【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NVS
    initialise_wifi();          //初始化wifi
    s_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SmartConfig
    while (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NVS
            write_nvs_password(s_password_value);   //将password写入NVS
            s_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WIFI
        ESP_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_PSWD和SC_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
 

​​

请大家多多支持。

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