使用.Net nanoFramework为ESP32进行蓝牙配网

2024-01-07 17:23:08

通过前面的介绍，我们已经学会了如何使用 .NET nanoFramework 为 ESP32 设备连接 Wi-Fi 网络。然而，在实际的物联网环境中，我们往往需要使用更便捷的式来满足配网需求。这篇文章将带你了解一些常见的配网方案，并以 ESP32 为例，介绍如何使用 .NET nanoFramework 实现为 ESP32 蓝牙配网。

1. 引言

经过前面的介绍，我们已经学会了如何为 ESP32 设备连接 Wi-Fi 网络，然后这种代码中硬编码的方式，虽然简单，但在实际的物联网环境中，我们往往需要使用更便捷的方式来满足配网需求。而且，也不适合于产品化的物联网设备。今天，我们就来看看如何使用 .NET nanoFramework 实现为 ESP32 蓝牙配网。

2. 常见配网方案

为了能让我们的物联网设备连接到网络，配网的方式也有很多种，每种方式都有其特定的应用场景和优缺点。在这里我们不再详细的描述其原理，只是带大家做一个简单的了解，如果你感兴趣，可以自行搜索。下面是一些常见的配网方式的总结：

softAP：在这种模式下，待配网设备会创建一个热点，用户可以通过手机或其他设备连接到这个热点，然后通过特定的接口设置网络信息。这种方式的优点是兼容性较好，不需要额外的硬件支持，但缺点是但手机端需要做两次 Wi-Fi 连接设置的切换，步骤较复杂，用户体验较差。
Sniffer模式：Sniffer模式也被称为混杂模式，待配网设备在这种模式下可以接收所有的数据包，不进行过滤。例如，SmartConfig、AirKiss、simpleConfig 等这些协议就是使用这种方式，通过监听特定的数据包来获取网络信息。这种方式的优点是不需要用户进行复杂的操作，但一般为各厂商采用私有协议，兼容性和互操作性较差。
蓝牙配网：待配网设备在这种模式下会开启蓝牙接口，用户可以通过手机或其他设备的蓝牙连接到待配网设备，然后通过蓝牙传输网络信息。这种方式的优点是操作简单，用户体验好，但缺点是需要蓝牙硬件支持。
二维码配网：如果待配网设备有摄像头，可以通过扫描二维码来获取网络信息。这种方式的优点是操作简单，用户体验好，但缺点也是非常明显，需要摄像头硬件支持，而且摄像头聚焦，用户二维码放置的远近都需要提示好用户，影响用户体验。
声波配网：如果待配网设备有麦克风，可以通过声音编码来获取网络信息。这种方式的优点是不需要额外的硬件支持，但缺点是可能会受到环境噪音的干扰，影响配网的成功率。

3. 蓝牙配网的实现

虽然方案有很多，但是针对这一款 ESP32-S3-Zero 开发板，其拥有蓝牙模块，刷写 ESP32_S3_BLE 固件后，我们可以使用蓝牙配网的方式来为其配网。

3.1. 蓝牙配网协议 Improv

使用蓝牙配网我们处理可以自己定义进行私有的实现外，也可以使用开源的协议快速完成开发。除了不用自己造轮子外，配网的工具也不需要自己设计了。Improv 是一个免费且开放的标准，它允许设备通过蓝牙进行安全的 Wi-Fi 配网，这个过程可以通过以下步骤完成：

打开设备
客户端使用Improv协议将Wi-Fi凭据发送到待配网设备
设备连接到Wi-Fi网络并返回一个URL。
客户端使用该URL连接到设备并继续设置设备。

Improv协议可以通过蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy）或通过串行端口使用。这两种协议都可以从浏览器中使用。不过，串口就需要连线了，我们这里使用的是蓝牙低功耗的方式。

关于 Improv 协议的详细信息，可以参考其官方文档。

3.2 依赖准备

首先我们需要安装以下三个包：

nanoFramework.System.Device.Wifi：用于连接 Wi-Fi 网络
nanoFramework.Device.Bluetooth：用于实现蓝牙配网
nanoFramework.System.Net.Http：用于演示联网后的网络服务

对于 Improv 协议的实现，没有依赖包，但是在官方的 Samples 仓库中有一个ImprovWifi示例，我们可以参考其实现，直接使用其 Improv.cs，然后 using ImprovWifi; 即可。

3.3 编码实现

ImprovWifi 已经实现了 Improv 协议，我们只需要在 Program.cs 中实现一些简单的代码。

这里我们在完成配网后，启动一个简易的网络服务，用于演示配网成功后的网络服务。这里我们使用 HttpListener 来实现一个简易的网络服务，当然你也可以使用其他的方式，比如 WebServer 等等。

static Improv _imp;

public static void Main()
{
    Console.WriteLine("蓝牙配网 Improv 协议示例");

    _imp = new Improv();
    // 配网完成后的回调
    _imp.OnProvisioningComplete += Imp_OnProvisioningComplete;
    // 开始配网服务，设备名称这里可以自定义，中文也是支持的，在搜索设备时会显示该名称
    _imp.Start("ESP32 桑榆肖物");
    // 纯演示，这里直接授权
    _imp.Authorise(true);
 
    Console.WriteLine("等待设备配网...");

    while (_imp.CurrentState != Improv.ImprovState.provisioned)
    {
        Thread.Sleep(500);
    }

    Console.WriteLine("设备配网完成，IP地址：" + _imp.GetCurrentIPAddress());
    // 停止配网服务
    _imp.Stop();
    _imp = null;

    Console.WriteLine("启动一个简易的网络服务，用于演示配网成功后的网络服务");
    SimpleWebListener();

    Thread.Sleep(Timeout.Infinite);
}

private static void Imp_OnProvisioningComplete(object sender, EventArgs e)
{
    SetProvisioningURL();
}

private static void SetProvisioningURL()
{
    _imp.RedirectUrl = "http://" + _imp.GetCurrentIPAddress() + "/start.htm";
}

private static void SimpleWebListener()
{
    string responseString =
        "<html><head><meta charset='utf-8'>" +
        "<title>Hello from ESP32</title></head>" +
        "<body><h2>Hello from ESP32</h2>" +
        "<p>It works!</p>" +
        "<p>这里可以根据需求继续进行更多的设备配置信息</p>" +
        "</body></html>";
    byte[] buffer = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(responseString);
    HttpListener listener = new("http", 80);
    listener.Start();

    while (true)
    {
        try
        {
            HttpListenerContext context = listener.GetContext();
            Console.WriteLine("Request received");
            HttpListenerResponse response = context.Response;
            response.ContentLength64 = buffer.Length;
            response.OutputStream.Write(buffer, 0, buffer.Length);
            context.Response.Close();
            Console.WriteLine("Response sent");
            context.Close();
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine("Error: " + ex.Message + "\nSack = " + ex.StackTrace);
        }
    }
}

注意：以上代码只是功能的演示，在实际项目中，需要根据自己的需求进行修改，比如我们需要在验证连接后下次也自动完成连接，再者为了安全性，我们还需要进行验证等等。后面我会有一个实际的开源项目演示，介绍如何使用近期介绍的相关功能，敬请关注。

4. 配网测试

编译并刷写完成后，通过调试的数据输出，我们可以看设备成功进入等待配网状态。这时我们通过网页打开 Improv 的 web 配网客户端，也就是之前的 Improv 官方介绍站点。当然，站点和协议都是开源的，你可以自己搭建一个。

这里我们直接使用官方的进行测试使用即可，不过，需要注意的是，因为使用了蓝牙配网，所以这里需要你的电脑也支持蓝牙，否则无法搜索到设备。如果你的电脑没有蓝牙，也可以使用手机的 Chrome 或 Egde 浏览器打开该网页进行配网。

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这里可以看到，设备列表中已经搜索到了我们的设备，点击配对即可。配对成功后，我们可以会弹出下面的对话框，这里我们可以设置 Wi-Fi 的 SSID 和密码，然后点击 Connect 按钮即可。

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连接成功后，我们可以看到设备的状态已经变成了 Provisioned，这时我们就可以访问到设备启动的网络服务了。

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5. 总结

通过这篇文章，我们学习了如何使用 .NET nanoFramework 为 ESP32 设备进行蓝牙配网。虽然这里我们使用的是 Improv 协议，但是其实现原理都是类似的，只是协议不同而已。在实际的项目中，我们可以根据自己的需求，选择合适的配网方式，或者自己实现一个配网协议，这里就不再赘述了。

对于 Improv 协议的配网客户端，我们也可以通过微信小程序来实现，或者通过集成SDK到自己的应用中方便的实现配网，有兴趣的同学可以自行了解实现。

文章来源:https://blog.csdn.net/marin1993/article/details/135419100
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