基于Socket的Linux與Windows下WiFi模塊間通信的實現(xiàn)

王云亮 ，王光林

(1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津300384；2.天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院，天津300384)

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

本文主要研究嵌入式Linux下的ARM與Windows環(huán)境開發(fā)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(xiàn)了兩大開發(fā)環(huán)境下數(shù)據(jù)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(wù)器通信模型中，Socket是網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信連接中，兩端通信程序應(yīng)各有一個Socket對其進行描述，不同的進程通過各自的Socket發(fā)送和接收消息，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕粫霈F(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、破損或重復(fù)出現(xiàn)等差錯；（2）數(shù)據(jù)報 Socket(SOCK_DGRAM)是一種無連接和不可靠的雙工數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)通過獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不保證數(shù)據(jù)的可靠性和無重復(fù)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(xié)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(xié)議的開發(fā)。

Socket的編程方法很多，但主要有兩種方式——面向連接的TCP協(xié)議方式和無連接的UDP協(xié)議方式。本文采用的是TCP協(xié)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(wù)器是內(nèi)有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的ARM開發(fā)板，客戶端是運行于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境下的單片機。本文在實際研究中，服務(wù)器端選用ARM11系列的S3C6410為開發(fā)平臺，內(nèi)部嵌入Linux2.6.28內(nèi)核版本，目標代碼的編譯平臺選用裝有Ubuntu12.04操作系統(tǒng)的普通PC，它們通過交叉編譯和NFS掛載的方式實現(xiàn)了服務(wù)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(tǒng)開發(fā)環(huán)境下的帶有各種傳感器的51單片機。

為了實現(xiàn)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(wù)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(shù)據(jù)鏈路層的WiFi協(xié)議棧，內(nèi)部集成了兩個工作頻率為128 MHz的ARM7 Core，一個 Core負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理，另一個Core負責(zé)處理RF方面的工作。該模塊通過SDIO接口與ARM開發(fā)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(wǎng)絡(luò)標準的低成本嵌入式模塊。通過該模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。模塊通過雙9針工頭串口線與單片機相連，功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由于該模塊內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3個接口之間的轉(zhuǎn)換。

圖1 HLK-RM04模塊的功能結(jié)構(gòu)圖

至此，整個系統(tǒng)的通信平臺的搭建已經(jīng)完成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)功能框圖如圖2所示，從圖中可以看出WiFi模塊的組網(wǎng)模式。

3 通信過程的實現(xiàn)

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

圖2 系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)框圖

3.1 服務(wù)器端的實現(xiàn)

雖然在舉例中采用的是單一客戶端與服務(wù)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(wù)器的情況，像常用的recv、send都是阻塞性函數(shù)，若資源沒有準備好，則調(diào)用該函數(shù)的進程將進入睡眠狀態(tài)，這樣就無法處理I/O多路復(fù)用的情況。鑒于此，使用select函數(shù)既可以實現(xiàn)非阻塞I/O或信號驅(qū)動I/O，還可以設(shè)置等待時間。服務(wù)器端實現(xiàn)的程序流程圖如圖3所示。

接下來對其中一些關(guān)鍵性的步驟進行闡述。

(1)建立 Socket

socketfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

圖3 服務(wù)器端的程序流程圖

AF_INET表示的是針對Internet的通信協(xié)議，允許在遠程主機之間通信；SOCK_STREAM表明使用的是TCP協(xié)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(jiān)聽

它們都是成功時返回0，出錯時返回-1。

（3）調(diào)用select函數(shù)與客戶端連接

3.2 客戶端的實現(xiàn)

客戶端的實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(wù)器建立連接，具體實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳給串口的過程需要注意數(shù)據(jù)在發(fā)送的過程中應(yīng)該把數(shù)據(jù)以ASCII形式發(fā)送，這樣服務(wù)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(diào)到相應(yīng)的端口，搜索到該模塊。

(2)以無線網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)中進入開發(fā)板，先啟動服務(wù)器端，再運行客戶端程序，服務(wù)器端出現(xiàn)如圖6所示的結(jié)果。

圖6 服務(wù)器端的運行結(jié)果圖

通過圖6可以看出，客戶端與服務(wù)器端之間能夠正常通信，并能正確顯示出當(dāng)前測量的溫度是27.35℃。該項研究主要針對總控制器與分節(jié)點之間的無線通信，對于需要這種模式通信的系統(tǒng)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(fā)通信的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2009，25(5-3)：70-72.

[3]郭東升，田秀華.Linux環(huán)境下基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信[J].軟件導(dǎo)刊，2009，8(1)：116-118.

[4]王云亮，李瑩.嵌入式安防遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)用手冊1串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)應(yīng)用[K].2012.