二十九、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico<Web socket Server>

文章目录

  • 1 前言
  • 2 简介
    • 2 .1 什么是WebSocket协议?
    • 2.2 WebSocket协议工作原理
    • 2.3 WebSocket协议优点
    • 2.4 WebSocket应用场景
  • 3 WIZnet以太网芯片
  • 4 WebSocket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

  在互联网的世界中,实时、高效的数据交换是至关重要的。WebSocket协议,作为一种强大的通信工具,正是为满足这一需求而生。与传统的HTTP协议不同,WebSocket协议允许服务器主动向客户端发送数据,而不需要客户端发起请求。这种特性使得WebSocket协议在需要实时数据交换的场景中,如在线聊天、多人在线游戏等,具有显著的优势。

  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Web socket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WebSocket协议?

  WebSocket是一种网络协议,允许服务器和客户端之间进行双向通信。与HTTP使用请求和响应模式不同,WebSocket对等方可以在任何时候向任一方向发送消息。WebSocket通常用于聊天应用和其他需要服务器和客户端之间持续通信的应用。

在这里插入图片描述

2.2 WebSocket协议工作原理

  1. 客户端向服务器发出HTTP请求以建立WebSocket连接。
  2. 如果服务器使用WebSocket协议,则它将接受升级并发送响应。
  3. 如果初始握手成功,客户端和服务器已经同意使用为HTTP请求建立的现有TCP/IP连接作为WebSocket连接。
  4. 数据现在可以通过这个连接使用基本的帧消息协议流动。
  5. 一旦双方都确认WebSocket连接应该关闭,TCP连接就会被拆除。

在这里插入图片描述

2.3 WebSocket协议优点

MODBUS TCP协议的优点包括:

  1. 全双工通信:WebSocket支持全双工通信,这意味着服务器和客户端可以同时发送和接收信息。
  2. 实时性:使用WebSocket,可以立即发送和接收数据,比HTTP更快。此外,它们比AJAX更快。
  3. 跨源通信:尽管这可能带来安全风险,但WebSocket支持跨源通信。
  4. 跨平台兼容性:WebSocket支持跨平台兼容性,包括Web、桌面和移动设备。
  5. 低开销:HTTP需要大约2000字节的开销,而WebSocket只需要2字节。
  6. 替代长轮询:WebSocket可以替代长轮询。
  7. 数据类型:与只能发送字符串数据类型的AJAX调用不同,WebSocket是数据类型化的。
  8. 持久连接:WebSocket是客户端和服务器之间的持久连接,这允许服务器在任何时候向客户端发送数据,而无需客户端请求。
  9. 低延迟:由于连接已经建立,因此WebSocket数据帧的组织非常高效(主要是6个额外的字节,2个字节用于头部,4个字节用于掩码),可以比通过包含头部、cookie等的HTTP请求更高效地发送数据。
  10. 减少带宽使用:与基于HTTP的实时机制(如HTTP长轮询)相比,WebSocket协议使用持久连接,而不是连续的HTTP请求/响应周期。WebSocket需要的带宽较少,并且与HTTP相比,提供了较低的延迟,从而减轻了客户端和服务器的负担。
  11. 改善性能和响应性:WebSocket的优点是,它们可以在客户端和服务器之间进行实时通信,而无需频繁的HTTP请求/响应。这带来了诸如减少延迟、改善性能和响应性的Web应用程序等好处。

2.4 WebSocket应用场景

WebSocket协议的应用场景广泛,以下是一些主要的领域:

  1. 实时事件更新:例如体育比赛实时得分、股市价格等。
  2. 用户通知:例如软件更新、内容更新。
  3. 协作编辑工具:多人同时在线编辑同一份文档。
  4. 信息流:例如社交媒体和新闻的实时更新。
  5. 社交媒体流:例如实时更新的Twitter或Facebook信息流。
  6. 聊天应用:例如实时的在线聊天。
  7. 多人在线游戏:例如需要多人同时在线的网络游戏。
  8. 实时位置数据更新:例如共享单车或打车应用的实时位置更新。
  9. 股市应用:例如实时更新的股票价格。

使用WebSocket搭建的在线网页聊天示例:

在这里插入图片描述

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 WebSocket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

硬件

  • W5100S IO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

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 GPIO0(UART0 TX) <----> USB_TTL_RX
    • RP2040 GPIO1(UART0 RX) <----> USB_TTL_TX
  • 使用模块连接RP2040 进行接线时

    • RP2040 GPIO16 <----> W5100S MISO
    • RP2040 GPIO17 <----> W5100S CS
    • RP2040 GPIO18 <----> W5100S SCK
    • RP2040 GPIO19 <----> W5100S MOSI
    • RP2040 GPIO20 <----> 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:在websocket_server.c文件中引用对应的库文件。

第二步:宏定义常量和定义全局变量。

第三步:定义四个函数,包括一个1秒定时器回调函数(用于处理DHCP超时处理),一个设置网络地址函数,一个串口初始化函数以及一个串口接收回调函数。

第四步:主函数首先是对串口和SPI进行初始化以及链路检测。然后是设置W5100S的网络地址,首先使用DHCP的方式进行获取,失败后使用预设的静态IP地址。然后则是将网页信息注册到HTTP服务器上,最后则是在主循环中跑httpServer的程序和websocketServer程序。

主函数程序如下:

int main()
{int i;struct repeating_timer timer; // Define the timer structurewiz_NetInfo get_info;/* MCU init */stdio_init_all();              // Initialize the main control peripheralwizchip_initialize();          // Initialize the chip interfacewizchip_setnetinfo(&net_info); // Configure once firstUART0_Init();                  // uart0 init/*dhcp init*/DHCP_init(SOCK_DHCP, ethernet_buf);                                   // DHCP initializationadd_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handlerprintf("wiznet chip websocket server example.\r\n");network_init(&net_info);                                                                // Configuring Network Informationprint_network_information(&get_info);                                                   // Read back the configuration information and print ithttpServer_init(http_tx_ethernet_buf, http_rx_ethernet_buf, MAX_HTTPSOCK, socknumlist); // HTTP Server initializationreg_httpServer_webContent((uint8_t *)"index.html", (uint8_t *)INDEX_HTML);              // netinfo.html 	: Network information example pagewhile (true){for (i = 0; i < MAX_HTTPSOCK; i++){httpServer_run(i);}do_websocket_server(SOCK_WEBSOCKET);}
}

4.5 结果演示

在这里插入图片描述

5 注意事项

  • 发送的内容只能为UTF-8格式,如果是其他格式,可能会导致乱码造成网页崩,需要刷新才能正常。
  • 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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