智能家居設(shè)備正變得越來(lái)越普遍，這要?dú)w功于遠(yuǎn)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(shè)備中最常見(jiàn)的一些例子，如今主要配備 WiFi 通信接口。任何有機(jī)會(huì)使用眾多智能 WiFi 燈或燈泡之一的人都知道將設(shè)備連接到 WiFi 網(wǎng)絡(luò)并遠(yuǎn)程控制其操作是多么快速和簡(jiǎn)單。我們?nèi)绾卧谛⌒?a href="http://qiaming.cn/v/tag/590/" target="_blank">ESP8266設(shè)備上重現(xiàn)這種行為，將其變成智能家居設(shè)備？

介紹

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

德州儀器 （Texas Instruments） 為簡(jiǎn)化嵌入式設(shè)備與家庭 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的連接而開(kāi)發(fā)的SmartConfig技術(shù)解釋了這個(gè)明顯的謎團(tuán)：此操作只需一次，并且由一個(gè)簡(jiǎn)單的步驟組成。在本文的后續(xù)部分，我們將介紹在 Espressif Systems 開(kāi)發(fā)的ESP8266系列設(shè)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(yīng)用的廉價(jià)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(duì)簡(jiǎn)單。連接到家庭 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦或 PC）向虛構(gòu)的接收者發(fā)送 UDP 數(shù)據(jù)包，其中包含用于訪問(wèn) WiFi 網(wǎng)絡(luò)的 SSID 和密碼。仍未連接的智能設(shè)備正在偵聽(tīng)和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的流量。

當(dāng)客戶(hù)端識(shí)別到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包時(shí)，它會(huì)對(duì)其進(jìn)行解碼，提取用于訪問(wèn) WiFi 網(wǎng)絡(luò)的憑據(jù)，并將它們存儲(chǔ)在自己的非易失性存儲(chǔ)器中，以便在每次上電時(shí)重復(fù)使用。從這一刻起，智能設(shè)備將能夠連接到 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需任何外部干預(yù)。如果設(shè)備隨后將被移動(dòng)到另一個(gè) WiFi 網(wǎng)絡(luò)的范圍內(nèi)（例如在另一個(gè)房子中），則應(yīng)重復(fù)相同的過(guò)程以獲取新的憑證。

圖 1所示的移動(dòng)設(shè)備配備了一個(gè)特殊的應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序連接到家庭 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，將一系列 UDP 數(shù)據(jù)包傳輸?shù)?WiFi 接入點(diǎn) （AP）。在這些數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度字段中，應(yīng)用程序?qū)?WiFi 網(wǎng)絡(luò)的 SSID 和密碼進(jìn)行編碼。在智能設(shè)備上啟用 SmartConfig 功能時(shí)，對(duì)長(zhǎng)度字段的內(nèi)容進(jìn)行解碼以提取訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的憑據(jù)。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)符合IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)。具體而言，數(shù)據(jù)鏈路頭由 14 個(gè)字節(jié)組成：6 個(gè)字節(jié)用于目標(biāo)地址，6 個(gè)字節(jié)用于源地址，2 個(gè)字節(jié)指定數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度。之所以選擇在 2 字節(jié)長(zhǎng)度字段中輸入有關(guān) WiFi 網(wǎng)絡(luò)的信息的原因非常簡(jiǎn)單：即使在接入點(diǎn)上激活了安全連接，該字段也不會(huì)被編碼。

SmartConfig 功能由用于通過(guò)Arduino IDE開(kāi)發(fā)草圖的ESP8266 WiFi 庫(kù)完全集成和支持。API 接口非常簡(jiǎn)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(shè)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(guān)的函數(shù)：當(dāng)設(shè)備已通過(guò)Sm??artConfig 協(xié)議正確配置并已建立WiFi 連接時(shí)，它返回true；

? bool stopSmartConfig（） – 此函數(shù)禁用設(shè)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(huì)使用。

草圖

所有處理都在setup函數(shù)內(nèi)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(shè)備在 10 秒超時(shí)后未能使用其非易失性存儲(chǔ)器中包含的信息連接到 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，則調(diào)用beginSmartConfig函數(shù)以啟用此功能。然后，草圖進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，無(wú)限期地等待應(yīng)用程序發(fā)送的 UDP 數(shù)據(jù)包的到達(dá)和隨后的解碼。

發(fā)生這種情況時(shí)，smartConfigDone函數(shù)返回一個(gè)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(luò)的憑據(jù)和 DHCP 服務(wù)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(diào)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(shè)備嘗試連接到 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的初始階段；

? LED 閃爍：設(shè)備正在等待主機(jī) UDP 數(shù)據(jù)包；

? LED 熄滅：設(shè)備已連接到 WiFi 網(wǎng)絡(luò)。

#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(kāi) 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(shí)為 10 秒

{

Serial.println（“連接超時(shí)已過(guò)期！啟動(dòng) SmartConfig.。.”）;

WiFi.beginSmartConfig（）;

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

while （true）

{

delay（500）;

Serial.print（“。”）;

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(guān)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?cè)O(shè)備的 IP 地址

Serial.println（WiFi.localIP（））;

}

void loop（）

{

// 無(wú)事可做！

}

無(wú)效切換LED（）

{

靜態(tài)int pinStatus = LOW；

如果（pinStatus==HIGH）

pinStatus=LOW；

否則

pinStatus=HIGH;

數(shù)字寫(xiě)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(dòng)構(gòu)建之前，請(qǐng)確保工具菜單中的 Erase Flash：“Sketch+WiFi 設(shè)置”選項(xiàng)已啟用。此選項(xiàng)會(huì)刪除任何以前存儲(chǔ)的用于訪問(wèn) WiFi 網(wǎng)絡(luò)的憑據(jù)。

該應(yīng)用程序

要配置設(shè)備，我們將使用可從 Google Play 免費(fèi)下載的ESP8266 SmartConfig 應(yīng)用程序。安裝后，確保移動(dòng)設(shè)備連接到您要連接 ESP8266 的同一 WiFi 網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)用程序的主窗口中，檢查網(wǎng)絡(luò) SSID 是否正確，然后在下面的文本框中輸入密碼。然后按頁(yè)面底部的 CONFIRM 按鈕，將幀長(zhǎng)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(shè)備成功配置的確認(rèn)，如應(yīng)用程序和串行監(jiān)視器上的日志所示。

此時(shí)您可以按下確認(rèn)按鈕并關(guān)閉應(yīng)用程序，除非您想將智能設(shè)備連接到另一個(gè) WiFi 網(wǎng)絡(luò)或更改訪問(wèn)憑據(jù)（SSID 和/或密碼），否則將不再需要此操作。從現(xiàn)在開(kāi)始，ESP8266 可以獨(dú)立連接到 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，使用通過(guò) SmartConfig 接收并存儲(chǔ)在內(nèi)部 eeprom 內(nèi)存中的信息。

項(xiàng)目跟進(jìn)

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

結(jié)論

我們?cè)诒疚闹幸呀?jīng)看到，通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，可以通過(guò) SmartConfig 協(xié)議配置普通的 ESP8266 卡，使其連接到所需的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需修改電路板上的固件。該操作構(gòu)成了構(gòu)建完整智能家居應(yīng)用程序的基礎(chǔ)和基本要求。在以后的文章中，我們將看到如何通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)完整的操作智能設(shè)備來(lái)擴(kuò)展這個(gè)項(xiàng)目。

審核編輯：郭婷