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

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。

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。

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：

3 WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max.25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max.25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 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：

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 structure
    wiz_NetInfo get_info;
    /* MCU init */
    stdio_init_all();              // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize();          // Initialize the chip interface
    wizchip_setnetinfo(&net_info); // Configure once first
    UART0_Init();                  // uart0 init

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

    printf("wiznet chip websocket server example.\r\n");
    network_init(&net_info);                                                                // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info);                                                   // Read back the configuration information and print it
    httpServer_init(http_tx_ethernet_buf, http_rx_ethernet_buf, MAX_HTTPSOCK, socknumlist); // HTTP Server initialization
    reg_httpServer_webContent((uint8_t *)"index.html", (uint8_t *)INDEX_HTML);              // netinfo.html 	: Network information example page
    while (true)
    {
        for (i = 0; i < MAX_HTTPSOCK; i++)
        {
            httpServer_run(i);
        }
        do_websocket_server(SOCK_WEBSOCKET);
    }
}

4.5 结果演示

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

想了解更多，评论留言哦！