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

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

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

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 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：

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：

   

2. 添加端口映射成功：

   

3. 运行TCP Server回环测试成功：

   

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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