ESP32学习笔记（49）——ESP-WIFI-MESH接口使用

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了ESP32学习笔记（49）——ESP-WIFI-MESH接口使用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、ESP-WIFI-MESH简介

1.1 概述

ESP-WIFI-MESH是建立在Wi-Fi协议之上的网络协议。ESP-WIFI-MESH允许分布在大范围物理区域内(室内和室外)的许多设备(以下称为节点)在同一个WLAN(无线局域网)下互连。ESP-WIFI-MESH是自组织和自修复的，这意味着网络可以自主构建和维护。

ESP-IDF 编程指南——ESP-WIFI-MESH
ESP-WIFI-MESH 编程指南

1.2 网络结构区别

传统Wi-Fi网络是“一点对多点”网络，其中称为接入点(AP)的单个中心节点直接连接到所有其他称为站点(Station)的节点。AP负责仲裁和转发站之间的传输。有些接入点还通过路由器中继与外部IP网络之间的传输。传统Wi-Fi网络的缺点是覆盖范围有限，因为要求每个站点都必须在范围内才能直接与AP连接。此外，传统Wi-Fi网络容易过载，因为网络中允许的最大站点数量受到AP容量的限制。

ESP-WIFI-MESH不同于传统Wi-Fi网络，因为节点不需要连接到中心节点。相反，允许节点与相邻节点连接。节点相互负责转发彼此的传输。ESP-WIFI-MESH网络的覆盖区域更广，因为节点仍然可以实现互连，而不需要在中心节点的范围内。同样，ESP-WIFI-MESH也不容易过载，因为网络上允许的节点数量不再受单个中心节点的限制。

1.3 术语

术语描述
节点任何 属于 或 可以成为 ESP-WIFI-MESH 网络一部分的设备
根节点网络顶部的节点
子节点如节点 X 连接至节点 Y，且 X 相较 Y 与根节点的距离更远（跨越的连接数量更多），则称 X 为 Y 的子节点。
父节点子节点的相反概念
后代节点任何可以从根节点追溯到的节点
兄弟节点连接至同一个父节点的所有节点
连接AP 和 Station 之间的传统 Wi-Fi 关联。ESP-WIFI-MESH 中的节点使用 Station 接口与另一个节点的 SoftAP 接口产生关联，进而形成连接。连接包括 Wi-Fi 网络中的身份验证和关联过程。
上行连接从节点到其父节点的连接
下行连接从父节点到其一个子节点的连接
无线 hop源节点和目标节点间无线连接路径中的一部分。单跳指遍历单个连接的数据包，多跳指遍历多个连接的数据包。
子网指 ESP-WIFI-MESH 网络的一部分，包括一个节点及其所有后代节点。因此，根节点的子网包括 ESP-WIFI-MESH 网络中的所有节点。
MAC 地址在 ESP-WIFI-MESH 网络中用于区别每个节点或路由器的唯一地址
DS分布式系统（外部 IP 网络）

1.4 树型拓扑

ESP-WIFI-MESH建立在基础设施Wi-Fi协议之上，可以被认为是一种将许多单独的Wi-Fi网络组合成一个WLAN的网络协议。在Wi-Fi中，Station在任何时候都只能与一个AP建立一个连接(上行连接)，而一个AP可以同时连接到多个Station(下行连接)。然而，ESP-WIFI-MESH允许节点同时充当Station和AP。因此，ESP-WIFI-MESH中的节点可以使用其SoftAP接口建立多个下行连接，同时使用其Station接口建立一个上行连接。这将自然产生一个由多层父子结构组成的树型网络拓扑结构。

ESP-WIFI-MESH是多跳(multi-hop)网络，这意味着节点可以通过单跳或多跳向网络中的其他节点传输数据包。因此，ESP-WIFI-MESH中的节点不仅传输自己的数据包，还同时充当其他节点的中继。假设物理层上的任意两个节点之间存在路径(通过单跳或多跳)，则ESP-WIFI-MESH网络内的任意一对节点都可以通信。

注意： ESP-WIFI-MESH网络中的大小(节点总数)取决于网络中允许的最大层数，以及每个节点可以拥有的最大下游连接数。这两个变量都可以配置为限制网络的规模。

1.5 节点类型

  • 根节点： 是指网络中的顶级节点，并且充当ESP-WIFI-MESH网络和外部IP网络之间的唯一接口。根节点连接到传统的Wi-Fi路由器，并将来往外部IP网络的数据包中继到ESP-WIFI-MESH网络内的节点。ESP-WIFI-MESH网络中只能有一个根节点，根节点的上行连接只能是路由器。如上图，节点A是ESP-WIFI-MESH网络的根节点。

  • 叶节点： 是指不允许有任何子节点的节点(即没有下行连接)。因此，叶节点只能发送或接收自己的数据包，而不能转发其他节点的数据包。如果一个节点位于网络中的最大允许层，它将被指定为叶节点。这将防止节点形成任何下行连接，从而确保网络不会增加额外的层数。由于建立任何下行连接都需要SoftAP接口，一些没有SoftAP接口的节点(仅Station)也将被指定为叶节点。如上图，节点L/M/N位于网络最大允许层，因此被指定为叶节点。

  • 中间父节点： 是指既不是根节点也不是叶节点的连接节点。中间父节点必须有一个上行连接(即一个父节点)，但可以有零到多个下行连接(零到多个子节点)。因此，中间父节点可以发送和接收数据包，还可以转发从其上行和下行连接发送的数据包。如上图，节点B到J是中间父节点。**注意，没有下行连接的中间父节点(如节点E/F/G/I/J)不等同于叶节点，因为它们仍然被允许在将来形成下行连接。

  • 空闲节点： 是指尚未加入网络的节点。空闲节点将尝试与中间父节点形成上行连接，或者在有条件的情况下尝试成为根节点(参见自动根节点选择)。如上图，节点K和O是空闲节点。

二、API说明

以下 Mesh 接口位于 components/esp_wifi/include/esp_mesh.h。

2.1 esp_mesh_init

2.2 esp_mesh_start

2.3 esp_mesh_send


2.4 esp_mesh_recv

2.5 esp_mesh_set_config

2.6 esp_mesh_set_max_layer

2.7 esp_mesh_get_layer

2.8 esp_mesh_is_root

2.9 esp_mesh_get_routing_table

2.10 esp_mesh_set_topology

三、编程流程

3.1 初始化LwIP和WIFI

ESP-WIFI-MESH软件栈构建在Wi-Fi驱动程序/FreeRTOS之上，在某些情况下可能会使用LwIP栈(即根节点)。下图说明了ESP-WIFI-MESH软件栈。

应用程序通过ESP-WIFI-MESH事件与ESP-WIFI-MESH交互。由于ESP-WIFI-MESH构建在Wi-Fi栈之上，因此应用程序也可以通过Wi-Fi事件任务与Wi-Fi驱动交互。下图说明了ESP-WIFI-MESH应用程序中各种系统事件的接口。

启动ESP-WIFI-MESH的先决条件是初始化LwIP和Wi-Fi。

void app_main(void)

    /* 初始化NVS */
    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
    /* 初始化底层TCP/IP堆栈 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());
    /* 初始化事件 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
    /* 为Mesh创建STA和AP模式网络接口（仅保存STA接口以供进一步操作），并关闭DHCP服务器和客户端（DHCP客户端只有设备成为根节点才启用） */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_create_default_wifi_mesh_netifs(&netif_sta, NULL));
    /* 初始化WIFI */
    wifi_init_config_t config = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&config));
    /* 注册IP事件处理程序 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(IP_EVENT, IP_EVENT_STA_GOT_IP, &ip_event_handler, NULL));
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_storage(WIFI_STORAGE_FLASH));
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());
    ···
    ···

应用程序可以直接访问ESP-WIFI-MESH栈，而无需通过LwIP栈。仅根节点需要LwIP栈向/从外部IP网络发送/接收数据。 但是，由于每个节点都可能成为根节点（由于自动根节点选择），所以每个节点仍必须初始化LwIP栈，通过esp_netif_init()。为了防止非根节点访问LwIP栈，应用程序不应该使用esp _ netif API创建或注册任何网络接口。

ESP-WIFI-MESH需要根节点与路由器连接。因此，如果一个节点成为根节点，相应的处理程序必须启动DHCP客户端服务，并立即获取IP地址。这样做将允许其他节点开始向/从外部IP网络发送/接收数据包。但是，如果使用静态IP设置，则此步骤是不必要的。

在可以使用ESP-WIFI-MESH系统事件之前，应用程序必须通过esp_event_handler_register()注册Mesh事件处理回调函数。 注册的Mesh事件处理回调函数包含与应用程序相关的每个ESP-WIFI-MESH事件的处理程序。

3.2 初始化Mesh

void app_main(void)

    ···
    ···
    /* 初始化Mesh */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_init());
    /* 注册Mesh事件处理程序 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(MESH_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, &mesh_event_handler, NULL));
    ···
    ···

3.3 配置Mesh拓扑结构

void app_main(void)

    ···
    ···
    /* 设置Mesh拓扑结构 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_topology(MESH_TOPO_TREE));
    /* 根据拓扑结构设置Mesh最大层数 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_max_layer(6));
    /* 设置Mesh根节点推举百分比（只有达到此阈值才可成为根节点） */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_vote_percentage(1));
    /* 设置RX队列大小 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_xon_qsize(128));
    ···
    ···

3.4 配置Mesh低功耗功能

void app_main(void)

    ···
    ···
#ifdef CONFIG_MESH_ENABLE_PS
    /* 启用Mesh低功耗功能 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_enable_ps());
    /* 设置 Mesh AP模式关联过期时间（在AP模式下此时间内未收到某个子节点的任何数据，Mesh将子节点置为不活跃的并分离它） */
    /* 如果设置了较小的占空比，最好增加关联过期时间 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_ap_assoc_expire(60));
    /* 如果设置了较小的占空比，最好增加广播间隔以避免过多的管理流量 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_announce_interval(600, 3300));
#else
    /* 禁用Mesh低功耗功能 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_disable_ps());
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_ap_assoc_expire(10));
#endif
    ···
#ifdef CONFIG_MESH_ENABLE_PS
    /* set the device active duty cycle. (default:12, MESH_PS_DEVICE_DUTY_REQUEST) */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_active_duty_cycle(CONFIG_MESH_PS_DEV_DUTY, CONFIG_MESH_PS_DEV_DUTY_TYPE));
    /* set the network active duty cycle. (default:12, -1, MESH_PS_NETWORK_DUTY_APPLIED_ENTIRE) */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_network_duty_cycle(CONFIG_MESH_PS_NWK_DUTY, CONFIG_MESH_PS_NWK_DUTY_DURATION, CONFIG_MESH_PS_NWK_DUTY_RULE));
#endif
    ···

3.5 配置Mesh网络

ESP-WIFI-MESH通过esp_mesh_set_config()配置，它使用mesh_cfg_t结构接收其参数。 该结构包含用于配置ESP-WIFI-MESH的以下参数：

参数描述
Channel通道，范围从 1 到 14
Mesh IDESP-WIFI-MESH网络的ID，请参见mesh_addr_t
Router路由器配置，请参见mesh_router_t
Mesh APMesh 接入点配置，请参见mesh_ap_cfg_t
Crypto FunctionsMesh IE的加密功能，请参见mesh_crypto_funcs_t

在ESP-WIFI-MESH网络构建过程开始之前，配置的某些部分必须在网络中的每个节点上保持一致（请参阅mesh_cfg_t）。每个节点必须配置相同的Mesh网络ID，路由器配置和SoftAP配置。

void app_main(void)

    ···
    ···
    /* 默认启用Mesh IE加密 */
    mesh_cfg_t cfg = MESH_INIT_CONFIG_DEFAULT();
    /* Mesh ID */
    memcpy((uint8_t *) &cfg.mesh_id, MESH_ID, 6);
    /* 路由器 */
    /* 信道（需与路由器信道匹配）*/
    cfg.channel = CONFIG_MESH_CHANNEL;
    cfg.router.ssid_len = strlen(CONFIG_MESH_ROUTER_SSID);
    memcpy((uint8_t *) &cfg.router.ssid, CONFIG_MESH_ROUTER_SSID, cfg.router.ssid_len);
    memcpy((uint8_t *) &cfg.router.password, CONFIG_MESH_ROUTER_PASSWD,
           strlen(CONFIG_MESH_ROUTER_PASSWD));
    /* Mesh softAP */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_ap_authmode(CONFIG_MESH_AP_AUTHMODE));
    cfg.mesh_ap.max_connection = CONFIG_MESH_AP_CONNECTIONS;
    memcpy((uint8_t *) &cfg.mesh_ap.password, CONFIG_MESH_AP_PASSWD,
           strlen(CONFIG_MESH_AP_PASSWD));
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_set_config(&cfg));
    ···
    ···

3.6 启动Mesh

void app_main(void)

    ···
    ···
    /* 启动Mesh */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_mesh_start());
    ···
    ESP_LOGI(MESH_TAG, "mesh starts successfully, heap:%d, %s<%d>%s, ps:%d\\n",  esp_get_minimum_free_heap_size(),
             esp_mesh_is_root_fixed() ? "root fixed" : "root not fixed",
             esp_mesh_get_topology(), esp_mesh_get_topology() ? "(chain)":"(tree)", esp_mesh_is_ps_enabled());

启动ESP-WIFI-MESH后，应用程序应检查ESP-WIFI-MESH事件，以确定它何时连接到网络。连接后，应用程序可以使用esp_mesh_send()和esp_mesh_recv()发送和接收数据包。

3.7 Mesh事件处理程序

void mesh_event_handler(void *arg, esp_event_base_t event_base,
                        int32_t event_id, void *event_data)

    mesh_addr_t id = 0,;
    static uint16_t last_layer = 0;

    switch (event_id) 
    /* Mesh启动完成事件 */
    case MESH_EVENT_STARTED: 
        /* 获取Mesh网络ID*/
        esp_mesh_get_id(&id);
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_MESH_STARTED>ID:"MACSTR"", MAC2STR(id.addr));
        is_mesh_connected = false;
        /* 获取Mesh网络上的当前图层值*/
        mesh_layer = esp_mesh_get_layer();
    
    break;
    /* Mesh停止完成事件 */
    case MESH_EVENT_STOPPED: 
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_STOPPED>");
        is_mesh_connected = false;
        mesh_layer = esp_mesh_get_layer();
    
    break;
    /* 子节点连接事件 */
    case MESH_EVENT_CHILD_CONNECTED: 
        mesh_event_child_connected_t *child_connected = (mesh_event_child_connected_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_CHILD_CONNECTED>aid:%d, "MACSTR"",
                 child_connected->aid,
                 MAC2STR(child_connected->mac));
    
    break;
    /* 子节点断开连接事件 */
    case MESH_EVENT_CHILD_DISCONNECTED: 
        mesh_event_child_disconnected_t *child_disconnected = (mesh_event_child_disconnected_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_CHILD_DISCONNECTED>aid:%d, "MACSTR"",
                 child_disconnected->aid,
                 MAC2STR(child_disconnected->mac));
    
    break;
    /* 子节点加入路由表事件 */
    case MESH_EVENT_ROUTING_TABLE_ADD: 
        mesh_event_routing_table_change_t *routing_table = (mesh_event_routing_table_change_t *)event_data;
        ESP_LOGW(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_ROUTING_TABLE_ADD>add %d, new:%d, layer:%d",
                 routing_table->rt_size_change,
                 routing_table->rt_size_new, mesh_layer);
    
    break;
    /* 子节点移出路由表事件 */
    case MESH_EVENT_ROUTING_TABLE_REMOVE: 
        mesh_event_routing_table_change_t *routing_table = (mesh_event_routing_table_change_t *)event_data;
        ESP_LOGW(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_ROUTING_TABLE_REMOVE>remove %d, new:%d, layer:%d",
                 routing_table->rt_size_change,
                 routing_table->rt_size_new, mesh_layer);
    
    break;
    /* 找不到父节点事件 */
    case MESH_EVENT_NO_PARENT_FOUND: 
        mesh_event_no_parent_found_t *no_parent = (mesh_event_no_parent_found_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_NO_PARENT_FOUND>scan times:%d",
                 no_parent->scan_times);
    
    /* TODO handler for the failure */
    break;
    /* 已连接到父节点事件 */
    case MESH_EVENT_PARENT_CONNECTED: 
        mesh_event_connected_t *connected = (mesh_event_connected_t *)event_data;
        esp_mesh_get_id(&id);
        mesh_layer = connected->self_layer;
        memcpy(&mesh_parent_addr.addr, connected->connected.bssid, 6);
        ESP_LOGI(MESH_TAG,
                 "<MESH_EVENT_PARENT_CONNECTED>layer:%d-->%d, parent:"MACSTR"%s, ID:"MACSTR", duty:%d",
                 last_layer, mesh_layer, MAC2STR(mesh_parent_addr.addr),
                 esp_mesh_is_root() ? "<ROOT>" :
                 (mesh_layer == 2) ? "<layer2>" : "", MAC2STR(id.addr), connected->duty);
        last_layer = mesh_layer;
        /* 已连接到父节点状态指示 */
        mesh_connected_indicator(mesh_layer);
        is_mesh_connected = true;
        /* 判断该设备是否为Mesh网络中的根节点 */
        if (esp_mesh_is_root()) 
            /* 开启DHCP客户端获取IP */
            esp_netif_dhcpc_start(netif_sta);
        
        /* 创建Mesh网络点对点发送和接收两个任务 */
        esp_mesh_comm_p2p_start();
    
    break;

    /* 与父节点断开连接事件 */
    case MESH_EVENT_PARENT_DISCONNECTED: 
        mesh_event_disconnected_t *disconnected = (mesh_event_disconnected_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG,
                 "<MESH_EVENT_PARENT_DISCONNECTED>reason:%d",
                 disconnected->reason);
        is_mesh_connected = false;
        mesh_disconnected_indicator();
        mesh_layer = esp_mesh_get_layer();
    
    break;
    /* Mesh网络上图层变更事件 */
    case MESH_EVENT_LAYER_CHANGE: 
        mesh_event_layer_change_t *layer_change = (mesh_event_layer_change_t *)event_data;
        mesh_layer = layer_change->new_layer;
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_LAYER_CHANGE>layer:%d-->%d%s",
                 last_layer, mesh_layer,
                 esp_mesh_is_root() ? "<ROOT>" :
                 (mesh_layer == 2) ? "<layer2>" : "");
        last_layer = mesh_layer;
        mesh_connected_indicator(mesh_layer);
    
    break;
    /* 获取根节点地址事件 */
    case MESH_EVENT_ROOT_ADDRESS: 
        mesh_event_root_address_t *root_addr = (mesh_event_root_address_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_ROOT_ADDRESS>root address:"MACSTR"",
                 MAC2STR(root_addr->addr));
    
    break;
    /* 选举新的根节点开始事件 */
    case MESH_EVENT_VOTE_STARTED: 
        mesh_event_vote_started_t *vote_started = (mesh_event_vote_started_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG,
                 "<MESH_EVENT_VOTE_STARTED>attempts:%d, reason:%d, rc_addr:"MACSTR"",
                 vote_started->attempts,
                 vote_started->reason,
                 MAC2STR(vote_started->rc_addr.addr));
    
    break;
    /* 选举新的根节点结束事件 */
    case MESH_EVENT_VOTE_STOPPED: 
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_VOTE_STOPPED>");
        break;
    
    /* 选举新的根节点请求事件 */
    case MESH_EVENT_ROOT_SWITCH_REQ: 
        mesh_event_root_switch_req_t *switch_req = (mesh_event_root_switch_req_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG,
                 "<MESH_EVENT_ROOT_SWITCH_REQ>reason:%d, rc_addr:"MACSTR"",
                 switch_req->reason,
                 MAC2STR( switch_req->rc_addr.addr));
    
    break;
    /* 根节点交换响应确认事件 */
    case MESH_EVENT_ROOT_SWITCH_ACK: 
        /* new root */
        mesh_layer = esp_mesh_get_layer();
        esp_mesh_get_parent_bssid(&mesh_parent_addr);
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_ROOT_SWITCH_ACK>layer:%d, parent:"MACSTR"", mesh_layer, MAC2STR(mesh_parent_addr.addr));
    
    break;
    /* 根节点能够访问外网事件 */
    case MESH_EVENT_TODS_STATE: 
        mesh_event_toDS_state_t *toDs_state = (mesh_event_toDS_state_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_TODS_REACHABLE>state:%d", *toDs_state);
    
    break;
    /* 根节点能够访问外网事件 */
    case MESH_EVENT_ROOT_FIXED: 
        mesh_event_root_fixed_t *root_fixed = (mesh_event_root_fixed_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_ROOT_FIXED>%s",
                 root_fixed->is_fixed ? "fixed" : "not fixed");
    
    break;
    /* 设备替换成与父节点相同的根节点事件 */
    case MESH_EVENT_ROOT_ASKED_YIELD: 
        mesh_event_root_conflict_t *root_conflict = (mesh_event_root_conflict_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG,
                 "<MESH_EVENT_ROOT_ASKED_YIELD>"MACSTR", rssi:%d, capacity:%d",
                 MAC2STR(root_conflict->addr),
                 root_conflict->rssi,
                 root_conflict->capacity);
    
    break;
    /* 信道切换事件 */
    case MESH_EVENT_CHANNEL_SWITCH: 
        mesh_event_channel_switch_t *channel_switch = (mesh_event_channel_switch_t *)event_data;
        ESP_LOGI(MESH_TAG, "<MESH_EVENT_CHANNEL_SWITCH>new channel:%d", channel_switch->channel);
    
    break;
    /* 扫描完成事件 */
    case MESH_EVENT_SCAN_DONE: 
        mesh_event_scan_done_t *scan_done = ESP32学习笔记（49）——RFID RC522使用


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