如何将ESP8266变成智能家居设备

智能家居设备正变得越来越普遍，这要归功于远程控制的可能性和配置的便利性。灯、智能插头、恒温器和气象站只是智能家居设备中最常见的一些例子，如今主要配备 WiFi 通信接口。任何有机会使用众多智能 WiFi 灯或灯泡之一的人都知道将设备连接到 WiFi 网络并远程控制其操作是多么快速和简单。我们如何在小型ESP8266设备上重现这种行为，将其变成智能家居设备？

介绍

在本文中，将解释嵌入式设备如何在不知道其凭据的情况下连接到 WiFi 网络（通常是安全的）。由于智能设备没有任何键盘或触摸屏显示器，用户无法输入 WiFi SSID 和密码。那么，商业设备如何在无需上传新固件的情况下连接到 WiFi 网络呢？

德州仪器 （Texas Instruments） 为简化嵌入式设备与家庭 WiFi 网络的连接而开发的SmartConfig技术解释了这个明显的谜团：此操作只需一次，并且由一个简单的步骤组成。在本文的后续部分，我们将介绍在 Espressif Systems 开发的ESP8266系列设备上激活 SmartConfig 功能的必要程序，这是一款提供 WiFi 接口并适合支持智能家居应用的廉价板。

工作原理

尽管德州仪器尚未发布任何真正的 SmartConfig 公有文档，但其操作原理相对简单。连接到家庭 WiFi 网络的主机设备（智能手机、平板电脑或 PC）向虚构的接收者发送 UDP 数据包，其中包含用于访问 WiFi 网络的 SSID 和密码。仍未连接的智能设备正在侦听和监视网络上传输的数据包的流量。

当客户端识别到主机发送的数据包时，它会对其进行解码，提取用于访问 WiFi 网络的凭据，并将它们存储在自己的非易失性存储器中，以便在每次上电时重复使用。从这一刻起，智能设备将能够连接到 WiFi 网络，而无需任何外部干预。如果设备随后将被移动到另一个 WiFi 网络的范围内（例如在另一个房子中），则应重复相同的过程以获取新的凭证。

图 1所示的移动设备配备了一个特殊的应用程序，该应用程序连接到家庭 WiFi 网络，将一系列 UDP 数据包传输到 WiFi 接入点 （AP）。在这些数据包的长度字段中，应用程序对 WiFi 网络的 SSID 和密码进行编码。在智能设备上启用 SmartConfig 功能时，对长度字段的内容进行解码以提取访问网络的凭据。

通过网络发送的数据包的结构符合IEEE 802.3 标准。具体而言，数据链路头由 14 个字节组成：6 个字节用于目标地址，6 个字节用于源地址，2 个字节指定数据字段的长度。之所以选择在 2 字节长度字段中输入有关 WiFi 网络的信息的原因非常简单：即使在接入点上激活了安全连接，该字段也不会被编码。

SmartConfig 功能由用于通过Arduino IDE开发草图的ESP8266 WiFi 库完全集成和支持。API 接口非常简单：在“站”模式下配置 WiFi 收发器后，草图中唯一要使用的功能如下：

• bool beginSmartConfig（） – 在设备上启用 SmartConfig 功能。如果成功，则返回 true，否则返回 false；

• bool smartConfigdone（） – 它是更相关的函数：当设备已通过Sm​​artConfig 协议正确配置并已建立WiFi 连接时，它返回true；

• bool stopSmartConfig（） – 此函数禁用设备上的SmartConfig 功能。此功能的使用是可选的，在我们的草图中根本不会使用。

草图

所有处理都在setup函数内部执行。最初，WiFi 连接配置为站模式，并初始化串行线路波特率。随后，如果设备在 10 秒超时后未能使用其非易失性存储器中包含的信息连接到 WiFi 网络，则调用beginSmartConfig函数以启用此功能。然后，草图进入一个循环，无限期地等待应用程序发送的 UDP 数据包的到达和随后的解码。

发生这种情况时，smartConfigDone函数返回一个非零值，草图退出循环并在串行线路上显示一条消息，其中包含用于连接到 WiFi 网络的凭据和 DHCP 服务器分配的 IP 地址。后续连接将使用相同的凭据。除了在串口线上发送的调试信息外，Sketch 还使用板载 LED 显示程序所在的阶段，根据以下方案：

• LED 亮起：设备尝试连接到 WiFi 网络的初始阶段；

• LED 闪烁：设备正在等待主机 UDP 数据包；

• LED 熄灭：设备已连接到 WiFi 网络。

#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）;

// 将板载 LED 配置为输出引脚

pinMode（16， OUTPUT）;

// 打开 LED

digitalWrite（16， LOW）;

// 检查是否可以建立 WiFi 连接

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

而（WiFi.status（）！= WL_CONNECTED）

{

Serial.print（“。”）；

延迟（500）；

if （retry++ 》= 20） // 连接超时为 10 秒

{

Serial.println（“连接超时已过期！启动 SmartConfig.。.”）;

WiFi.beginSmartConfig（）;

// 永远循环：仅在接收到 SmartConfig 数据包时退出

while （true）

{

delay（500）;

Serial.print（“。”）;

if （WiFi.smartConfigDone（））

{

Serial.println（“nSmartConfig 配置成功”）;

配置完成=1；

休息; // 退出循环

}

切换LED（）；

}

if （config_done==1）

中断；

}

}

// 关闭 LED

digitalWrite（16， HIGH）;

// 等待 IP 地址分配

while（WiFi.status（） ！= WL_CONNECTED）

{

delay（50）;

}

// 显示 WiFi 连接数据

Serial.println（“”）;

WiFi.printDiag（串行）；

// 显示分配给我们设备的 IP 地址

Serial.println（WiFi.localIP（））;

}

void loop（）

{

// 无事可做！

}

无效切换LED（）

{

静态int pinStatus = LOW；

如果（pinStatus==HIGH）

pinStatus=LOW；

否则

pinStatus=HIGH;

数字写入（16，pinStatus）；

}

必须将草图加载并编译到先前配置为支持ESP8266 系列板的Arduino IDE环境中。在启动构建之前，请确保工具菜单中的 Erase Flash：“Sketch+WiFi 设置”选项已启用。此选项会删除任何以前存储的用于访问 WiFi 网络的凭据。

该应用程序

要配置设备，我们将使用可从 Google Play 免费下载的ESP8266 SmartConfig 应用程序。安装后，确保移动设备连接到您要连接 ESP8266 的同一 WiFi 网络。在应用程序的主窗口中，检查网络 SSID 是否正确，然后在下面的文本框中输入密码。然后按页面底部的 CONFIRM 按钮，将帧长度字段中编码的 SSID 和密码信息发送到如上所述的 ESP8266。

几秒钟后，我们将获得智能设备成功配置的确认，如应用程序和串行监视器上的日志所示。

此时您可以按下确认按钮并关闭应用程序，除非您想将智能设备连接到另一个 WiFi 网络或更改访问凭据（SSID 和/或密码），否则将不再需要此操作。从现在开始，ESP8266 可以独立连接到 WiFi 网络，使用通过 SmartConfig 接收并存储在内部 eeprom 内存中的信息。

项目跟进

本文中的草图旨在作为开发完整智能家居设备项目的基础。虽然这些方面将在后面的文章中更详细地讨论，但我们已经可以突出显示我们可以对项目进行的一些扩展。首先，可以通过在 WiFi 连接之后的阶段插入能够处理来自远程客户端的连接请求的 Web 服务器来修改草图。因此，可以通过任何智能手机、平板电脑或 PC 与智能设备进行交互：我们只需使用互联网浏览器连接到设备即可。下一步可能是将继电器连接到 ESP8266 板并远程控制连接到它们的负载的开/关，添加温度、湿度、亮度、RGB 或其他传感器。所有这些设备都将以简单有效的方式远程控制。以同样的方式操作，我们可以构建一个智能插座或 WiFi 灯。

结论

我们在本文中已经看到，通过几个简单的步骤，可以通过 SmartConfig 协议配置普通的 ESP8266 卡，使其连接到所需的 WiFi 网络，而无需修改电路板上的固件。该操作构成了构建完整智能家居应用程序的基础和基本要求。在以后的文章中，我们将看到如何通过创建一个完整的操作智能设备来扩展这个项目。

审核编辑：郭婷