智能家居設備正變得越來越普遍，這要歸功于遠程控制的可能性和配置的便利性。燈、智能插頭、恒溫器和氣象站只是智能家居設備中最常見的一些例子，如今主要配備 WiFi 通信接口。任何有機會使用眾多智能 WiFi 燈或燈泡之一的人都知道將設備連接到 WiFi 網(wǎng)絡并遠程控制其操作是多么快速和簡單。我們如何在小型ESP8266設備上重現(xiàn)這種行為，將其變成智能家居設備？

介紹

在本文中，將解釋嵌入式設備如何在不知道其憑據(jù)的情況下連接到 WiFi 網(wǎng)絡（通常是安全的）。由于智能設備沒有任何鍵盤或觸摸屏顯示器，用戶無法輸入 WiFi SSID 和密碼。那么，商業(yè)設備如何在無需上傳新固件的情況下連接到 WiFi 網(wǎng)絡呢？

德州儀器 （Texas Instruments） 為簡化嵌入式設備與家庭 WiFi 網(wǎng)絡的連接而開發(fā)的SmartConfig技術解釋了這個明顯的謎團：此操作只需一次，并且由一個簡單的步驟組成。在本文的后續(xù)部分，我們將介紹在 Espressif Systems 開發(fā)的ESP8266系列設備上激活 SmartConfig 功能的必要程序，這是一款提供 WiFi 接口并適合支持智能家居應用的廉價板。

工作原理

盡管德州儀器尚未發(fā)布任何真正的 SmartConfig 公有文檔，但其操作原理相對簡單。連接到家庭 WiFi 網(wǎng)絡的主機設備（智能手機、平板電腦或 PC）向虛構的接收者發(fā)送 UDP 數(shù)據(jù)包，其中包含用于訪問 WiFi 網(wǎng)絡的 SSID 和密碼。仍未連接的智能設備正在偵聽和監(jiān)視網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的流量。

當客戶端識別到主機發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，它會對其進行解碼，提取用于訪問 WiFi 網(wǎng)絡的憑據(jù)，并將它們存儲在自己的非易失性存儲器中，以便在每次上電時重復使用。從這一刻起，智能設備將能夠連接到 WiFi 網(wǎng)絡，而無需任何外部干預。如果設備隨后將被移動到另一個 WiFi 網(wǎng)絡的范圍內（例如在另一個房子中），則應重復相同的過程以獲取新的憑證。

圖 1所示的移動設備配備了一個特殊的應用程序，該應用程序連接到家庭 WiFi 網(wǎng)絡，將一系列 UDP 數(shù)據(jù)包傳輸?shù)?WiFi 接入點 （AP）。在這些數(shù)據(jù)包的長度字段中，應用程序對 WiFi 網(wǎng)絡的 SSID 和密碼進行編碼。在智能設備上啟用 SmartConfig 功能時，對長度字段的內容進行解碼以提取訪問網(wǎng)絡的憑據(jù)。

通過網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)包的結構符合IEEE 802.3 標準。具體而言，數(shù)據(jù)鏈路頭由 14 個字節(jié)組成：6 個字節(jié)用于目標地址，6 個字節(jié)用于源地址，2 個字節(jié)指定數(shù)據(jù)字段的長度。之所以選擇在 2 字節(jié)長度字段中輸入有關 WiFi 網(wǎng)絡的信息的原因非常簡單：即使在接入點上激活了安全連接，該字段也不會被編碼。

SmartConfig 功能由用于通過Arduino IDE開發(fā)草圖的ESP8266 WiFi 庫完全集成和支持。API 接口非常簡單：在“站”模式下配置 WiFi 收發(fā)器后，草圖中唯一要使用的功能如下：

? bool beginSmartConfig（） – 在設備上啟用 SmartConfig 功能。如果成功，則返回 true，否則返回 false；

? bool smartConfigdone（） – 它是更相關的函數(shù)：當設備已通過Sm??artConfig 協(xié)議正確配置并已建立WiFi 連接時，它返回true；

? bool stopSmartConfig（） – 此函數(shù)禁用設備上的SmartConfig 功能。此功能的使用是可選的，在我們的草圖中根本不會使用。

草圖

所有處理都在setup函數(shù)內部執(zhí)行。最初，WiFi 連接配置為站模式，并初始化串行線路波特率。隨后，如果設備在 10 秒超時后未能使用其非易失性存儲器中包含的信息連接到 WiFi 網(wǎng)絡，則調用beginSmartConfig函數(shù)以啟用此功能。然后，草圖進入一個循環(huán)，無限期地等待應用程序發(fā)送的 UDP 數(shù)據(jù)包的到達和隨后的解碼。

發(fā)生這種情況時，smartConfigDone函數(shù)返回一個非零值，草圖退出循環(huán)并在串行線路上顯示一條消息，其中包含用于連接到 WiFi 網(wǎng)絡的憑據(jù)和 DHCP 服務器分配的 IP 地址。后續(xù)連接將使用相同的憑據(jù)。除了在串口線上發(fā)送的調試信息外，Sketch 還使用板載 LED 顯示程序所在的階段，根據(jù)以下方案：

? LED 亮起：設備嘗試連接到 WiFi 網(wǎng)絡的初始階段；

? LED 閃爍：設備正在等待主機 UDP 數(shù)據(jù)包；

? LED 熄滅：設備已連接到 WiFi 網(wǎng)絡。

#include

#include

void setup（）

{

int retry=0， config_done=0;

// 在站模式下配置 WiFi

WiFi.mode（WIFI_STA）;

// 配置串口波特率

Serial.begin（9600）;

// 將板載 LED 配置為輸出引腳

pinMode（16， OUTPUT）;

// 打開 LED

digitalWrite（16， LOW）;

// 檢查是否可以建立 WiFi 連接

Serial.println（“Attempt to connect to WiFi network.。.”）;

而（WiFi.status（）！= WL_CONNECTED）

{

Serial.print（“?！保?；

延遲（500）；

if （retry++ 》= 20） // 連接超時為 10 秒

{

Serial.println（“連接超時已過期！啟動 SmartConfig.。.”）;

WiFi.beginSmartConfig（）;

// 永遠循環(huán)：僅在接收到 SmartConfig 數(shù)據(jù)包時退出

while （true）

{

delay（500）;

Serial.print（“?！保?

if （WiFi.smartConfigDone（））

{

Serial.println（“nSmartConfig 配置成功”）;

配置完成=1；

休息; // 退出循環(huán)

}

切換LED（）；

}

if （config_done==1）

中斷；

}

}

// 關閉 LED

digitalWrite（16， HIGH）;

// 等待 IP 地址分配

while（WiFi.status（） ！= WL_CONNECTED）

{

delay（50）;

}

// 顯示 WiFi 連接數(shù)據(jù)

Serial.println（“”）;

WiFi.printDiag（串行）；

// 顯示分配給我們設備的 IP 地址

Serial.println（WiFi.localIP（））;

}

void loop（）

{

// 無事可做！

}

無效切換LED（）

{

靜態(tài)int pinStatus = LOW；

如果（pinStatus==HIGH）

pinStatus=LOW；

否則

pinStatus=HIGH;

數(shù)字寫入（16，pinStatus）；

}

必須將草圖加載并編譯到先前配置為支持ESP8266 系列板的Arduino IDE環(huán)境中。在啟動構建之前，請確保工具菜單中的 Erase Flash：“Sketch+WiFi 設置”選項已啟用。此選項會刪除任何以前存儲的用于訪問 WiFi 網(wǎng)絡的憑據(jù)。

該應用程序

要配置設備，我們將使用可從 Google Play 免費下載的ESP8266 SmartConfig 應用程序。安裝后，確保移動設備連接到您要連接 ESP8266 的同一 WiFi 網(wǎng)絡。在應用程序的主窗口中，檢查網(wǎng)絡 SSID 是否正確，然后在下面的文本框中輸入密碼。然后按頁面底部的 CONFIRM 按鈕，將幀長度字段中編碼的 SSID 和密碼信息發(fā)送到如上所述的 ESP8266。

幾秒鐘后，我們將獲得智能設備成功配置的確認，如應用程序和串行監(jiān)視器上的日志所示。

此時您可以按下確認按鈕并關閉應用程序，除非您想將智能設備連接到另一個 WiFi 網(wǎng)絡或更改訪問憑據(jù)（SSID 和/或密碼），否則將不再需要此操作。從現(xiàn)在開始，ESP8266 可以獨立連接到 WiFi 網(wǎng)絡，使用通過 SmartConfig 接收并存儲在內部 eeprom 內存中的信息。

項目跟進

本文中的草圖旨在作為開發(fā)完整智能家居設備項目的基礎。雖然這些方面將在后面的文章中更詳細地討論，但我們已經(jīng)可以突出顯示我們可以對項目進行的一些擴展。首先，可以通過在 WiFi 連接之后的階段插入能夠處理來自遠程客戶端的連接請求的 Web 服務器來修改草圖。因此，可以通過任何智能手機、平板電腦或 PC 與智能設備進行交互：我們只需使用互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器連接到設備即可。下一步可能是將繼電器連接到 ESP8266 板并遠程控制連接到它們的負載的開/關，添加溫度、濕度、亮度、RGB 或其他傳感器。所有這些設備都將以簡單有效的方式遠程控制。以同樣的方式操作，我們可以構建一個智能插座或 WiFi 燈。

結論

我們在本文中已經(jīng)看到，通過幾個簡單的步驟，可以通過 SmartConfig 協(xié)議配置普通的 ESP8266 卡，使其連接到所需的 WiFi 網(wǎng)絡，而無需修改電路板上的固件。該操作構成了構建完整智能家居應用程序的基礎和基本要求。在以后的文章中，我們將看到如何通過創(chuàng)建一個完整的操作智能設備來擴展這個項目。

審核編輯：郭婷