三十二、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico<UPnP示例>

news2024/12/23 19:08:11

文章目录

  • 1 前言
  • 2 简介
    • 2 .1 什么是UPnP?
    • 2.2 UPnP的优点
    • 2.3 UPnP数据交互原理
    • 2.4 UPnP应用场景
  • 3 WIZnet以太网芯片
  • 4 UPnP示例概述以及使用
    • 4.1 流程图
    • 4.2 准备工作核心
    • 4.3 连接方式
    • 4.4 主要代码概述
    • 4.5 结果演示
  • 5 注意事项
  • 6 相关链接

1 前言

  随着智能家居、物联网等技术的快速发展,UPnP技术的应用前景将更加广阔。未来,随着技术的不断进步和应用场景的不断扩展,UPnP技术有望成为连接各种设备的核心协议之一,从而为用户带来更加智能、更加便捷的网络体验。

  W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器,同时也是一颗工业级以太网控制芯片。本教程将介绍W5100S/W5500以太网UPnP应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项,帮助读者更好地掌握这一技术。

2 简介

2 .1 什么是UPnP?

  UPnP(Universal Plug and Play)是一种网络协议,它由“通用即插即用论坛”(UPnP™ Forum)推广,旨在使各种设备(如家庭网络、公司网络中的设备)能够相互无缝连接,并简化相关网络的实现。

UPnP的目标是让各种各样的智能设备、无线设备和个人电脑等实现遍布全球的对等网络连接。它支持TCP/IP、UDP和HTTP等协议,是一种分布式的、开放的网络架构。

2.2 UPnP的优点

  UPnP的优点主要包括:

  1. 自动配置:UPnP能够自动配置网络设备,使其能够在网络中进行通信,无需手动设置端口映射等繁琐操作。这大大简化了设备的安装和使用过程,降低了网络配置的复杂性。
  2. 简化用户体验:UPnP可以让用户更方便地使用网络设备和应用程序,提供更好的用户体验。由于UPnP无需用户进行任何配置,用户只需简单地将设备连接到网络中,设备即可自动获取IP地址并与其他设备进行通信。
  3. 多设备互联:UPnP支持多个设备之间的互联,使得设备之间的通信和共享资源变得更加简单和便捷。这使得用户可以方便地将多个设备连接在一起,实现更丰富的应用场景。
  4. 远程访问:UPnP支持远程访问,使用户能够从任何地方访问他们的设备和资源。无论用户身处何地,只要能够连接到网络,即可对家中的设备进行控制和操作。

2.3 UPnP数据交互原理

在这里插入图片描述

UPnP的交互过程包括以下环节:

  1. 地址分配:设备接入网络后,通过自动或手动方式获取IP地址。
  2. 发现阶段:设备在网络中广播自己的存在,并寻找其他设备和服务。
  3. 描述阶段:设备向控制点提供详细的服务和功能描述信息。
  4. 控制阶段:设备通过发送请求消息来控制其他设备或获取其状态信息。
  5. 事件阶段:设备向控制点发送事件消息,以报告自己的状态变化或其他重要事件。
  6. 表达阶段:设备向控制点提供详细的设备和服务信息,以便其他设备了解和利用这些信息。

2.4 UPnP应用场景

UPnP的应用场景包括但不限于以下几种:

  1. 智能家居:UPnP可以用于智能家居设备的互联互通,实现自动化控制和远程控制。例如,通过UPnP协议,用户可以在家中使用手机或电脑控制家中的灯光、电视、空调等设备,也可以设置设备的定时任务。
  2. 物联网:在物联网领域,UPnP可以用于实现设备的互联互通和智能化管理。例如,在智能农业中,通过UPnP协议可以将农田监测设备、温室大棚监测设备等连接起来,实现农业信息的实时监测和远程控制。
  3. 多媒体家庭网关:UPnP可以用于将各种传输媒介连接到家庭局域网中,实现互联和控制。例如,用户可以在家中观看高清电影或聆听无损音乐,同时享受快速网络连接带来的便利。
  4. 智能家居设备:UPnP可以用于智能家居设备的互联和通讯,例如智能音箱、智能灯泡等。用户可以通过语音控制或手机APP控制家中的设备,享受更加便捷的生活体验。
  5. 安全设备串接:UPnP可以实现数字签名和认证功能,保障设备数据的安全性。例如,可由支持UPnP的IP摄像头自动配置局域网环境,也可以在UPnP上实现数字签名和认证功能,保障设备数据的安全性。

3 WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

ModelEmbedded CoreHost I/FTX/RX BufferHW SocketNetwork Performance
W5100STCP/IPv4, MAC & PHY8bit BUS, SPI16KB4Max.25Mbps
W6100TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY8bit BUS, Fast SPI32KB8Max.25Mbps
W5500TCP/IPv4, MAC & PHYFast SPI32KB8Max 15Mbps
  1. W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口,网络传输速度会优于W5500。
  2. W6100 支持IPv6,与W5100S 硬件兼容,若已使用W5100S的用户需要支持IPv6,可以Pin to Pin兼容。
  3. W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存。

4 UPnP示例概述以及使用

4.1 流程图

  程序的运行框图如下所示:

在这里插入图片描述

4.2 准备工作核心

软件

  • Visual Studio Code
  • WIZnet UartTool
  • Socket Tester

硬件

  • W5100SIO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板 或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
  • Micro USB 接口的数据线
  • TTL 转 USB
  • 网线
  • 支持UPNP的路由器

4.3 连接方式

  • 通过数据线连接PC的USB口(主要用于烧录程序,也可以虚拟出串口使用)

  • 通过TTL串口转USB,连接UART0 的默认引脚:

    • RP2040 GPIO 0(UART0 TX) <----> USB_TTL_RX
    • RP2040 GPIO 1(UART0 RX) <----> USB_TTL_TX
  • 使用模块连接RP2040 进行接线时

    • RP2040 GPIO 16 <----> W5100S MISO
    • RP2040 GPIO 17 <----> W5100S CS
    • RP2040 GPIO 18 <----> W5100S SCK
    • RP2040 GPIO 19 <----> W5100S MOSI
    • RP2040 GPIO 20 <----> W5100S RST
  • 通过PC和设备都通过网线连接路由器LAN口

4.4 主要代码概述

  我们使用的是WIZnet官方的ioLibrary_Driver库。该库支持的协议丰富,操作简单,芯片在硬件上集成了TCP/IP协议栈,该库又封装好了TCP/IP层之上的协议,我们只需简单调用相应函数即可完成协议的应用。

第一步:upnp_run.c文件中加入对应的头文件。

第二步:定义相关宏,包括socket端口号、收发缓存发小、DHCP失败后重试次数、LED灯引脚号。

第三步:声明了相关函数,包括定时器回调函数,用于 DHCP 和UPNP 1s 计时处理;网络信息初始化,通过DHCP获取网络信息,失败则静态配置网络信息;LED初始化和LED灯状态控制;还初始化了相关变量等

第四步:进入主函数首先定义变量并初始化串口和spi接口,然后进行socket收发缓存的分片并写入配置信息,接着初始化LED和DHCP,并开启 1s 定时器,优先通过DHCP配置网络信息,失败则用静态网络信息;配置完成后通过 SSDP 发现设备(IGD),接着获取设备的描述并订阅事件消息,成功后进入菜单界面选择操作事件;如下所示:

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/binary_info.h"
#include "hardware/spi.h"

#include "wizchip_conf.h"
#include "w5100s.h"
#include "bsp_spi.h"
#include "dhcp.h"   // Use dhcp
#include "socket.h" // Use socket
#include "UPnP.h"   // Use upnp

#define SOCKET_ID 0                      // Socket number
#define ETHERNET_BUF_MAX_SIZE (1024 * 4) // Send and receive cache size
#define DHCP_RETRY_COUNT 5               // DHCP retry times
#define USER_LED_PIN 25                  // Onboard led pin

/**
 * @brief   Timer callback processing function, used for dhcp timing processing
 * @param   repeating :Timer structure
 * @return  bool
 */
bool repeating_timer_callback(struct repeating_timer *t);

/**
 * @brief   Initialization of chip network information
 * @param   conf_info :Static configuration information
 * @return  none
 */
void network_init(wiz_NetInfo *conf_info);

/**--
 * @brief   Initiallization led and Registration function
 * @param   none
 * @return  none
 */
void UserLED_Init(void);

/**
 * @brief   set led status, in order to adapt data format, see details the file: snmp_custom.c 's snmpData[]
 * @param   val: 0 -> led off, 1 -> led on
 * @return  none
 */
void setUserLEDStatus(uint8_t val);

/* Network information to be configured. */
wiz_NetInfo net_info = {
    .mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x1e, 0xed, 0x2e}, // Configured MAC address
    .ip = {192, 168, 1, 10},                     // Configured IP address
    .sn = {255, 255, 255, 0},                    // Configured subnet mask
    .gw = {192, 168, 1, 1},                      // Configured gateway
    .dns = {8, 8, 8, 8},                         // Configured domain address
    .dhcp = NETINFO_DHCP};                       // Configured dhcp model,NETINFO_DHCP:use dhcp; NETINFO_STATIC: use static ip.

static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
}; // Send and receive cache

static uint8_t breakout_flag = 0; // Define the DHCP acquisition flag
static uint16_t tcps_port = 8000;
static uint16_t udps_port = 5000;

#if (_WIZCHIP_ == W5100S)
static uint8_t tx_size[_WIZCHIP_SOCK_NUM_] = {4, 2, 2, 0};
static uint8_t rx_size[_WIZCHIP_SOCK_NUM_] = {4, 2, 2, 0};
#elif (_WIZCHIP_ == W5500)
static uint8_t tx_size[_WIZCHIP_SOCK_NUM_] = {4, 4, 2, 1, 1, 1, 1, 2};
static uint8_t rx_size[_WIZCHIP_SOCK_NUM_] = {4, 4, 2, 1, 1, 1, 1, 2};
#endif

int main()
{
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure
    wiz_NetInfo get_info;         // Stores the read configuration information

    /* MCU init */
    stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize(); // Initialize the chip interface

    /* socket rx and tx buff init */
    wizchip_init(tx_size, rx_size);
    wizchip_setnetinfo(&net_info); // Configure once first

    /* Onboard LED init*/
    UserLED_Init();

    /*dhcp init*/
    DHCP_init(SOCKET_ID, ethernet_buf);                                   // DHCP initialization
    add_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handler

    printf("wiznet chip upnp example.\r\n");
    network_init(&net_info);              // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it

    do
    {
        printf("Send SSDP.. \r\n");
    } while (SSDPProcess(SOCKET_ID) != 0); // SSDP Search discovery

    if (GetDescriptionProcess(SOCKET_ID) == 0) // GET IGD description
    {
        printf("GetDescription Success!!\r\n");
    }
    else
    {
        printf("GetDescription Fail!!\r\n");
    }

    if (SetEventing(SOCKET_ID) == 0) // Subscribes IGD event messageS
    {
        printf("SetEventing Success!!\r\n");
    }
    else
    {
        printf("SetEventing Fail!!\r\n");
    }

    Main_Menu(SOCKET_ID, SOCKET_ID + 1, SOCKET_ID + 2, ethernet_buf, tcps_port, udps_port); // Main menu
}

4.5 结果演示

  1. DHCP获取ip成功:

    在这里插入图片描述

  2. 添加端口映射成功:

    在这里插入图片描述

  3. 运行TCP Server回环测试成功:

    在这里插入图片描述

5 注意事项

  • 注意socket缓存分片要足够大,避免过小导致接收数据不全,数据包解析时致错;
  • 定义用于收发的暂存(缓存)数组大小要大于或等于所对应的socket缓存大小;
  • 路由器要具备upnp功能,并且调试时要开启;
  • 如果想用WIZnet的W5500来实现本章的示例,我们只需修改两个地方即可:

​ (1)在library/ioLibrary_Driver/Ethernet/下找到wizchip_conf.h这个头文件,将_WIZCHIP_ 宏定义修改为W5500。

​ (2)在library下找到CMakeLists.txt文件,将COMPILE_SEL设置为ON即可,OFF为W5100S,ON为W5500。

6 相关链接

WIZnet官网

WIZnet官方库链接

本章例程链接

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