中原工学院信息商务学院 基于Wi-Fi技术的智能家居中继主机的研究
电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi上网，是当今使用最广的一种无线网络传输技术。实际上就是把有线网络信号转换成无线信号提供给支持其技术的相关电脑、手机、平板等接收。手机如果有Wi-Fi功能的话，在有Wi-Fi无线信号的时候就可以不通过移动联通的网络上网，省掉了流量费。
无线网络无线上网在大城市比较常用，虽然Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到54Mbps，符合个人和社会信息化的需求。Wi-Fi最主要的优势是可以不受布线条件的制约，非常适合移动办公用户的需要。
Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如ipad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。Wi-Fi技术的主要特点是无线接入和高速传输[4]。
目前，无线接入技术主要包括IEEE（美国电气和电子工程师协会）的802.11、802.15、802.16和802.20标准，分别为无线局域网WLAN、无线个人局域网WPAN、蓝牙、无线城域网WMAN等。其中基于802.11协议的无线局域网接入技术又被称为无线保真技术Wi-Fi ( Wireless Fidelity) 。从1999 年诞生起，Wi-Fi经历了一段漫长、甚至是艰难的起步阶段，遭遇了成本、安全、带宽、应用等多重困扰，曾经一度陷入低谷。从2004年后，Wi-Fi逐渐摆脱了困境，在近年被大量的提起。目前更多的是应用在家庭、学校、机场、商场等热点地区。
Wi-Fi技术突出的优势在于：（1）较广的局域网覆盖范围，Wi-Fi 的覆盖半径可达100米左右；（2）传输速度快，Wi-Fi 技术传输速度非常快，适合高速数据传输的业务；（3）无须布线，在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所，用户只要将支持无线WLAN的笔记本电脑拿到该区域内，就可以高速接入因特网。
2.2 Wi-Fi技术发展现状
2.2.1 Wi-Fi技术发展
无线网络是IEEE定义的无线网技术，在1999年IEEE官方定义802.11标准的时候，IEEE选择并认定了CSIRO（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization的缩写，澳大利亚联邦科学与工业研究组织，是澳大利亚最大的国家级科研机构）发明的无线网技术是世界上最好
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的无线网技术，因此CSIRO的无线网技术标准，就成为了2010年Wi-Fi的核心技术标准。无线网络技术由澳洲政府的研究机构CSIRO在90年代发明并于1996年在美国成功申请了无线网技术专利。
现在Wi-Fi正在逐步的成为生活的时尚名词，应用也越来越广泛。Wi-Fi技术作为无线连接计算机和互联网的途径被引入，现在已经取得很大的进展。现在市场上可以看到各种各样标有Wi-Fi字样的设备，比如移动终端、电视机、摄像机等等。Wi-Fi发展早期，只被应用于办公楼中。现在，Wi-Fi网络覆盖了世界上许多大型城市[5]。
802.11n产品为人们提供无缝连接的机会，并可以用更多方式连接更多场所的更多设备，速率比之前的版本快五倍，有效覆盖范围是以前版本的两倍左右[6]。
2.2.2 Wi-Fi技术应用
在医疗保健领域，Wi-Fi用来连接个体病患监测设备和中央分析计算系统，追踪患者生命体征，并向医生实时通报患者的状态变化情况。Wi-Fi技术让医生能够快速访问诊断系统，查找病患信息。通过在人体内植入微小芯片利用Wi-Fi在泛在网中无线接入功能，实现对移动病人生命体征的长期监测，这些生命体征包括血压、心电图、脉冲速率、呼吸率、体温、身体活动量和体重等。不管病人走到哪，在何种环境中，在广泛存在的现代网络的覆盖下，再利用Wi-Fi就能实现对病人随时随地的全方位监测，对病人来说是很好的保护伞，能够及时发现异常并及时治疗。尤其对一些慢性疾病患者，如糖尿病、冠心病患者等各种健康存在隐患的病人。医生通过监测返回的数据和图像，判断病人的健康状况，给予病人合理的注意事项和治疗方案[7]。
通过安全可靠的Wi-Fi网络，金融市场每秒钟都会完成数十万次交易。现在，汽车制造商可以供应带有Wi-Fi功能的汽车系统，连接车载仪表设备与各种通信设备，让整辆车就好比一个可以移动的Wi-Fi热点。物联网作为新兴产业正被国家大力发展，Wi-Fi技术拥有低成本、低功耗、灵活、可靠等优势，在物联网产业中发挥着重要作用。Wi-Fi技术在物联网中被广泛应用于电力监控、油田监测、环境监测、气象监测、水利监测、热网监测、电表监测、机房监控、车辆诱导、供水监控。
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2.3 Wi-Fi硬件设备
随着无线网络的不断兴起和发展，无线网络模块的应用越来越广泛！具体的硬件设计和相关无线保真模块咨询时，要考虑以下几个方面：
（1）通信接口。2010年基本是采用USB接口形式；少数采用PCI-E（PCI-Express是最新的总线和接口标准，它原来的名称为“3GIO”，是由英特尔在2001年提出的）和SDIO（Secure Digital Input and Output Card，安全数字输入输出卡，在SD标准上定义了一种外设接口）；多合一的价格昂贵，而且实用性不强，集成的许多功能都不会使用，其实也是一种浪费。
（2）供电。多数是用5V直接供电，有的也会利用主板设计中的电源共享，有的直接采用3.3V供电。
（3）天线的处理形式。可以有内置的PCB板载天线或者陶瓷天线；也可以通过I-PEX（日本连接器品牌）接头连接天线延长线，然后让天线外置。
（4）规格尺寸。可以根据具体的设计要求，最小的有Nano型号（可以直接做Nano无线网卡）；有可以做到迷你型的12*12左右（通常是外置天线方式采用）；通常是25*12左右的设计（多数是板载天线和陶瓷天线，也有外置天线接头）。
（5）跟主板连接的形式。可以直接连接SMT，也可以用2.54mm的排针做插件连接（这种组装/维修比较方便）。
无线Wi-Fi技术的一些硬件，如图2-2所示。
图2-2 Wi-Fi技术的一些硬件设备
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2.4 Wi-Fi网络协议
有人把使用802.11系列协议的局域网就称为Wi-Fi，甚至把Wi-Fi等同于无线网际网路（Wi-Fi是无线局域网的重要组成部分）。Wi-Fi真是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有。目的是改善基于802.11标准的无线网路产品之间的互通性。
802.11协议只负责在站点使用的无线的媒介上的寻址。分配系统（用于连接不同的基本服务单元）和其它局域网的寻址不属无线局域网的范围。802.11协议没有具体定义分配系统，只是定义了分配系统应该提供的服务。整个无线局域网定义了9种服务：5种服务属于分配系统的任务，分别是联接、结束联接、分配、集成、再联接；4种服务属于站点的任务，分别是鉴权、结束鉴权、隐私、MAC数据传输。
电信运营商使用Wi-Fi网络开展各种业务应用时会面临许多方面的问题，包括漫游性、服务质量、安全性和网络管理等。IEEE也在不断的推出新的标准来解决这些问题。对于服务质量问题，IEEE推出的802.11e标准，支持服务等级，802.11e是对802.11 MAC协议的改进和增强，使得无线链路层MAC（媒体介入控制层）子层能提供网路业务的区分、优先级控制、资源分配等服务质量的控制和保障机制；对于安全问题，IEEE推出802.11i标准，在安全、鉴权方面做了补充，对产品认证和访问的无线安全加强规范[8]。
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第三章 Wi-Fi模块简介
本次设计共选用了两个Wi-Fi模块，即ESP8266和HLK-RM04。 ESP8266模块的优点：成本低，AT指令简单与开发配套资料完整，低速通讯性能完全可以满足要求，结构简单。其缺点是不够稳定，不适用高速通信，最多只能接入4个接入点。
RM04优点：1.AP接入点多；2.性能稳定。缺点是价格太贵。
3.1 ESP8266简介
ESP8266模块的AT指令见附件A。 本论文中介绍及使用的是ESP-01
模块，论文中统称ESP8266模块。
3.1.1 ESP8266概述
ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案，能够搭载软件应用，或通过另一个应用处理器卸载所有Wi-Fi网络功能。ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，拥有行业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可以将用户的物理设备连接到Wi-Fi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能[9]。
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。 ESP8266用于无线上网接入承担 Wi-Fi 适配器的任务时，可以将它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。SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。SDIO是在SD标准上定义了一种外设接口。
ESP8266拥有强大的片上处理和存储能力，可通过GPIO（General Purpose Input Output，通用输入/输出）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。ESP8266高度片内集成，包括天线开关balun（Balance-unbalance，平衡－不平衡变换器）、
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