0);		//设置颜色为绿色
}
else if(ESP32_STATE_D.ESP32_State == DTU_ConfigurationMode)//系统配置模式灯显示
{
    LED_SetColor(0, 0, 1);		//设置颜色为蓝色
}
else if(ESP32_STATE_D.ESP32_State == DTU_PassthroughMode)//系统配置模式灯显示
{
    LED_SetColor(0, 1, 1);		//设置颜色为紫色
}

当用户短按按键时,进入系统存储配置检测模式,此时判断在系统初始化时读取FLASH的参数的参数,如果没有相应的参数,则用户需要长按按键切换到配置模式进行参数设置。

代码语言:javascript
复制
//系统存储配置检测模式
case DTU_ConfigurationDetMode:		
            DTU_STATE_D.DTU_ConfDep = ESP32_PassthroughDet(&Upper_ESP32Val);
            if(DTU_STATE_D.DTU_ConfDep == ESP32_OK)
            {
                DEBUG("检测到存储的配置信息齐全\r\n");

                ESP32_STATE_D.ESP32_SetModeState = TCP_Step0;

                ESP32_STATE_D.ESP32_State = DTU_ConfigurationSetMode;
            }
            else if(DTU_STATE_D.DTU_ConfDep == ESP32_ERR)
            {
                DEBUG("检测到存储的配置信息有空的\r\n");
                DEBUG("可以长按进入配置模式\r\n");
                DEBUG("配置成功后短按退出配置模式\r\n");
                DEBUG("退出配置模式后自动进入数据透传模式\r\n");
                ESP32_STATE_D.ESP32_State = DTU_ERRORMode;
            }
            break;

系统透传模式:

代码语言:javascript
复制
//系统透传模式
case DTU_PassthroughMode:					
            if(Uart1_Recv_End_Flag)
            {
                DEBUG("tx_len = %d\r\n", Uart1_Rx_Len);			
                DEBUG("发送的数据:%s\r\n", Uart1_Rx_Buffer);	
                Print(&huart2, "%s", Uart1_Rx_Buffer);
                Uart1_Rx_Len = 0;					//清除计数
                Uart1_Recv_End_Flag = 0;	//清除接收结束标志位
                memset(Uart1_Rx_Buffer, 0, sizeof(Uart1_Rx_Buffer));
            }

            if(Uart2_Recv_End_Flag)
            {
                //复位连接超时
                DTU_STATE_D.DTU_TCPLinkTimeOut = Set_TCPLinkTimeOut;		

                DEBUG("rx_len = %d\r\n", Uart2_Rx_Len);					
                DEBUG("接收的数据:%s\r\n", Uart2_Rx_Buffer);			

                Uart2_Rx_Len = 0;					
                Uart2_Recv_End_Flag = 0;	
                memset(Uart2_Rx_Buffer, 0, sizeof(Uart2_Rx_Buffer));
            }

            if(!DTU_STATE_D.DTU_TCPLinkTimeOut)		
            {
                DTU_STATE_D.DTU_TCPLinkCnt ++;
                memset(&ESP32_S_bit, 0, sizeof(ESP32_S_bit));						
                memset(ESP32_Rx_Buffer, 0, sizeof(ESP32_Rx_Buffer));		
                memset(Uart2_Rx_Buffer, 0, sizeof(Uart2_Rx_Buffer));		
                if(DTU_STATE_D.DTU_TCPLinkCnt != Set_TCPLinkCnt)
                {
                    ESP32_STATE_D.ESP32_State = DTU_ConfigurationDetMode;
                }
                else
                {
                    Print(&huart2, "+++");
                    HAL_Delay(200);
                    Print(&huart2, "AT+CIPCLOSE\r\n");
                    HAL_Delay(200);
                    memset(&DTU_STATE_D, 0, sizeof(DTU_STATE_D));						
                    ESP32_STATE_D.ESP32_State = DTU_ERRORMode;
                }
            }
            break;

由于当初特殊原因导致项目没有继续完成下去,所以有几个模式没有实现,但该DTU已经可以实现简单的透传功能了,有兴趣的小伙伴可以自行添加完善这个项目。

上位机配置(基于QT5实现)

由于WIFI DTU的项目是我们之前工作之余在朱友鹏老师指导下实现的,故名为鹏力云,鹏力是指的深圳鹏力电子,云指的是深圳云之手科技,后续我将会在小熊派上将这个STM32版本和QT上位机重新进行整合后发布。

感兴趣的小伙伴可自行下载代码编译,与DTU硬件进行联调。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划,分享自微信公众号。
原始发表:2020-04-22,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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目录
  • 1 、什么是 WIFI DTU?
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      • 2 、WIFI DTU 市场调研
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          • 3.2 通过支持二次开发的 WIFI 模组的方式来实现。
          • 4 市场上常见WIFI DTU的功能
            • 4.1 斐悦极限无线wifi串口服务器
              • 4.2 常见上位机软件配置功能
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                    • 5.2.1 WIFI模式设置
                    • 5.2.2 WIFI 连接AP指令设置与查询
                    • 5.2.3 WIFI 一键配置SoftAP参数指令设置与查询
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