【ESP32】打造全网最强esp-idf基础教程——16.SmartConfig一键配网

SmartConfig一键配网

一、SmartConfig知识扫盲
       在讲STA课程的时候,我们用的是代码里面固定的SSID和密码去连接热点,但实际应用中不可能这么弄,我们得有办法把家里的WiFi SSID和密码输入到设备里面去,对于带屏带输入设备还好,因为可以人为手动输入,但很多IOT设备都不具备这种能力,因此我们需要其他方法。把SSID和密码告诉给设备,让设备能正确连接WiFi热点接入到物联网的过程,称为配网。

       配网方式有很多种,比如AP配网、蓝牙配网,还有本课介绍的SmartConfig一键配网,SmartConfig对用户来说操作是最简单的配网方式,其配网原理比较巧妙,我们来看下SmartConfig的基本原理到底如何。
       首先要让WiFi芯片处于混杂模式下,监听网络中的所有报文;手机APP将SSID和密码编码到 UDP 报文中,通过广播包或组播报发送,智能硬件接收到 UDP 报文后解码,得到正确的 SSID 和密码,然后主动连接指定 SSID 的路由完成连接。

       具体是如何接收报文的?另外在802.11协议中,MAC帧数据域是加密的,设备没有连上WiFi是无法读取这部分内容的。具体帧格式如下图,我们只关注MAC帧中的数据域(MSDU) 

       解析我们知道这部分数据的长度,这部分数据是由20字节IPv4头部+8字节UDP报文头部+UDP内容组成的IP报文,假如IP报文长度为500字节,则UDP内容长度为500-20-8=472字节,这里我们定义,500字节称为明文长度。 

       我们再制定一个定义,密文长度=明文长度+算法常量,算法常量往往是一个固定值,由APP和WIFI设备默认。 

       假如算法常量是10。现在手机APP要传输1234这个数据,只需要在UDP报文内容中填充(1234-20(Ipv4头)-8(UDP报头)-10(算法常量))个字节即可(内容任意),也就是  

        IP报文总长1224
       Ipv4头:20字节
       UDP头:8字节
       UDP内容:1196字节

       也就是说我们通过UDP广播发送1196个字节就行,内容任意。

       当设备收到这个UDP报文后需要解码,先得到IP报文长度1224,然后我们要加上算法常量10,得到1234,因此设备最终获得了1234这个数据。 

       那么对于设备来说,如何知道这个UDP广播包就是SmartConfig发出的呢?这里涉及到一个前导码的概念,当设备WIFI开启混杂模式时,会在所处环境中快速切换各条信道来抓取每个信道中的数据包,当遇到正在发送前导码数据包的信道时,锁定该信道并继续接收广播数据,直到收到足够的数据来解码出其中的WiFi密码然后连接WiFi,因此前导码一般由几个特殊的字节组成,方便和其他UDP包区分。 

       假设手机APP要发送”test”四个字符,算法常量为16,流程如下:
      1)APP连续发送3个UDP广播包,数据为均为前导码。
      2)APP发送1个UDP广播包,IP报文数据长度为’t’-16。
      3)APP发送1个UDP广播包,IP报文数据长度为’e’-16。
      4)APP发送1个UDP广播包,IP报文数据长度为’s’-16。
      5)APP发送1个UDP广播包,IP报文数据长度为’t’-16。
      6)APP切换WIFI信道重复上述步骤

       上述是数据传输的基本原理,但由于每一家厂商的算法常量、传输内容格式、前导码等都不一样,因此不同厂家之间的SmartConfig一般无法通用。

二、ESP32中的SmartConfig
       通过查看esp-idf的源码,发现ESP32上的SmartConfig实现是看不到源码的,但不妨碍我们使用,而使用方式也比较简单,当然需要配合APP来使用,乐鑫官方也提供了demo版本的APP,这个是开源的,我们可以集成到自己的APP应用中,下载地址是: 

       安卓:
https://github.com/EspressifApp/EsptouchForAndroid/releases/tag/v2.0.0/esptouch-v2.0.0.apk

       IOS:
https://apps.apple.com/cn/app/espressif-esptouch/id1071176700

       接下来看下ESP32源码,源码位于esp32-board/wifi_smartconfig
       由于在实际应用工程中,进入SmartConfig一般都是长按某个按键,因此这个例程中也把之前按键短按长按处理的例程搬过来用了,长按3秒触发SmartConfig。

       app_main()如下 

//按键事件组
static EventGroupHandle_t s_pressEvent;
#define SHORT_EV    BIT0    //短按
#define LONG_EV     BIT1    //长按
#define BTN_GPIO    GPIO_NUM_39/** 长按按键回调函数* @param 无* @return 无
*/
void long_press_handle(void)
{xEventGroupSetBits(s_pressEvent,LONG_EV);
}
void app_main(void)
{nvs_flash_init();           //初始化NVSinitialise_wifi();          //初始化wifis_pressEvent = xEventGroupCreate();button_config_t btn_cfg = {.gpio_num = BTN_GPIO,       //gpio号.active_level = 0,          //按下的电平.long_press_time = 3000,    //长按时间.short_cb = NULL,           //短按回调函数.long_cb = smartconfig_start             //长按回调函数};button_event_set(&btn_cfg);     //添加按键响应事件处理EventBits_t ev;while(1){ev = xEventGroupWaitBits(s_pressEvent,LONG_EV,pdTRUE,pdFALSE,portMAX_DELAY);if(ev & LONG_EV){smartconfig_start();    //检测到长按事件,启动smartconfig}}
}

       app_main()中注册了长按按键事件,主循环中检测到了长按事件,执行smartconfig_start函数,启动SmartConfig。 

       接下来看下main/wifi_smartconfig.c文件对SmartConfig的处理 

/** 启动smartconfig* @param 无* @return 无
*/
void smartconfig_start(void)
{if(!s_is_smartconfig){s_is_smartconfig = true;esp_wifi_disconnect();xTaskCreate(smartconfig_example_task, "smartconfig_example_task", 4096, NULL, 3, NULL);}
}

       smartconfig_start函数里面,会断开wifi连接然后启用一个smartconfig任务,s_is_smartconfig标志是SmartConfig运行标志,防止重复执行SmartConfig。 

/** smartconfig处理任务* @param 无* @return 无
*/
static void smartconfig_example_task(void * parm)
{EventBits_t uxBits;ESP_ERROR_CHECK( esp_smartconfig_set_type(SC_TYPE_ESPTOUCH_V2) );           //设定SmartConfig版本smartconfig_start_config_t cfg = SMARTCONFIG_START_CONFIG_DEFAULT();ESP_ERROR_CHECK( esp_smartconfig_start(&cfg) ); //启动SmartConfigwhile (1) {uxBits = xEventGroupWaitBits(s_wifi_event_group, CONNECTED_BIT | ESPTOUCH_DONE_BIT, true, false, portMAX_DELAY);if(uxBits & CONNECTED_BIT) {ESP_LOGI(TAG, "WiFi Connected to ap");}if(uxBits & ESPTOUCH_DONE_BIT) {    //收到smartconfig配网完成通知ESP_LOGI(TAG, "smartconfig over");esp_smartconfig_stop();         //停止smartconfig配网write_nvs_ssid(s_ssid_value);   //将ssid写入NVSwrite_nvs_password(s_password_value);   //将password写入NVSs_is_smartconfig = false;       vTaskDelete(NULL);              //退出任务}}
}

       在smartconfig_example_task中会设定SmartConfig的版本,可以选V1、V2、AirKiss(微信用的),版本之间不兼容,我这边选用了V2,然后esp_smartconfig_start(&cfg)启动SmartConfig,后面会监听两个事件,一个是WiFi连接成功事件,一个是SmartConfig完成事件,当SmartConfig完成后,我们把SSID和密码保存到NVS中,然后退出任务,结束整个SmartConfig流程。 

       

/** 各种网络事件的回调函数* @param arg 自定义参数* @param event_base 事件类型* @param event_id 事件标识ID,不同的事件类型都有不同的实际标识ID* @param event_data 事件携带的数据
*/
static void event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base,int32_t event_id, void* event_data)
{if (event_base == WIFI_EVENT && event_id == WIFI_EVENT_STA_START) {if(s_ssid_value[0] != 0)esp_wifi_connect();} else if (event_base == WIFI_EVENT && event_id == WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED) {//WIFI断开连接后,再次发起连接if(!s_is_smartconfig)esp_wifi_connect();//清除连接标志位xEventGroupClearBits(s_wifi_event_group, CONNECTED_BIT);} else if (event_base == IP_EVENT && event_id == IP_EVENT_STA_GOT_IP) {//获取到IP,置位连接事件标志位xEventGroupSetBits(s_wifi_event_group, CONNECTED_BIT);} else if (event_base == SC_EVENT && event_id == SC_EVENT_SCAN_DONE) {//smartconfig 扫描完成ESP_LOGI(TAG, "Scan done");} else if (event_base == SC_EVENT && event_id == SC_EVENT_FOUND_CHANNEL) {//smartconfig 找到对应的通道ESP_LOGI(TAG, "Found channel");} else if (event_base == SC_EVENT && event_id == SC_EVENT_GOT_SSID_PSWD) {//smartconfig 获取到SSID和密码ESP_LOGI(TAG, "Got SSID and password");smartconfig_event_got_ssid_pswd_t *evt = (smartconfig_event_got_ssid_pswd_t *)event_data;wifi_config_t wifi_config;uint8_t ssid[33] = { 0 };uint8_t password[65] = { 0 };//从event_data中提取SSID和密码bzero(&wifi_config, sizeof(wifi_config_t));memcpy(wifi_config.sta.ssid, evt->ssid, sizeof(wifi_config.sta.ssid));memcpy(wifi_config.sta.password, evt->password, sizeof(wifi_config.sta.password));wifi_config.sta.bssid_set = evt->bssid_set;if (wifi_config.sta.bssid_set == true) {memcpy(wifi_config.sta.bssid, evt->bssid, sizeof(wifi_config.sta.bssid));}memcpy(ssid, evt->ssid, sizeof(evt->ssid));memcpy(password, evt->password, sizeof(evt->password));ESP_LOGI(TAG, "SSID:%s", ssid);ESP_LOGI(TAG, "PASSWORD:%s", password);snprintf(s_ssid_value,33,"%s",(char*)ssid);snprintf(s_password_value,65,"%s",(char*)password);//重新连接WIFIESP_ERROR_CHECK( esp_wifi_disconnect() );ESP_ERROR_CHECK( esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &wifi_config) );esp_wifi_connect();} else if (event_base == SC_EVENT && event_id == SC_EVENT_SEND_ACK_DONE) {//smartconfig 已发起回应xEventGroupSetBits(s_wifi_event_group, ESPTOUCH_DONE_BIT);}
}

       在事件处理回调函数中,包含了对SmartConfig的处理,比较关键的是SC_EVENT_GOT_SSID_PSWDSC_EVENT_SEND_ACK_DONE事件,SC_EVENT_GOT_SSID_PSWD事件表示已经获取到SSID和密码了,接下来我们可以发起连接。SC_EVENT_SEND_ACK_DON事件表示SmartConfig完成,配网可以结束了,通知SmartConfig任务退出。 

       由此可见,esp-idf对SmartConfig功能进行了高度封装,我们基本不用做复杂的处理就可以使用,十分方便,完整的代码请看esp32-board/wifi_smartconfig,idf.py build+idf.py flash烧录到开发板后,就可以运行。另外大家可以看下官方的demo APP

 

       左边是V1版本,右边是V2版本,在进入APP的时候可以选择,使用的时候,需要手机连接当前的2.4G WiFi,然后输入密码,点击确定的时候就开始了,开发板上长按按键3秒,查看串口打印开始了SmartConfig即可松手,过一会就会自动的完成配网。 

最后附上相关资料:

ESP32教程资料链接:
https://pan.baidu.com/s/1kCjD8yktZECSGmHomx_veg?pwd=q8er 
提取码:q8er 

配套源码下载地址:
esp32-board: esp32开发板配套的经典例程

鉴于实验需要开发板的支持,我也设计了一款ESP32开发板,包含部分传感器模块,1.69寸LCD高亮屏,Type-C一键下载,方便大家学习和做各种实验。开发板链接如下:

https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=802401650392&spm=a21dvs.23580594.0.0.4fee645eXpkfcp&skuId=5635015963649
 

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请大家多多支持。

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