Wi-Fi Orb 洞悉一切

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Wi-Fi具有很好的移动性,能免去杂乱的线缆,能很好地面向许多商务和家用,因此,Wi-Fi在计算机网络的成长中扮演着一个极其重要的角色。

最近这些年,Wi-Fi在电话(智能手机)和音视频流等应用中飞速发展。“热点”的数量和覆盖面增加,不难想象,以后的每部手机和TV将会支持Wi-Fi,这也可能会成为行业的一个设计标准。

Do your own thing

那么Wi-Fi能做什么呢?物联网(IOT)能将几乎所有的电子设备连接到因特网。如图1所示,第一代“物联网”设备已经冲击着市场,但这仅仅是个开始。我们没法想象一旦每个设备连接到“云”,会产生怎样的巨变。但毫无疑问其中的一些应用或设备一定会成为行业的“杀手锏”。

Seeing the future

我曾经去过一个朋友的办公室,注意到他办公桌上有一个类似水晶球的球形灯,发着柔和的红光。他告诉我这是“Orb”,能反映股票市场的情况。果不其然,在我们会议进行的过程中,这个球形灯又变成绿色(DJIA的股票情况开始好转)。

他的“Orb”来自一个叫“Ambient Devices”的公司。他们的“Ambient Stock Orb”(如图2)配合来自移动网络的专有的数据服务。有些数据是免费开放(如DJIA),但也有些需要付费。

Figure 2: Ambient Stock Orb (Courtesy Ambient Devices).

我们也可以制作我们自己的“Wi-Fi Orb”,让你监测可通过网络获得任何免费信息。多亏了半导体技术的发展,它只需要一个MCU,Wi-Fi网关,和少量软件代码。图3为Parallax, Inc.’s Propeller™ Board of Education® (BoE)(左)和WIZnet的无限模块WizFi210 开发板(右),这体积略大的开发板开模制造也不难,但是显得有点冗余。一个真正的“Wi-Fi Orb”可以只需要Propeller的一些核心部分(MCU、EEPROM、红色LED下面的水晶球)和邮票大小的WizFi210.

Figure 3: Propeller Board of Education (BoE) on the left and the WIZnet WizFi210 EVB on the right.

Paeallax的Propeller是一个独特的多芯闪存MCU,面向快速开发很有用。它搭配的IDE能让编译、下载在短短数秒内就能完成。也有各种预定义的目标文件“objects”的库文件,您也可以在Parallax 的“Object Exchange”中获得更多资源。Objects真的能发挥它的优势,帮你完成一些样本化的东西,能让你的精力集中于你的应用层的独特性。

Wi-Fi部分由WIZnet的嵌入式Wi-Fi模块WizFi210处理的。WizFi210有个一标准的串口,接入Propeller会非常方便,但是真正让连接顺利方便的是WizFi210模块内部出色的配置和架构。接入网络相当于是发布一些高级命令。

和其他的WiFi设备一样,第一步是配置WizFi210以接入无线网,初始化需要你的以太网名称(例如SSID)、安全技术(WEP,WPA-PAK,密码)、网关和DNS服务器地址等等,WizFi210有一个很好的配置工具(WIZsmart),它能通过串口进行相关配置,配置完毕后,设置的信息就能保存于模块中。

Data deluge 

毫无疑问,你在网络上到处都能找到DJIA数据,我一直是从yahoo上www.yahoo.com(图4)上获得此数据信息。

Figure 4: DJIA at www.yahoo.com.

 

 

WiZnet的无线模块WizFi210配备有齐全的控制命令,能方便地控制网页数据。“AT”指令  一个很好的地方是WizFi210的控制命令和响应都是ASCII语言,因此,使用一个终端(如HyperTerminal),你就能输入命令,查看结果。

假如WizFi210已经初始化完成,能接入访问点,你只要根据下面的演示就能接入获取雅虎的主页数据。(发送至WizFi210的控制命令已被加粗)

第一步需要使用你的以太网名称(例如SSID)来接入AP。

at+wa=your_ap_ssid

IP

SubNet

Gateway

10.0.0.20:

255.255.255.0:

10.0.0.1

[OK]

现在你能访问你的DNS服务器查询雅虎的当前IP地址

at+dnslookup=www.yahoo.com
IP:72.30.2.43
[OK]

设定一个接入雅虎IP地址的TCP客户端口号为80.

at+nauto=0,1,72.30.2.43,80
[OK]

现在建立到Yahoo的连接,将WizFi210从控制模式调整为数据传输模式。

ata2
[OK]

WizFi210取消接受“AT”指令,变为一个“串口到WiFi”网关。进入WizFi210串口的任何数据将会通过Wi-Fi发送到Yahoo,此过程也能反向进行。输入GET /(注意GET和/之间有一个空格(ASCII $20)),接下来有一个换行(CTRL- J),然后Yahoo主页的HTML将会在终端屏幕上显示出来。抓取DJIA数据只需要用Propeller搜索“Dow”标签(标记DJIA数据的地址)。如图5所示

Figure 5: Yahoo homepage HTML.

Less is more 

我写了一段简短的测试程序让Propeller从Yahoo中获取DJIA数据:

Figure 6: Getting the DJIA by searching for ‘Dow’ on the Yahoo homepage.

很不幸,要向Yahoo主页获得几字节的内容,你需要完成超过66000字节的代码。

为了找到一个更实际的解决方案,我想到另外一个设计Orb的方法(“Tannenbaum Ticker”–http://www.gadgetgangster.com/news/54/520),并把我引向了Google的一个金融数据来源(如图7所示)。如果你敲入“http://www.google.com/ig/api?stock=.dji”到你的浏览器,你将会接收一个DJIA数据的简短总结,或者你选择的任何股票。

Figure 7: Google Finance API. 

我将我的测试程序改为使用Google金融数据,能减少近1000字节的代码(如图8所示)。但相对来说仍然是一个很大的数据量,任何时候你想从网页获取的数据,除了你能在显示器上看到的内容,背后都隐藏着大量HTTP和HTML代码。

Figure 8: Getting the DJIA using the Google finance API. 

Under-the-hood 

运行Propeller程序,从谷歌获取金融数据。顺便提一句,这个程序在出错时的处理还并非很完善。如果找不到AP,或者网站崩溃,再或者输入了错误的指令(SSID,网站地址,GET 请求,search key等),程序将会停止响应(挂起)。因此,要注意每项物联网设计需要预备一套处理网络问题的方法,并且必须避免过分依赖网络。

程序开始运行时会从Propeller的库文件引入一些目标文件OBJ(ects), Debug针对终端模拟器,WizFi用于执行连接到WizFi210的UART的部分。接着,规定存储目标网站IP地址(ipaddr)和检索数据(xmls)的变量。DAT(a)作为一个重要的部分,能定义到所需信息(如WLAN SSID,目标网站,GET命令,xml搜索关键词)的路径。然后开始运行,初始完Debug和WizFi目标文件以后,程序进入主循环。

OBJ
Debug : “Parallax Serial Terminal”
WizFi : “FullDuplexSerial”
CON
lenipaddr = 18 ‘max length ip address string incl. cr/lf
lenxml = 50 ‘max length xml field data
VAR
byte i,j,k,ipaddr[lenipaddr],xmls[lenxml]
DAT
ssid byte “your_ap_ssid”,$d,0 ‘replace with your wlan ssid
website byte “www.google.com”,$d,0 ‘using Google
get byte “GET /ig/api?stock=” ‘finance data api ‘
symbol byte “.dji”,$a,0 ‘stock symbol ex:.dji,aapl,ibm
numkeys byte 4
keys byte “last”,0,”perc”,0,”trade_date”,0,”trade_time”,0’xml keys
PUB WizFiOrb ‘program gets xml data item from a webpage
Debug.start(115_200) ‘start debug terminal
WizFi.start(6,7,0,57600) ‘start uart connected to WizFi
REPEAT ‘forever

第一步需要唤醒WizFi210(在循环末尾被置于休眠状态),然后建立连接并确认其成功建立(at+wa),然后就只需要参照Yahoo例子,执行剩下的指令(at+dnslookup, at+nauto, ata2),然后再发送GET 请求。

我原本想写一个函数,整合相关代码来处理每次指令握手的过程(例如:发送命令,检查响应,重复该过程直到WizFi的“[OK]”确认)。但是考虑到有些控制命令需要一些特别的处理(例如,at+psdpsleep响应为空值,+++需要一个延时),并且这样分别来处理的话也方便为每个控制指令增加debug代码。一个通用的AT指令处理机需要兼顾许多方面,包括所期望的响应、数据和控制超市设定、重试计数和间隔、debug echo on/off等等

REPEAT
WizFi.str(string(“at”,$d)) ‘dummy command to wakeup WizFi
REPEAT
UNTIL WizFi.rx == $5B ‘look for [
UNTIL WizFi.rx==”O” ‘retry until WizFi says [OK]
REPEAT
WizFi.str(string(“at+wa=”))
WizFi.str(@ssid) ‘(re)try to associate
REPEAT
UNTIL WizFi.rx == $5B ‘look for [
UNTIL WizFi.rx == “O” ‘associated when WizFi says [OK]
WizFi.str(string(“at+dnslookup=”)) ‘lookup website ip address WizFi.str(@website)
REPEAT
UNTIL WizFi.rx == “:” ‘: marks start of returned ip address
REPEAT i from 0 to lenipaddr-1
ipaddr[i] := WizFi.rx ‘save ip address digits
IF ipaddr[i] == $d ‘and terminating carriage return
quit
REPEAT
WizFi.str(string(“at+nauto=0,1,”))’create tcp client connection
i:=0
REPEAT UNTIL ipaddr[i]==$d
WizFi.tx(ipaddr[i]) ‘send IP address digits
i++
WizFi.str(string(“,80″,$d)) ‘port 80
REPEAT
UNTIL WizFi.rx == $5B ‘look for [
UNTIL WizFi.rx==”O” ‘retry until WizFi says [OK]
REPEAT
WizFi.str(string(“ata2″,$d)) ‘connect to website
REPEAT
UNTIL WizFi.rx == $5B ‘look for [
UNTIL WizFi.rx==”O” ‘connected when WizFi says [OK]
WizFi.str(@get) ‘send get request to website

GET请求被发送后,网页信息进入Propeller. 程序会搜索进入的数据的关键词,借助DAT找到相应的匹配,产生一个响应字符串(xmls),包含有搜索到的数据。注意,DAT中的关键词必须按它们在网页上出现的顺序排列。这样的话,搜索过程就能一次完成(更少地依靠最后一个搜索关键词的的位置),也不需要在RAM中存储网页信息。这个过程完成以后,接受的数据就能显示在debug终端上了。

k:=0 ‘k is offset for each key in keys
j:=0 ‘j is pointer to build xml string
REPEAT numkeys ‘for each key in keys
i:=0 ‘i counts consecutive key char matches
REPEAT ‘search incoming webpage for key
CASE WizFi.rx == keys[k+i] ‘count consecutive key char matches
TRUE : i++ ‘increment if match
FALSE : i:=0 ‘clear otherwise
UNTIL keys[k+i+1] == 0 ‘until key matched
k:=k+i+2 ‘point to next key
REPEAT ‘find opening doublequote
UNTIL WizFi.rx == $22
REPEAT ‘gather desired data
xmls[j]:=WizFi.rx
j++
UNTIL xmls[j-1] == $22 ‘until closing doublequote
xmls[j-1]:=$d ‘put carriage return after data

k:=0 ‘k displays key chars
j:=0 ‘j displays data chars
Debug.str(string($d,”Symbol = “))
Debug.str(@symbol)
REPEAT numkeys ‘for each key
Debug.str(string(” “))
REPEAT ‘display key
Debug.char(keys[k])
k++
UNTIL keys[k] == 0
Debug.str(string(” = “))
REPEAT ‘display data
Debug.char(xmls[j])
j++
UNTIL xmls[j-1] == $d

现在需要继续休眠模式直到下一次过程。+++需要一个一秒左右的延迟,以此作为一个转义序列被WizFi210识别,这样就能作为一个退出数据传输模式、进入控制模式的请求。然后会发送AT指令,与WLAN(ath)断开连接,进入休眠模式(at+psdpsleep).最后,Propeller进入休眠直到下一次。谷歌数据似乎几分钟就能更新一次,但有时会更频繁,因此,90秒或许是一个比较合理的折中选择。
REPEAT
WizFi.str(string(“+++”)) ‘request WizFi to command mode
waitcnt(clkfreq + cnt) ‘wait for WizFi to command mode
WizFi.str(string(“at”,$d)) ‘confirm WizFi to command mode
REPEAT
UNTIL WizFi.rx == $5B ‘look for [
UNTIL WizFi.rx==”O” ‘retry until WizFi says [OK]
REPEAT
WizFi.str(string(“ath”,$d)) ‘hang-up i.e. disassociate
REPEAT
UNTIL WizFi.rx == $5B ‘look for “[”
UNTIL WizFi.rx==”O” ‘retry until WizFi says [OK]
WizFi.str(string(“at+psdpsleep”,$d)) ‘put WizFi to sleep
waitcnt((clkfreq*45)+cnt) ‘put MCU to sleep
waitcnt((clkfreq*45)+cnt) ‘put MCU to sleep

图9显示了运行中的程序。使用不同的关键词,你能获得任何你觉得有用的信息。

现在进入一个比较有意思的阶段,Propeller BoE有一些红、绿LED显示灯,如何根据得到的数据显示水晶球相应的颜色状态:

CASE xml[0] == “-“ ‘percent change negative?
TRUE : OUTA[15..16] := %01 ‘red led on, green off
FALSE : OUTA[15..16] := %10 ‘green led on, red off

Propeller BoE有一些更有意思的功能。你能用它的VGA端口与显示器或TV连接起来。这似乎与这项创意的本意有点相悖(不必盯着显示屏),但这只是一个参考条件,你也许能借此想出一些更有创意的方式来传递显示市场行情。

BoE新奇的地方还在于,它有一个话筒和立体声耳机插孔。当市场情况好的时候,也能产生音乐。BoE也有SD卡插槽,所以我也能存入WAV音频文件通过Propeller的回放出来。我也能用话筒录下我自己的音效,想想真是有趣!

Semper Wi-Fi 

如今,完备的设施基础让物联网的条件变得成熟起来,原本孤立的设备要是有了互联网海量信息后能做什么?信息来源来自哪里?谁能保证信息的准确性和可用性?借助物联网,答案就变得很清楚。

WiFi已经在大部分的家庭和办公区已经占据了很大的优势。我们不再需要费大力气去控制一个庞大的东西,有了WiFi,一切都变得容易!

原文地址:http://www.digikey.com/us/en/techzone/microcontroller/resources/articles/wi-fi-orb-sees-all.html?WT.z_sm_link=G+_microtzart_1010