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 ID | ESP-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 AP | Mesh 接入点配置,请参见mesh_ap_cfg_t |
Crypto Functions | Mesh 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
ESP32学习笔记 - 基于 ESP32 移植 LVGL8.3
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