WIFI技术及ESP8266芯片简介.doc

Falcon Image WIFI技术及ESP8266芯片简介

WIFI技术及ESP8266芯片简介

Falcon Image Technologies, Co., Ltd.

Rev. 1.0
五月 18, 2024

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1.0
April 24, 2015
Shuaixing Peng
The theoretical introduction of WIFI and ESP8266

1.WIFI技术简介
1.1 wifi发展及历史
为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无线个人区域网（WPAN，Wireless Personal Area Network）范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型技术标准有蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、无线USB（WirelessUSB）、无线局域网Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等。在人们享受方便快捷的时候，这些技术的电磁兼容问题日益凸现。由于这些技术均选择了2.4GHz（2.4～2.483GHz）ISM 频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤，各种信号带宽见图

WLAN是英文WirelessLAN的缩写，就是无线局域网的意思。无线以太网技术是一种基于无线传输的局域网技术，与有线网络技术相比，具有灵活、建网迅速、个人化等特点。将这一技术应用于电信网的接入网领域，能够方便、灵活地为用户提供网络接入，适合于用户流动性较大、有数据业务需求的公共场所、高端的企业及家庭用户、需要临时建网的场合以及难以采用有线接入方式的环境等
作为全球公认的局域网权威，IEEE802工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领域独领风骚。这些协议包括了802.3Ethernet协议、802.5TokenRing协议、802.3z100BASE－T快速以太网协议。在1997年，经过了7年的工作以后，IEEE发布了802.11协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。 
在1999年9月，他们又提出了802.11b"HighRate"协议，用来对802.11协议进行补充，802.11b在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率。利用802.11b，移动用户能够获得同Ethernet一样的性能网络吞吐率、可用性。这个基于标准的技术使得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构造自己的网络，满足他们的商业用户和其他用户的需求。802.11协议主要工作在ISO协议的最低两层上，并在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。 

1.2 802.11无线网络的物理组件
802.11无线网络包含四种主要物理组件，如下所示。
1. 工作站(Station) 
构建网络的主要目的是为了在工作站间传送数据。所谓工作站，是指配备无线网络接口的计算设备，即支持802.11的终端设备。如安装了无线网卡的PC，支持WLAN的手机等。 
2. 接入点(Access Point) 
802.11网络所使用的帧必须经过转换，方能被传递至其他不同类型的网络。具备无线至有线的桥接功能的设备称为接入点，接入点的功能不仅于此，但桥接最为重要。为STA提供基于802.11的接入服务，同时将802.11mac帧格式转换为以太网帧，相当于有限设备和无线设备的桥接器。 
3. 无线媒介(Wireless Medium) 
802.11标准以无线媒介在工作站之间传递帧。其定义的物理层不只一种，802.11最初标准化了两种射频物理层(2.4GHz和5GHz)以及一种红外线物理层。 
4. 分布式系统(Distribution System) 
当几个接入点串联以覆盖较大区域时，彼此之间必须相互通信以掌握移动式工作站的行踪。

1.3 Wifi的协议机构

2. ESP8266的简介
Wifi协议内容网络结构相对zigbee来说并不复杂，下面结合具体芯片来对wifi的组网模式及步骤进行解释：

2.1 硬件结构及功能
ESP8266 尺寸为5x5 mm，ESP8266 模组需要的外围器件有：10个电阻电容电感、1个无源晶振、1个flash。工作温度范围：-40~125℃。
ESP8266 是一个完整且自成体系的 WiFi 网络解决方案，能够独立运行， 也可以作为 slave 搭载于其他 Host 运行。
ESP8266 在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并减少内存需求。
另外一种情况是，无线上网接入承担 WiFi 适配器的任务时，可以将其添加到任何基于微控制器的设计中，连接简单易行，只需通过 SPI/SDIO 接口或中央处理器 AHB 桥接口即可。
ESP8266 强大的片上处理和存储能力，使其可通过 GPIO 口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了最低前期的开发和运行中最少地占用系统资源。

2.2 无线组网
ESP8266 支持 softAP 模式，station 模式，softAP + station 共存模式三种利用 ESP8266 可以实现十分灵活的组网方式和网络拓扑。（SoftAP：即无线接入点，是一个无线网络的中心节点。通常使用的无线路由器就是一个无线接入点。
Station：即无线终端，是一个无线网络的终端端。）

2.2.1 ESP8266 在 SoftAP 模式
ESP8266 作为 softAP，手机、电脑、用户设备、其他 ESP8266 station 接口等均可以作为 station 连入ESP8266，组建成一个局域网。

2.2.2 ESP8266 在 station 模式
ESP8266 作为 station，通过路由器（AP）连入 internet ，可向云端服务器上传、下载数据。用户可随时使用移动终端（手机、笔记本等），通过云端监控 ESP8266 模块的状况，向 ESP8266 模块发送控制指令。

2.2.3 ESP8266 在 SoftAP + station 共存模式
ESP8266 支持 softAP+station 共存的模式，用户设备、手机等可以作为station 连入 ESP8266 的 softAP 接口，同时，可以控制 ESP8266 的 station 接口通过路由器（AP）连入 internet。

2.3 ESP8266的透传功能
透传，即透明传输功能。Host 通过uart 将数据发给 ESP8266，ESP8266 再通过无线网络将数据传出去；ESP8266 通过无线网络接收到的数据，同理通过uart 传到Host。ESP8266 只负责将数据传到目标地址，不对数据进行处理，发送方和接收方的数据内容、长度完全一致，传输过程就好像透明一样。

2.4 UART成帧机制
ESP8266 判断UART传来的数据时间间隔，若时间间隔大于20ms，则认为一帧结束；否则，一直接收数据到上限值2KB，认为一帧结束。ESP8266模块判断UART来的数据一帧结束后，通过WIFI接口将数据转发出去。
成帧时间间隔为20ms，一帧上限值为2KB。
固件升级
2.5 ESP8266的烧写方式
ESP8266 除了传统的串口烧录方式，还支持云端升级的方式来更新固件。只需将新版固件上传至服务器，在ESP8266 联网的情况下，服务器会推送更新消息到用户，用户可自行选择是否升级。
2.6 ESP8266的网络接口
ESP8266 有两种组网接口，softAP 接口和 station 接口，且两种接口可同时并存使用。
用户按照实际需求应用：
softAP 接口
Phone 或 PC 作为 station，连入 ESP8266 的 softAP 接口，如需调试，可用 PC 连接 ESP8266 的串口查看 log 信息。
station 接口
ESP8266 作为 station，连入无线路由（AP），如需调试，可用 PC 连接 ESP8266 的串口查看 log 信息。

2.7 ESP8266的调试工具
Espressif 推荐使用如下一些工具作为ESP8266的调试工具。（用户也可以自行选择其他同类型的工具。）
烧录工具：FLASH_DOWNLOAD_TOOLS.exe
串口传输工具：SecureCRTPortable.exe
网络调试工具：NetAssist.exe

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