第五十二章 UDP实验
对于lwIP的Socket的使用方式，它与文件操作非常相似。在文件操作中，我们首先打开文件，然后进行读/写操作，最后关闭文件。在TCP/IP网络通信中，也存在着相同的操作流程，但所使用的接口不再是文件描述符或FILE*，而是被称为Socket的描述符。通过Socket，我们可以进行读、写、打开和关闭操作来进行网络数据的传输。此外，还有一些辅助函数，如查询域名/IP地址和设置Socket功能等。在本章中，我们将使用Socket编程接口来实现UDP实验。
本章分为如下几个部分：
52.1 Socket编程UDP连接流程
52.2 硬件设计
52.3 软件设计
52.4 下载验证
52.1 Socket编程UDP连接流程
在实现UDP协议之前，用户需要按照以下步骤配置结构体sockaddr_in的成员变量，以便建立UDP连接：
①：配置ESP32-S3设备连接网络（必须的，因为WiFi是无线通信，所以需搭建通信桥梁）。
②：将sin_family设置为AF_INET，表示使用IPv4网络协议。
③：设置sin_port为所需的端口号，例如8080。
④：设置sin_addr.s_addr为本地IP地址。
⑤：调用函数Socket创建Socket连接。请注意，该函数的第二个参数指定连接类型。SOCK_STREAM表示TCP连接，而SOCK_DGRAM表示UDP连接。
⑥：调用函数bind将本地服务器地址与Socket进行绑定。
⑦：调用适当的收发函数来接收或发送数据。
通过遵循这些步骤，用户可以成功地配置并建立UDP连接，以实现数据的发送和接收。
52.2 硬件设计
1. 例程功能
本章实验功能简介：
本实验主要通过Socket编程接口实现了一个UDP服务器。这个服务器具有以下功能：
①：可以通过按键发送UDP广播数据给其他UDP客户端。
②：能够接收其他UDP客户端发送的广播数据。
③：实时将接收到的数据显示在LCD屏幕上。
通过这个实验，用户可深入了解UDP协议的工作原理，并掌握如何使用Socket编程接口来实现UDP通信。这对于开发基于UDP的网络应用程序非常有用，例如实时通信、多播应用等。
2. 硬件资源
1）LED灯
LED-IO1
2）XL9555
IIC_INT-IO0（需在P5连接IO0）
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
3）SPILCD
CS-IO21
SCK-IO12
SDA-IO11
DC-IO40（在P5端口，使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连）
PWR- IO1_3（XL9555）
RST- IO1_2（XL9555）
4）ESP32-S3内部WiFi
3. 原理图
本章实验使用的WiFi为ESP32-S3的片上资源，因此并没有相应的连接原理图。
图52.3.1.1 程序流程图
52.3.2 程序解析
在本章节中，我们主要关注两个文件：lwip_demo.c和lwip_demo.h。lwip_demo.h文件主要定义了发送标志位并声明了lwip_demo函数，这部分相对简单，所以我们暂不详细解释。主要关注点是lwip_demo.c文件中的函数。在lwip_demo函数中，我们配置了相关的UDP参数，并创建了一个名为lwip_send_thread的发送数据线程。这个线程通过调用scokec函数来发送数据到服务器。接下来，我们将分别详细解释lwip_demo函数和lwip_send_thread任务。
/* 需要自己设置远程IP地址 */
#define IP_ADDR "192.168.101.33"
#define LWIP_DEMO_RX_BUFSIZE 200 /* 最大接收数据长度 */
#define LWIP_DEMO_PORT 8080 /* 连接的本地端口号 */
#define LWIP_SEND_THREAD_PRIO ( tskIDLE_PRIORITY + 3 ) /* 发送数据线程优先级 */
/* 接收数据缓冲区 */
uint8_t g_lwip_demo_recvbuf[LWIP_DEMO_RX_BUFSIZE];
/* 发送数据内容 */
char g_lwip_demo_sendbuf[] = "ALIENTEK DATA \r\n";
/* 数据发送标志位 */
uint8_t g_lwip_send_flag;
static struct sockaddr_in dest_addr; /* 远端地址 */
struct sockaddr_in g_local_info;
socklen_t g_sock_fd; /* 定义一个Socket接口 */
static void lwip_send_thread(void *arg);
extern QueueHandle_t g_display_queue; /* 显示消息队列句柄 */
/**
* @brief 发送数据线程
* @param 无
* @retval 无
*/
void lwip_data_send(void)
{
xTaskCreate(lwip_send_thread, "lwip_send_thread", 4096,
NULL, LWIP_SEND_THREAD_PRIO, NULL);
}
/**
* @brief lwip_demo实验入口
* @param 无
* @retval 无
*/
void lwip_demo(void)
{
char *tbuf;
lwip_data_send(); /* 创建发送数据线程 */
/* 远端参数设置 */
dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP_ADDR); /* 目标地址 */
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_port = htons(LWIP_DEMO_PORT); /* 目标端口 */
g_local_info.sin_family = AF_INET; /* IPv4地址 */
g_local_info.sin_port = htons(LWIP_DEMO_PORT); /* 设置端口号 */
g_local_info.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY); /* 设置本地IP地址 */
g_sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /* 建立一个新的socket连接 */
tbuf = malloc(200); /* 申请内存 */
sprintf((char *)tbuf, "Port:%d", LWIP_DEMO_PORT); /* 客户端端口号 */
lcd_show_string(0, 170, 200, 16, 16, tbuf, MAGENTA);
/* 建立绑定 */
bind(g_sock_fd, (struct sockaddr *)&g_local_info, sizeof(g_local_info));
while (1)
{
memset(g_lwip_demo_recvbuf, 0, sizeof(g_lwip_demo_recvbuf));
recv(g_sock_fd, (void *)g_lwip_demo_recvbuf,
sizeof(g_lwip_demo_recvbuf), 0);
printf("%s\r\n",g_lwip_demo_recvbuf);
}
}
/**
* @brief 发送数据线程函数
* @param pvParameters : 传入参数(未用到)
* @retval 无
*/
void lwip_send_thread(void *pvParameters)
{
pvParameters = pvParameters;
while (1)
{ /* 有数据要发送 */
if ((g_lwip_send_flag & LWIP_SEND_DATA) == LWIP_SEND_DATA)
{
printf("send\r\n");
sendto(g_sock_fd, /* scoket */
(char *)g_lwip_demo_sendbuf, /* 发送的数据 */
sizeof(g_lwip_demo_sendbuf), 0, /* 发送的数据大小 */
(struct sockaddr *)&dest_addr, /* 接收端地址信息 */
sizeof(dest_addr)); /* 接收端地址信息大小 */
g_lwip_send_flag &= ~LWIP_SEND_DATA;
}
vTaskDelay(100);
}
}
在源码中，lwip_demo函数通过lwip_data_send创建了发送数据的线程lwip_send_thread，并配置了Socket的UDP协议。该线程在发送前会检查标志位，有效时则通过sendto发送数据并重置标志位。同时，需设置目标IP地址以确保数据正确发送。此外，主函数的循环中不断通过recv接收数据并使用串口输出接收的数据。
52.4 下载验证
在程序中，首先需要设置好能够连接的网络账号和密码。然后，使用笔记本电脑作为终端，确保它与ESP32-S3设备处于同一网络段内。当ESP32-S3设备成功连接到网络时，它的LCD显示屏上会显示相应的内容：
图52.4.1 设备连接到网络时，LCD显示的信息
打开网络调试助手，然后配置网络参数，如UDP协议、端口号、目标主机设置等，设置内容如下图所示。
在确保网络连接正常后，可以通过按下开发板上的KEY0按键来发送数据至网络调试助手。当网络调试助手接收到“ALIENTEK DATA”字符串时，它会在显示区域展示这个信息。此外，用户还可以在调试助手的发送区域自行输入要发送的数据，然后点击发送键，将数据发送至ESP32-S3设备。此时，ESP32-S3的串口将打印接收到的数据，具体操作和输出如下图所示。
图52.4.3 接收网络调试助手的数据