ESP32_WiFi连接

一、WiFi连接

1.ESP32 WiFi功能简介

• ESP32硬件支持2.4G频段的WiFi和BLE 4.2；
• ESP32对WiFi的驱动支持十分完善，我们不需要花费过多精力去研究底层实现，可以将更多的精力放在自己的应用设计上；

2.ESP32 WiFi的三种工作方式

• STA（Station）模式，也称为站点模式或客户端模式,也是ESP32最常用的模式：
  • 在这种模式下，ESP32作为WiFi客户端，主动连接到现有的WiFi接入点（AP，Access Point），从而实现与设备或网络的通信。
  • 例如：ESP32通过连接路由器的WiFi来连接网络；
• SoftAP模式，机软接入点模式：
  • 此时ESP32设备自身充当WiFi接入点，允许其他WiFi客户端连接到它，可以将其看作一个小型的无线热点；
  • 例如：在没有现成的WiFi网络环境中，让手机或其他设备连接到ESP32创建的无线网络中，实现设备间的近距离通信，而无需外部的WiFi网络；
• Station + SoftAP模式：
  • 这种模式结合了上述两种模式的特点，ESP32设备既可以作为WiFi客户端连接到其他接入点，同时又能作为软接入点为其他设备提供WiFi接入服务；
  • 例如：一些物联网场景中，ESP32可以连接到家庭网络以获取网络连接，同时又可以作为附近一些低功耗传感器设备提供本地的WiFi接入，实现数据的收集和上传；

3.ESP32 STA模式代码实现

• ESP-IDF中在esp-idf/examples/wifi/getting_started/station路径下有对应的示例代码
  
• 加注释代码

  #include 
  #include "nvs_flash.h"      
  #include "esp_wifi.h"
  #include "esp_event.h"
  #include "esp_log.h"
  #include "esp_err.h"       //? 错误检查的头文件
  
  #define CON_SSID    	"ling"
  #define CON_PASSWORD    "527628..."
  #define TAG "wifi_sta"
  // #define MY_CFG_ORDER
  
  void event_handle(void* event_handler_arg, esp_event_base_t event_base, int32_t event_id, void* event_data)
  {
      if(event_base == WIFI_EVENT)
      {
          switch (event_id)
          {
          case WIFI_EVENT_STA_START:          //? STA工作模式已启动
              esp_wifi_connect();             //? 连接WiFi
              break;
          case WIFI_EVENT_STA_CONNECTED:      //? EPS32已经成功连接到路由器
              ESP_LOGI(TAG, "esp32 connected to api!");
              break;
          case WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED:   //? 断连
              esp_wifi_connect();
          default:
              break;
          }
      }
      else if(event_base == IP_EVENT)
      {
          switch (event_id)
          {
          case IP_EVENT_STA_GOT_IP:           //? EPS32获取到无线路由器分配的IP,此时ESP32才真正的连接到路由器（如果路由器能连接到互联网，ESP32也能连接到互联网）
              ESP_LOGI(TAG, "esp32 get ip address");
              break;
          default:
              break;
          }
      }
  }
  
  void app_main(void)
  {   
      #ifndef MY_CFG_ORDER
  	    /*  1.初始化NVS
  	        默认状态下，当我们使用一组SSID和密码连接WiFi成功后，ESP-IDF的底层会帮我们把这组SSID和密码保存到NVS中;
  	        下次系统重启后，当进入STA模式并进行连接时，就会用这组SSID和密码进行连接；
  	    */ 
  	    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());      //? 宏ESP_ERROR_CHECK，用来检查NVS初始化是否有问题；
  	    //  2.初始化TCP/IP协议栈（ESP-IDF中使用的时LWIP）
  	    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());      //? netif--->net interface，网络接口的缩写；
  	    /*  3.创建事件系统循环
  	        WiFi连接过程中会产生各种的事件，这些事件都是通过回调函数来通知我们的
  	    */
  	    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
  	    //  4.创建STA
  	    esp_netif_create_default_wifi_sta();    //? 该函数会返回一个STA网卡对象，这里我们使用不到，可以忽略该返回值；
  	    /*  5.初始化WiFi
  	        定义一个WiFi初始化结构体，将其设置到WiFi初始化函数中；
  	        该步骤会设置WiFi的缓冲区数量，加密功能等，我们按默认功能设置就可以；
  	    */
  	    wifi_init_config_t wifi_init_cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
  	    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&wifi_init_cfg));
  	    //  6.注册事件响应
  	    esp_event_handler_register(WIFI_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, event_handle, NULL);      //? 注册WiFi事件回调
  	    esp_event_handler_register(IP_EVENT, IP_EVENT_STA_GOT_IP, event_handle, NULL);     //? 注册IP事件回调(连接到路由器，获取到IP地址后就会触发该事件)
  	    //  7.WiFi参数配置
  	    wifi_config_t wifi_config = {
  	        .sta = {
  	            .ssid = CON_SSID,                               //? SSID，服务器集标识符，即WiFi名称；
  	            .password = CON_PASSWORD,                       //? WiFi密码；
  	            .threshold.authmode = WIFI_AUTH_WPA2_PSK,       //? 配置加密模式，目前常用的时WPA2_PSK;
  	            .pmf_cfg.capable = true,                        //? 是否启用保护管理帧，启用后可以增强安全性；
  	            .pmf_cfg.required = false,                      //? 是否只和有保护管理帧功能的设备通信；
  	        },
  	    };
  	    esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &wifi_config);
  	    //  8.设置WiFi模式
  	    esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA);
  	    //  9.启动WiFi
  	    esp_wifi_start();
  	    
      #else
  	    /*  1.初始化NVS
  	        默认状态下，当我们使用一组SSID和密码连接WiFi成功后，ESP-IDF的底层会帮我们把这组SSID和密码保存到NVS中;
  	        下次系统重启后，当进入STA模式并进行连接时，就会用这组SSID和密码进行连接；
  	    */ 
  	    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());      //? 宏ESP_ERROR_CHECK，用来检查NVS初始化是否有问题；
  	    //  2.初始化TCP/IP协议栈（ESP-IDF中使用的时LWIP）
  	    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());      //? netif--->net interface，网络接口的缩写；
  	    /*  3.创建事件系统循环
  	        WiFi连接过程中会产生各种的事件，这些事件都是通过回调函数来通知我们的
  	    */
  	    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
  	    //  6.注册事件响应
  	    esp_event_handler_register(WIFI_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, event_handle, NULL);      //? 注册WiFi事件回调
  	    esp_event_handler_register(IP_EVENT, IP_EVENT_STA_GOT_IP, event_handle, NULL);     //? 注册IP事件回调(连接到路由器，获取到IP地址后就会触发该事件)
  	    //  4.创建STA
  	    esp_netif_create_default_wifi_sta();    //? 该函数会返回一个STA网卡对象，这里我们使用不到，可以忽略该返回值；
  	    //  8.设置WiFi模式为STA
  	    esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA);
  	    /*  5.初始化WiFi
  	        定义一个WiFi初始化结构体，将其设置到WiFi初始化函数中；
  	        该步骤会设置WiFi的缓冲区数量，加密功能等，我们按默认功能设置就可以；
  	    */
  	    wifi_init_config_t wifi_init_cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
  	    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&wifi_init_cfg));
  	    //  7.WiFi参数配置
  	    wifi_config_t wifi_config = {
  	        .sta = {
  	            .ssid = CON_SSID,                               //? SSID，服务器集标识符，即WiFi名称；
  	            .password = CON_PASSWORD,                       //? WiFi密码；
  	            .threshold.authmode = WIFI_AUTH_WPA2_PSK,       //? 配置加密模式，目前常用的时WPA2_PSK;
  	            .pmf_cfg.capable = true,                        //? 是否启用保护管理帧，启用后可以增强安全性；
  	            .pmf_cfg.required = false,                      //? 是否只和有保护管理帧功能的设备通信；
  	        },
  	    };
  	    esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &wifi_config);
  	    //  9.启动WiFi
  	    esp_wifi_start();
      #endif
  
      
  }
  
  

二、SmartConfig 配网

1.配网

• 上节WiFi连接是把WiFi名称和密码写入代码中进行连接的，但实际应用中不可能这么做，需要把用户自己的WiFi名称和密码输入到设备中。对于没有屏幕输入功能的设备，就需要其他方法把SSID和密码写入到设备中。
• 通过某种方法，把WiFi的名称和密码高数设备，让设备能够正确连接WiFi的过程，称为配网；
• 配网的种类
  • AP配网；
  • SmartConfig配网；（相对简单）
  • 蓝牙配网；

2.SmartConfig配网的原理

• SmartConfig步骤
  • 1.先让芯片处于混杂模式下，监听网络中的所有报文；
  • 2.手机APP将SSID和密码编码到UDP报文中，通过广播报或组播报文的形式发送；
  • 3.芯片收到UDP报文后，解码得到正确的SSID和密码，之后连接到指定的路由；
• SmartConfig的原理

  • 传输数据的特点——加密
    在802.11无线协议中，MAC帧的数据是加密的，没有连上热点的设备是无法读取数据帧的具体内容，具体帧格式如下图所示
    

  • 数据内容如何表示？——长度
    如果手机发送的是UDP广播博文，则这部分加密报文就是IP报文------>虽然我们无法知道报文的确切内容，但我们可以知道报文的长度；------>SmartConfig就是根据UDP报文的长度传输SSID和Password的；

    • IP报文的组成：IPv4头部（20 Bytes） + UDP报文头部（8 Bytes） + UDP报文；UDP报文的长度称为“明文长度”
      假设IPD报文长度为500 Bytes，则UDP报文长度： 500 - 20 - 8 = 472 Bytes；
    • 密文长度 = 明文长度 + 算法常量（固定值，由APP和WiFi设备默认）；
    • 示例：算法常量 = 10；当APP传输“1234”这个数据时，只需要在UDP报文中1196个字节即可【1234 - 20（IPv2头部长度） -8（UDP报文长度） -10（算法常量）】，UDP报文内容可任意填充；

  • 如何区分进行SmartConfig配网的数据——前导码
    当设备在混杂模式时，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的的信道时，设备锁定该信道并继续接受UDP广播包，直到收到足够的数据来解码出WiFi的SSID和Password；------>为了方便和其他UDP广播包区分，前导码由几个特殊的字节组成------>在发送时，APP先发送3个前导码（3个UDP广播包），之后发送用于SmartConfig的UDP广播包，最后发送3个终止码；

  • SmartConfig的流程：

    1. APP部分：假设手机APP要发送“test”这4个字符，算法常量为16，则具体流程如下
    • （1）APP连续发送3个前导码（3个UDP广播包）；
    • （2）APP发送1个UDP广播包，报文总长度为’t’ - 16;
    • （3）APP发送1个UDP广播包，报文总长度为’e’ - 16;
    • （4）APP发送1个UDP广播包，报文总长度为’s’ - 16;
    • （5）APP发送1个UDP广播包，报文总长度为’t’ - 16;
    • （6）APP连续发送3个终止码
    • （7）APP切换WiFi信道重复上述步骤

    2.设备部分

    • （1）设备进入混杂模式，监听网络中所有的报文；
    • （2）连续收到3个前导码报文且来自同一个发射源；
    • （3）持续捕获发射源的数据，直到连续收到3个终止码报文；
    • （4）将捕获到的数据进行解码并缓存；
    • （5）重复2~4步骤，二次验证数据；
    • （6）使用上述步骤得到的WiFi SSID、Password连接WiFi，成功后向APP汇报；

    3.注意：上述是传输的基本原理，但每家厂商的算法常量、前导码、终止码、传输内容格式会不太一样，因此不同厂家的SmartConfig一般是没有办法通用的；

3.ESP32 SmartConfig的APP——ESP Touch下载

• 乐鑫官网下载链接，需要在Github上下载（网速比较慢），下载后发送到手机安装即可
• 蓝奏云下载链接，下载密码：ga7x
  
  

4.示例代码（带注释）

#include 
#include 
#include "esp_log.h"
#include "esp_wifi.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "esp_event.h"
#include "esp_netif.h"
#include "esp_smartconfig.h"

#define TAG "wifi_smartconfig"

void event_handle(void* event_handler_arg, esp_event_base_t event_base, int32_t event_id, void* event_data)
{
    if(event_base == WIFI_EVENT)
    {
        switch (event_id)
        {
        case WIFI_EVENT_STA_START:          //? STA工作模式已启动
            esp_wifi_connect();             //? 连接WiFi
            break;
        case WIFI_EVENT_STA_CONNECTED:      //? EPS32已经成功连接到路由器
            ESP_LOGI(TAG, "esp32 connected to api!");
            break;
        case WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED:   //? 断连
            esp_wifi_connect();
        default:
            break;
        }
    }
    else if(event_base == IP_EVENT)
    {
        switch (event_id)
        {
        case IP_EVENT_STA_GOT_IP:           //? EPS32获取到无线路由器分配的IP,此时ESP32才真正的连接到路由器（如果路由器能连接到互联网，ESP32也能连接到互联网）
            ESP_LOGI(TAG, "esp32 get ip address");
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    else if(event_base == SC_EVENT)
    {
        switch (event_id)
        {
        case SC_EVENT_SCAN_DONE:            //? 扫描完成
            ESP_LOGI(TAG,"sc scan done!");
            break;
        case SC_EVENT_GOT_SSID_PSWD:        //? 收到了APP发过来的SSID和密码
            smartconfig_event_got_ssid_pswd_t *ev = (smartconfig_event_got_ssid_pswd_t *)event_data;
            wifi_config_t wifi_config;
            memset(&wifi_config, 0, sizeof(wifi_config));
            snprintf((char *) wifi_config.sta.ssid, sizeof(wifi_config.sta.ssid), (char *)ev->ssid);
            snprintf((char *) wifi_config.sta.password, sizeof(wifi_config.sta.ssid), (char *)ev->password);
            wifi_config.sta.bssid_set = ev->bssid_set;
            if(wifi_config.sta.bssid_set)   //? 是否设置接入点的MAC地址，共48位，6字节；
                memcpy(wifi_config.sta.bssid, ev->bssid, 6);
            esp_wifi_disconnect();          //? 如果有WiFi连接，先断开连接
            esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &wifi_config);
            esp_wifi_connect();
            break;
        case SC_EVENT_SEND_ACK_DONE:        //? 通知手机APP，Smartconfig结束
            esp_smartconfig_stop();         //? 停止Smartconfig
            break;
        default:
            break;
        }
    }
}


void app_main(void)
{
    /*  1.初始化NVS
        默认状态下，当我们使用一组SSID和密码连接WiFi成功后，ESP-IDF的底层会帮我们把这组SSID和密码保存到NVS中;
        下次系统重启后，当进入STA模式并进行连接时，就会用这组SSID和密码进行连接；
    */ 
    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());      //? 宏ESP_ERROR_CHECK，用来检查NVS初始化是否有问题；
    //  2.初始化TCP/IP协议栈（ESP-IDF中使用的时LWIP）
    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());      //? netif--->net interface，网络接口的缩写；
    /*  3.创建事件系统循环
        WiFi连接过程中会产生各种的事件，这些事件都是通过回调函数来通知我们的
    */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
    //  4.创建STA
    esp_netif_create_default_wifi_sta();    //? 该函数会返回一个STA网卡对象，这里我们使用不到，可以忽略该返回值；
    /*  5.初始化WiFi
        定义一个WiFi初始化结构体，将其设置到WiFi初始化函数中；
        该步骤会设置WiFi的缓冲区数量，加密功能等，我们按默认功能设置就可以；
    */
    wifi_init_config_t wifi_init_cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&wifi_init_cfg));
    //  6.注册事件响应
    esp_event_handler_register(WIFI_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, event_handle, NULL);      //? 注册WiFi事件回调
    esp_event_handler_register(IP_EVENT, IP_EVENT_STA_GOT_IP, event_handle, NULL);     //? 注册IP事件回调(连接到路由器，获取到IP地址后就会触发该事件)
    esp_event_handler_register(SC_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, event_handle, NULL);
    //  8.设置WiFi模式
    esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA);
    //  9.启动WiFi
    esp_wifi_start();
    // 10.开启SmartConfig
    esp_smartconfig_set_type(SC_TYPE_ESPTOUCH);     //? 设置SmartConfig类型
    smartconfig_start_config_t sc_cfg = SMARTCONFIG_START_CONFIG_DEFAULT();
    esp_smartconfig_start(&sc_cfg);

    return;
}