ESP32学习笔记 -- 使用蓝牙BluFi进行设备配网

Posted 2021-09-18 工程师进阶笔记

嵌入式软件工程师使用ESP32进行物联网开发，有些内容是必须要学习的，比如网络通信TCP/IP、UDP，应用层协议HTTP，MQTT，设备升级操作OTA，设备配网操作BluFi和SmartConfig，还有一系列物联网相关的知识点，如下图前几天在微信群里面讨论的：

 今天来分享一下，如何通过蓝牙BluFi进行ESP32设备配网。

首先回答一下，为什么要进行配网？这是因为，现在很多联网设备都是没有屏幕和键盘的，比如天猫精灵、小爱同学这些智能音箱，还有一些可联网的灯具，等等。要让这些设备知道家里路由器的账号和密码，就不能像带屏设备一样直接输入，而是要通过一些特定的方法，把路由器的账号和密码告知这些待联网的设备。

现在很多WiFi SOC，基本上都支持SmartConfig这种配网方式，这种方式是基于UDP来传递路由器的WiFi配置信息的。而玩过ESP32的工程师都知道，ESP32支持WIFI和蓝牙双模，所以，ESP32支持使用蓝牙（BluFi）来传输WiFi配置信息，而且这种方式更加安全稳定可靠。

关于ESP32的蓝牙配网BluFi使用文档，官方已经有比较详细的描述，在官方的ESP32-IDF框架里面，也提供了参考的例程。参考例程的路径如下：esp-idf/examples/bluetooth/blufi

官方参考文档链接：

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32/api-guides/blufi.html

文档对新手初学者来说不太友好，因为里面涉及了很多基本的概念，比如数据分片，对称/非对称加密，校验和验证，BLE蓝牙广播，蓝牙连接与数据传输过程，BLE GATT客户端和服务器。

官方文档提供了一个BluFi配网流程图，整个流程大致可以分为4个阶段，这四个阶段如下图所示：

 第①阶段：ESP32发出特定的数据广播，手机搜索出这个特定广播并与ESP32建立蓝牙连接，蓝牙连接建立后手机获取GATT服务，此时，BLE通信链路已建立。

第②阶段：基于①阶段建立的蓝牙链路，进行通信密钥协商，这个协商过程是基于非对称加密的DH算法，得出一对密钥，这对密钥是提供给第③阶段使用的。

第③阶段：第②阶段协商过程结束后得出的密钥，可以用于第③阶段WiFi配置信息的传输加密，这些配置信息包括ESP32的工作模式，安全模式，WiFi账号和密码，其他信息，等等。

第④阶段：第③阶段结束后，ESP32已经完成了基本的信息配置，最后向手机报告自身的连接状态，此时配网完成，配网过程结束，ESP32与手机的蓝牙连接依旧保持。

ESP32使用BluFi进行配网，由于BLE蓝牙的数据载荷限制，一个数据帧传输的数据量比较有限，因此，BluFi在传输配网信息过程中，需要遵循一定的数据格式，这些数据格式，在官方文档里面有很详细的描述，如下图所示。

 以上这些数据格式的分包和组包，在ESP32提供的BluFi Demo里面已经有参考代码，开发者可以适当参考一下整个分包和组包的过程，而对于应用开发来说，这些过程是封装好的，应用层不需要过于关心，大概了解即可。

ESP32对数据传输的安全性和稳定性是比较重视的，为了保证数据安全，在密钥协商的时候，用了非对称加密DH算法，在WiFi配置数据传输的时候，用了对称加密AES-128。为了保证数据完整，使用了CRC校验和算法。还有一系列保证身份安全和防止重放攻击的算法。

开发者可以根据自身的实际需要，在BluFi代码里面使用不同的加解密算法，如下图所示。

 分析一下BluFi的源代码，app_main是源码入口函数，在这个函数里面，主要进行了前期的一些必要初始化工作，包括NVS初始化，WIFI使用默认参数初始化，BLE使用默认参数初始化，获取BluFi的版本，以及注册相关的回调函数，具体如下图所示。

 WiFi事件和IP事件处理，这两个处理函数在用到WiFi联网的时候，几乎是必须的，因为应用层需要时刻关注WiFi的连接和断连情况，以及IP的获取情况，以便判断网络是否出现异常，在进行WiFi初始化的时候，需要注册这两个事件回调函数，如下图所示。

 WiFi事件处理函数wifi_event_handler和IP事件处理函数ip_event_handler，由于代码篇幅太长，具体实现请查看源码工程。

BluFi工程里面还有一个重要的事件回调函数，是用来处理BluFi事件的，包括BluFi初始化完成事件，蓝牙连接成功和断开连接事件，配置WiFi工作模式事件，获取WiFi账号密码事件，使用BLE传输用户数据事件，等等，具体实现如下图所示。

 开发者还可以使用BLE链路来传输收发一些用户数据，在示例工程里面，我们把ESP32接收到的手机端收据，完整地回传到手机端，代码函数接口如下图所示。

 整个工程源码已经上传到Gitee，可以使用以下命令进行下载：

git clone https://gitee.com/embediot/esp32_test_demo.git