ESP32之蓝牙配网

一、简介

ESP32 的 BluFi 是通过蓝牙通道的 Wi-Fi 网络配置功能。它提供了一个安全协议来将 Wi-Fi 配置和凭据传递给 ESP32。使用这些信息，ESP32 可以连接到一个 AP 或建立一个 SoftAP。

BluFi 层中的分片、数据加密、校验和验证是此过程的关键要素。

您可以自定义对称加密、非对称加密和校验和支持自定义。这里我们使用DH算法进行密钥协商，128-AES算法进行数据加密，CRC16算法进行校验和验证。

二、BluFi流程

1. 将 ESP32 设置为 GATT Server 模式，然后它将发送带有特定广告数据的广播。您可以根据需要自定义此广播，这不是 BluFi 配置文件的一部分。
2. 使用安装在手机上的应用程序搜索此特定广播。确认广播后，手机将作为 GATT Client 连接ESP32。这部分使用的应用程序由您决定。
3. GATT连接建立成功后，手机会向ESP32发送密钥协商的数据帧（详见BluFi中定义的帧格式部分）。
4. ESP32收到密钥协商的数据帧后，会根据用户自定义的协商方式解析内容。
5. 手机配合ESP32使用DH、RSA或ECC等加密算法进行密钥协商。
6. 协商完成后，手机会向ESP32发送安全模式设置的控制帧。
7. ESP32收到此控制帧后，将能够使用共享密钥和安全配置对通信数据进行加密和解密。
8. 手机将BluFi中定义的帧格式部分定义的数据帧连同Wi-Fi配置信息发送到ESP32，包括SSID、密码等。
9. 手机向ESP32发送Wi-Fi连接请求的控制帧。ESP32 收到此控制帧后，会认为基本信息的通信已完成，并准备连接到 Wi-Fi。
10. 连接到 Wi-Fi 后，ESP32 会向手机发送 Wi-Fi 连接状态报告控制帧，以报告连接状态。至此，组网过程完成。
    注意：
    ESP32 收到安全模式配置的控制帧后，会按照定义的安全模式执行操作。
    对称加密/解密前后的数据长度必须保持不变。它还支持就地加密和解密。

三、API说明
以下 BluFi 接口位于 bt/common/api/include/api/esp_blufi_api.h
3.1 esp_blufi_register_callbacks

3.2 esp_blufi_profile_init

3.3 esp_blufi_send_wifi_conn_report

3.4 esp_blufi_send_wifi_list

3.5 esp_blufi_send_error_info

3.6 esp_blufi_send_custom_data

四、程序结构
使用 esp-idf\examples\bluetooth\bluedroid\ble\blufi 中的例程

4.1 四个事件处理
4.1.1 WIFI部分事件处理
主要负责WIFI的连接、断开重连、扫描

static void wifi_event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base,
                                int32_t event_id, void* event_data)
{
    wifi_event_sta_connected_t *event;
    wifi_mode_t mode;

    switch (event_id) {
    case WIFI_EVENT_STA_START:
        esp_wifi_connect();
        break;
    case WIFI_EVENT_STA_CONNECTED:
        gl_sta_connected = true;
        event = (wifi_event_sta_connected_t*) event_data;
        memcpy(gl_sta_bssid, event->bssid, 6);
        memcpy(gl_sta_ssid, event->ssid, event->ssid_len);
        gl_sta_ssid_len = event->ssid_len;
        break; 
    case WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED:
        /* This is a workaround as ESP32 WiFi libs don't currently
           auto-reassociate. */
        gl_sta_connected = false;
        memset(gl_sta_ssid, 0, 32);
        memset(gl_sta_bssid, 0, 6);
        gl_sta_ssid_len = 0;
        esp_wifi_connect();
        xEventGroupClearBits(wifi_event_group, CONNECTED_BIT);
        break;
    case WIFI_EVENT_AP_START:
        esp_wifi_get_mode(&mode);

        /* TODO: get config or information of softap, then set to report extra_info */
        if (ble_is_connected == true) {
            if (gl_sta_connected) {  
                esp_blufi_send_wifi_conn_report(mode, ESP_BLUFI_STA_CONN_SUCCESS, 0, NULL);
            } else {
                esp_blufi_send_wifi_conn_report(mode, ESP_BLUFI_STA_CONN_FAIL, 0, NULL);
            }
        } else {
            BLUFI_INFO("BLUFI BLE is not connected yet\n");
        }
        break;
    case WIFI_EVENT_SCAN_DONE: {
        uint16_t apCount = 0;
        esp_wifi_scan_get_ap_num(&apCount);
        if (apCount == 0) {
            BLUFI_INFO("Nothing AP found");
            break;
        }
        wifi_ap_record_t *ap_list = (wifi_ap_record_t *)malloc(sizeof(wifi_ap_record_t) * apCount);
        if (!ap_list) {
            BLUFI_ERROR("malloc error, ap_list is NULL");
            break;
        }
        ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_scan_get_ap_records(&apCount, ap_list));
        esp_blufi_ap_record_t * blufi_ap_list = (esp_blufi_ap_record_t *)malloc(apCount * sizeof(esp_blufi_ap_record_t));
        if (!blufi_ap_list) {
            if (ap_list) {
                free(ap_list);
            }
            BLUFI_ERROR("malloc error, blufi_ap_list is NULL");
            break;
        }
        for (int i = 0; i < apCount; ++i)
        {
            blufi_ap_list[i].rssi = ap_list[i].rssi;
            memcpy(blufi_ap_list[i].ssid, ap_list[i].ssid, sizeof(ap_list[i].ssid));
        }
        
        if (ble_is_connected == true) {
            esp_blufi_send_wifi_list(apCount, blufi_ap_list);
        } else {
            BLUFI_INFO("BLUFI BLE is not connected yet\n");
        }

        esp_wifi_scan_stop();
        free(ap_list);
        free(blufi_ap_list);
        break;
    }
    default:
        break;
    }
    return;
}

4.1.2 NETIF部分事件处理

获取网络IP地址，完成IP接口搭建（默认IO口）；
更多netif功能介绍与使用参考链接：ESP-NETIF

static void ip_event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base,
                                int32_t event_id, void* event_data)
{
    wifi_mode_t mode;

    switch (event_id) {
    case IP_EVENT_STA_GOT_IP: {
        esp_blufi_extra_info_t info;

        xEventGroupSetBits(wifi_event_group, CONNECTED_BIT);
        esp_wifi_get_mode(&mode);

        memset(&info, 0, sizeof(esp_blufi_extra_info_t));
        memcpy(info.sta_bssid, gl_sta_bssid, 6);
        info.sta_bssid_set = true;
        info.sta_ssid = gl_sta_ssid;
        info.sta_ssid_len = gl_sta_ssid_len;
        if (ble_is_connected == true) {
            esp_blufi_send_wifi_conn_report(mode, ESP_BLUFI_STA_CONN_SUCCESS, 0, &info);
        } else {
            BLUFI_INFO("BLUFI BLE is not connected yet\n");
        }
        break;
    }
    default:
        break;
    }
    return;
}

4.1.3 BLUFI配网部分事件处理

此过程事件的处理均按照收到的请求作相应的功能处理，可按照个人需求进行修改

• ESP_BLUFI_EVENT_INIT_FINISH：完成blufi功能初始化，设置设备名称(Device Name) 并发送特定的adv data 广播；
• ESP_BLUFI_EVENT_DEINIT_FINISH：处理deinit配置事件
• ESP_BLUFI_EVENT_BLE_CONNECT：连接Blufi Ble，并设备进入安全模式；
• ESP_BLUFI_EVENT_BLE_DISCONNECT：设置ble断开重连；
• ESP_BLUFI_EVENT_SET_WIFI_OPMODE：设置WiFi进入运行模式——op_mode；
• ESP_BLUFI_EVENT_REQ_CONNECT_TO_AP：设置断开原有的WiFi连接，并连接指定WiFi
• ESP_BLUFI_EVENT_REQ_DISCONNECT_FROM_AP：断开当前WiIFi连接到的AP
• ESP_BLUFI_EVENT_REPORT_ERROR：上报错误信
• ESP_BLUFI_EVENT_GET_WIFI_STATUS：获取WiFi状态信息，包括：WiFi当前模式、以及是否连接成功；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SLAVE_DISCONNECT_BLE：关闭blufi的gatt服务连接；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_STA_BSSID：设置进入STA模式，获取目标AP的bssid；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_STA_SSID：设置进入STA模式，获取目标AP的WiFi账号；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_STA_PASSWD：设置进入STA模式，获取目标AP的WiFi密码；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_SSID：设置进入Soft AP模式，获取AP自定义账号；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_PASSWD：设置进入Soft AP模式，获取AP自定义密码；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_MAX_CONN_NUM：设置Soft AP模式下最大可连接设备数量；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_AUTH_MODE：设置Soft AP模式下进入认证模式；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_CHANNEL：设置Soft AP模式下的通讯通道；
• ESP_BLUFI_EVENT_GET_WIFI_LIST：获取扫描到的空中WiFi账号、通信通道以及站点MAC地址；
• ESP_BLUFI_EVENT_RECV_CUSTOM_DATA：将接收到的数据打印出来；

static void example_event_callback(esp_blufi_cb_event_t event, esp_blufi_cb_param_t *param)
{
    /* actually, should post to blufi_task handle the procedure,
     * now, as a example, we do it more simply */
    switch (event) {
    case ESP_BLUFI_EVENT_INIT_FINISH:
        BLUFI_INFO("BLUFI init finish\n");

        esp_ble_gap_set_device_name(BLUFI_DEVICE_NAME);
        esp_ble_gap_config_adv_data(&example_adv_data);
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_DEINIT_FINISH:
        BLUFI_INFO("BLUFI deinit finish\n");
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_BLE_CONNECT:
        BLUFI_INFO("BLUFI ble connect\n");
        ble_is_connected = true;
        server_if = param->connect.server_if;
        conn_id = param->connect.conn_id;
        esp_ble_gap_stop_advertising();
        blufi_security_init();
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_BLE_DISCONNECT:
        BLUFI_INFO("BLUFI ble disconnect\n");
        ble_is_connected = false;
        blufi_security_deinit();
        esp_ble_gap_start_advertising(&example_adv_params);
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_SET_WIFI_OPMODE:
        BLUFI_INFO("BLUFI Set WIFI opmode %d\n", param->wifi_mode.op_mode);
        ESP_ERROR_CHECK( esp_wifi_set_mode(param->wifi_mode.op_mode) );
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_REQ_CONNECT_TO_AP:
        BLUFI_INFO("BLUFI requset wifi connect to AP\n");
        /* there is no wifi callback when the device has already connected to this wifi
        so disconnect wifi before connection.
        */
        esp_wifi_disconnect();
        esp_wifi_connect();
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_REQ_DISCONNECT_FROM_AP:
        BLUFI_INFO("BLUFI requset wifi disconnect from AP\n");
        esp_wifi_disconnect();
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_REPORT_ERROR:
        BLUFI_ERROR("BLUFI report error, error code %d\n", param->report_error.state);
        esp_blufi_send_error_info(param->report_error.state);
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_GET_WIFI_STATUS: {
        wifi_mode_t mode;
        esp_blufi_extra_info_t info;

        esp_wifi_get_mode(&mode);

        if (gl_sta_connected) {  
            memset(&info, 0, sizeof(esp_blufi_extra_info_t));
            memcpy(info.sta_bssid, gl_sta_bssid, 6);
            info.sta_bssid_set = true;
            info.sta_ssid = gl_sta_ssid;
            info.sta_ssid_len = gl_sta_ssid_len;
            esp_blufi_send_wifi_conn_report(mode, ESP_BLUFI_STA_CONN_SUCCESS, 0, &info);
        } else {
            esp_blufi_send_wifi_conn_report(mode, ESP_BLUFI_STA_CONN_FAIL, 0, NULL);
        }
        BLUFI_INFO("BLUFI get wifi status from AP\n");

        break;
    }
    case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SLAVE_DISCONNECT_BLE:
        BLUFI_INFO("blufi close a gatt connection");
        esp_blufi_close(server_if, conn_id);
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_DEAUTHENTICATE_STA:
        /* TODO */
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_STA_BSSID:
        memcpy(sta_config.sta.bssid, param->sta_bssid.bssid, 6);
        sta_config.sta.bssid_set = 1;
        esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &sta_config);
        BLUFI_INFO("Recv STA BSSID %s\n", sta_config.sta.ssid);
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_STA_SSID:
        strncpy((char *)sta_config.sta.ssid, (char *)param->sta_ssid.ssid, param->sta_ssid.ssid_len);
        sta_config.sta.ssid[param->sta_ssid.ssid_len] = '\0';
        esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &sta_config);
        BLUFI_INFO("Recv STA SSID %s\n", sta_config.sta.ssid);
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_STA_PASSWD:
        strncpy((char *)sta_config.sta.password, (char *)param->sta_passwd.passwd, param->sta_passwd.passwd_len);
        sta_config.sta.password[param->sta_passwd.passwd_len] = '\0';
        esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &sta_config);
        BLUFI_INFO("Recv STA PASSWORD %s\n", sta_config.sta.password);
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_SSID:
        strncpy((char *)ap_config.ap.ssid, (char *)param->softap_ssid.ssid, param->softap_ssid.ssid_len);
        ap_config.ap.ssid[param->softap_ssid.ssid_len] = '\0';
        ap_config.ap.ssid_len = param->softap_ssid.ssid_len;
        esp_wifi_set_config(WIFI_IF_AP, &ap_config);
        BLUFI_INFO("Recv SOFTAP SSID %s, ssid len %d\n", ap_config.ap.ssid, ap_config.ap.ssid_len);
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_PASSWD:
        strncpy((char *)ap_config.ap.password, (char *)param->softap_passwd.passwd, param->softap_passwd.passwd_len);
        ap_config.ap.password[param->softap_passwd.passwd_len] = '\0';
        esp_wifi_set_config(WIFI_IF_AP, &ap_config);
        BLUFI_INFO("Recv SOFTAP PASSWORD %s len = %d\n", ap_config.ap.password, param->softap_passwd.passwd_len);
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_MAX_CONN_NUM:
        if (param->softap_max_conn_num.max_conn_num > 4) {
            return;
        }
        ap_config.ap.max_connection = param->softap_max_conn_num.max_conn_num;
        esp_wifi_set_config(WIFI_IF_AP, &ap_config);
        BLUFI_INFO("Recv SOFTAP MAX CONN NUM %d\n", ap_config.ap.max_connection);
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_AUTH_MODE:
        if (param->softap_auth_mode.auth_mode >= WIFI_AUTH_MAX) {
            return;
        }
        ap_config.ap.authmode = param->softap_auth_mode.auth_mode;
        esp_wifi_set_config(WIFI_IF_AP, &ap_config);
        BLUFI_INFO("Recv SOFTAP AUTH MODE %d\n", ap_config.ap.authmode);
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SOFTAP_CHANNEL:
        if (param->softap_channel.channel > 13) {
            return;
        }
        ap_config.ap.channel = param->softap_channel.channel;
        esp_wifi_set_config(WIFI_IF_AP, &ap_config);
        BLUFI_INFO("Recv SOFTAP CHANNEL %d\n", ap_config.ap.channel);
        break;
    case ESP_BLUFI_EVENT_GET_WIFI_LIST:{
        wifi_scan_config_t scanConf = {
            .ssid = NULL,
            .bssid = NULL,
            .channel = 0,
            .show_hidden = false
        };
        ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_scan_start(&scanConf, true));
        break;
    }
    case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_CUSTOM_DATA:
        BLUFI_INFO("Recv Custom Data %d\n", param->custom_data.data_len);
        esp_log_buffer_hex("Custom Data", param->custom_data.data, param->custom_data.data_len);
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_USERNAME:
        /* Not handle currently */
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_CA_CERT:
        /* Not handle currently */
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_CLIENT_CERT:
        /* Not handle currently */
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SERVER_CERT:
        /* Not handle currently */
        break;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_CLIENT_PRIV_KEY:
        /* Not handle currently */
        break;;
	case ESP_BLUFI_EVENT_RECV_SERVER_PRIV_KEY:
        /* Not handle currently */
        break;
    default:
        break;
    }
}

4.1.4 GAP广播部分事件处理

用于当adv data数据报组装完成以后发送adv data广播

static void example_gap_event_handler(esp_gap_ble_cb_event_t event, esp_ble_gap_cb_param_t *param)
{
    switch (event) {
    case ESP_GAP_BLE_ADV_DATA_SET_COMPLETE_EVT:
        esp_ble_gap_start_advertising(&example_adv_params);
        break;
    default:
        break;
    }
}

4.2 主程序

1. 初始化WiFi；
2. 初始化蓝牙控制器；
3. 使能蓝牙控制器；
4. 初始化bluedroid；
5. 使能bludroid；
6. 获取蓝牙地址；
7. 获取blufi版本号；
8. 创建蓝牙GAP处理事件；
9. 创建blufi事件；

void app_main(void)
{
    esp_err_t ret;

    // Initialize NVS
    ret = nvs_flash_init();
    if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND) {
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
        ret = nvs_flash_init();
    }
    ESP_ERROR_CHECK( ret );

    initialise_wifi();

    ESP_ERROR_CHECK(esp_bt_controller_mem_release(ESP_BT_MODE_CLASSIC_BT));

    //esp_bt_controller_config_t是蓝牙控制器配置结构体，这里使用了一个默认的参数
    esp_bt_controller_config_t bt_cfg = BT_CONTROLLER_INIT_CONFIG_DEFAULT();
    //初始化蓝牙控制器，此函数只能被调用一次，且必须在其他蓝牙功能被调用之前调用
    ret = esp_bt_controller_init(&bt_cfg);
    if (ret) {
        ESP_LOGE(GATTC_TAG, "%s initialize controller failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
        return;
    }

    //使能蓝牙控制器，mode是蓝牙模式，如果想要动态改变蓝牙模式不能直接调用该函数，
    //应该先用disable关闭蓝牙再使用该API来改变蓝牙模式
    ret = esp_bt_controller_enable(ESP_BT_MODE_BLE);
    if (ret) {
        ESP_LOGE(GATTC_TAG, "%s enable controller failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
        return;
    }
    //初始化蓝牙并分配系统资源，它应该被第一个调用
    /*
    蓝牙栈bluedroid stack包括了BT和BLE使用的基本的define和API
    初始化蓝牙栈以后并不能直接使用蓝牙功能，
    还需要用FSM管理蓝牙连接情况
    */
    ret = esp_bluedroid_init();
    if (ret) {
        ESP_LOGE(GATTC_TAG, "%s init bluetooth failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
        return;
    }
    //使能蓝牙栈
    ret = esp_bluedroid_enable();
    if (ret) {
        ESP_LOGE(GATTC_TAG, "%s enable bluetooth failed: %s\n", __func__, esp_err_to_name(ret));
        return;
    }

    //获取蓝牙地址
    BLUFI_INFO("BD ADDR: "ESP_BD_ADDR_STR"\n", ESP_BD_ADDR_HEX(esp_bt_dev_get_address()));
    //获取blufi版本号
    BLUFI_INFO("BLUFI VERSION %04x\n", esp_blufi_get_version());

    //建立蓝牙的FSM（有限状态机）
    //这里使用回调函数来控制每个状态下的响应，需要将其在GAP层的回调函数注册
    /*esp_gap_cb处理蓝牙栈可能发生的所有情况，达到FSM的效果*/
    ret = esp_ble_gap_register_callback(example_gap_event_handler);
    if(ret){
        BLUFI_ERROR("%s gap register failed, error code = %x\n", __func__, ret);
        return;
    }

    ret = esp_blufi_register_callbacks(&example_callbacks);
    if(ret){
        BLUFI_ERROR("%s blufi register failed, error code = %x\n", __func__, ret);
        return;
    }

    esp_blufi_profile_init();
}

五、Station模式配置示例

1. 给模组上电，可通过串口工具看到如下打印：
   
2. 打开手机上的 EspBlufi app，在 app 界面下拉刷新，可以看到周围的蓝牙设备，如下图所示： 安卓APP安装：https://github.com/EspressifApp/EspBlufiForAndroid/releases
   
3. 在刷新后界面显示的⼀系列蓝牙设备中，点击 ESP32模组，跳转到设备界⾯，点击连接，进行蓝牙连接。如果连接成功，则会出现如下页面，此时可点击配网按钮。
   
4. 点击配网按钮，进⼊配网界面。如图所示：
   
5. 点击确定按钮进行配网，如果配网成功，则会出现如下界面，且下方红字将显示配置完成后 Wi-Fi 模式 的 Station 连接信息，包括 AP 的 BSSID 和 SSID 信息，以及连接状态等。
   
6. 同时，串口工具会打印如下信息：