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ESP-WIFI-MESH 开发框架 [English]

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ESP-MDF (Espressif Mesh Development Framework) 是基于 ESP32 芯片的 ESP-WIFI-MESH 开发框架。ESP-WIFI-MESH 是一种基于 Wi-Fi 构建的 MESH 网络通信协议。

概述

ESP-MDF 在 ESP-WIFI-MESH 协议栈的基础上增加了配网、升级、调试机制及应用示例。使用 ESP-MDF 您可以快速上手 ESP-WIFI-MESH 开发。其主要特点如下：

  • 快速配网：在 app 配网的基础上增加了设备间链式配网，以实现大范围快速配网；
  • 稳定升级：通过断点续传、数据压缩、版本回退和固件检查等机制达到高效升级；
  • 高效调试：支持指令终端、通过无线进行日志传输和调试等多种调试方式；
  • 局域网控制：支持 app 控制、传感器控制等；
  • 丰富的示例：提供了基于 ESP-WIFI-MESH 的照明等综合解决方案。

框架

ESP-MDF 共分为 Utils、Components 和 Examples 三个部分（如下图所示），他们之间的关系：Utils 是 ESP-IDF APIs 的抽象封装以及第三方库，Components 是基于 Utils APIs 组成的 ESP-MDF 功能模块，Examples 是基于 Components 完成的 ESP-WIFI-MESH 解决方案。

  • Utils：

    • Third Party：第三方的组件

      • Driver：常用的按键、LED 等驱动
      • Miniz：无损高性能数据压缩库
      • Aliyun：阿里云物联网套件

    • Transmission：设备间数据通信方式

      • Mwifi：对 ESP-WIFI-MESH 的封装，在其基础上增加了重包过滤、数据压缩、分包传输和 P2P 组播
      • Mespnow：对 ESP-NOW 的封装，在其基础上增加了重包过滤、CRC 校验、数据分包

    • Mcommon：ESP-MDF 各组件之间的共用模块

      • Event loop：ESP-MDF 的事件处理
      • Error Check：ESP-MDF 的错误码管理
      • Memory Management：ESP-MDF 的内存管理
      • Information Storage：将配置信息存储到 flash 中

  • Components：

    • Mconfig：配网模块
    • Mupgrade：升级模块
    • Mdebug：调试模块
    • Mlink：局域网控制模块

  • Examples：

    • Function demo：各个功能模块的使用示例

      • Mwifi：常见组网方式的示例：无路由器、有路由器。先基于此示例进行开发,而后在其基础上添加配网、升级、无线测试等功能
      • Mupgrade：设备的升级示例
      • Mconfig：设备的配网示例
      • Mcommon：通用模块示例,事件处理 内存管理 信息存储的使用示例

    • Debug：性能测试和调试工具

      • Console Test：通过串口输入命令的方式，测试 ESP-WIFI-MESH 吞吐量、网络配置、发包时延。
      • Wireless Debug：通过无线的方式进行 ESP-MDF 调试

    • Development Kit：ESP32-MeshKit 使用示例, 用于调研和了解 ESP-WIFI-MESH

      • ESP32-MeshKit-Light：板载 ESP32 芯片的智能灯，用于 ESP-WIFI-MESH 作为主干网络进行长供电的场景。支持 BLE + ESP-WIFI-MESH, 可实现BLE网关, iBeacon 和 BLE 扫描
      • ESP32-MeshKit-Sense：ESP-WIFI-MESH 在 Deep-sleep + Light-sleep 模式下的低功耗方案，可用于：监测 MeshKit 外设功耗和根据传感器数据控制 MeshKit 外设
      • ESP32-MeshKit-Button：ESP-WIFI-MESH 在超低功耗的场景下使用，平常处于断电状态，仅在唤醒时工作，并通过 ESP-NOW 给 ESP-WIFI-MESH 设备发包。

    • 云平台: ESP-MDF 对接云平台

      • Aliyun Linkkit：ESP-MDF 接入阿里飞燕平台示例
      • AWS：ESP-MDF 接入 AWS 平台示例

使用 ESP-MDF 进行开发

您首先需要详细阅读 ESP-WIFI-MESH 通信协议和ESP-MDF 编译指南，并通过 ESP32-MeshKit 开发套件调研和了解 ESP-WIFI-MESH。其次基于 Function demo进行您的项目开发，当您可以在开发中遇到问题，首先可在官方论坛和官方 GitHub 上寻找是否已存在类似问题，若不存在类似问题，您也可直接在网站中提问。

开发板指南

ESP32-MeshKit 开发套件

ESP32-MeshKit 包含一整套完整的 ESP-WIFI-MESH 的照明解决方案（如下图所示），可配套 ESP-Mesh App（iOS 版和安卓版）使用，用于调研和了解 ESP-WIFI-MESH，也可以进行二次开发。

ESP32-MeshKit Light

ESP32-MeshKit Sense
  • 产品：
    • ESP32-MeshKit-Light：RGBCW 智能灯，直观反应控制结果，可用于测试组网时间、响应速度、距离测试、稳定性测试等。
    • ESP32-MeshKit-Sense：带有光强传感器和温湿度传感器，可用于功耗测量和低功耗应用的开发，可配套使用 ESP-Prog 进行固件烧录和 Debug。
    • ESP32-MeshKit-Button：作为开关控制，用于低功耗应用的开发，可配套使用 ESP-Prog 进行固件烧录和调试。

ESP32-Buddy 开发板

ESP32-Buddy 是专为 ESP-WIFI-MESH 开发测试而设计的开发板。体积小，采用 USB 供电，方便做大数量设备的测试及距离测试。

  • 功能：
    • 16 MB 的 flash：存储运行日志
    • OLED 屏：显示当前设备所在的层级、连接状态等信息
    • LED：运行状态指示
    • 温湿度传感器：数据采集

快速开始(Make)

通过如下的步骤，可以快速开始开发 ESP-MDF 应用程序，如果需要了解详细的过程，参见 ESP-IDF 入门指南，我们使用 ~/esp 目录来安装编译工具链、ESP-MDF 和示例程序。您也可以使用其它目录，但是需要注意调整相应的指令。

  1. 设置工具链：根据您的电脑操作系统（Windows，Linux 或 Mac OS）进行配置。

  2. 获取 ESP-MDF：

    git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-mdf.git

    如果您在没有 --recursive 标记的情况下克隆项目，转到 esp-mdf 目录并运行命令 git submodule update --init --recursive

  3. 设置 ESP-MDF 路径：工具链程序使用环境变量 MDF_PATH 来访问 ESP-MDF，设置它的过程类似于设置 IDF_PATH 变量，请参阅添加 IDF_PATH 到用户配置文件。

    export MDF_PATH=~/esp/esp-mdf

  4. 创建一个工程：此工程为 ESP-WIFI-MESH 两个设备之间通信的示例

    cp -r $MDF_PATH/examples/get-started/ .
cd get-started/

  5. 编译和烧写：除串口号需要修改外，其余使用默认配置即可

    make menuconfig
make erase_flash flash

  6. 监视/调试：要退出监视器，请使用快捷键 Ctrl+]

    make monitor

  7. 更新 ESP-MDF：

    cd ~/esp/esp-mdf
git pull
git submodule update --init --recursive

快速开始(CMake)

通过如下的步骤，可以快速开始开发 ESP-MDF 应用程序，如果需要了解详细的过程，参见 ESP-IDF 入门指南(CMake)，我们使用 ~/esp 目录来安装编译工具链、ESP-MDF 和示例程序。您也可以使用其它目录，但是需要注意调整相应的指令。

  1. 设置工具链：根据您的电脑操作系统（Windows，Linux 或 Mac OS）进行配置。

  2. 获取 ESP-MDF：

    git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-mdf.git

    如果您在没有 --recursive 标记的情况下克隆项目，转到 esp-mdf 目录并运行命令 git submodule update --init

  3. 设置 ESP-MDF 路径：工具链程序使用环境变量 MDF_PATH 来访问 ESP-MDF，设置它的过程类似于设置 IDF_PATH 变量，请参阅添加 IDF_PATH & idf.py 到用户配置文件。

    export MDF_PATH=~/esp/esp-mdf
export PATH="$MDF_PATH/esp-idf/tools:$PATH"

  4. 创建一个工程：此工程为 ESP-WIFI-MESH 两个设备之间通信的示例

    cp -r $MDF_PATH/examples/get-started/ .
cd get-started/

  5. 编译和烧写：除串口号需要修改外，其余使用默认配置即可

    idf.py menuconfig
idf.py erase_flash flash

  6. 监视/调试：要退出监视器，请使用快捷键 Ctrl+]

    idf.py monitor

  7. 更新 ESP-MDF：

    cd ~/esp/esp-mdf
git pull
git submodule update --init --recursive

ESP-WIFI-MESH 的优势

  • 布置方便：采用 Wi-Fi 组网，无需布线安装等复杂工作，支持自组网、自修复和自管理，用户只需配置路由器的密码即可；

  • 无需网关：ESP-WIFI-MESH 采用去中心化的结构，其无需网关避免了单点故障造成整个网络瘫痪，仅一个 ESP-WIFI-MESH 设备也能正常工作；

  • 传输更安全：数据链路层和应用层均可实施加密；

  • 传输更可靠：两个设备之间的是可靠传输和流控，支持单播、组播和广播；

  • 网络容量大：ESP-WIFI-MESH 采用树状结构，单个设备最多直接连接 10 个设备，单个网络可容纳 1000 个节点；

  • 传输范围广：两个设备之间的传输距离隔墙 30 m，空旷环境 200 m（测试基于 ESP32-DevKitC）；

    • 智能家居：即使仅有三五个设备且隔墙也能够组成网络，可以满足家庭环境中，设备数量少无法相互通信的问题；
    • 路灯方案：可能满足路灯场景中两个相距较远的设备之间的通信。

  • 传输速率高：基于 Wi-Fi 传输，高达 10 Mbps 的传输率；

    • 环境控制系统：可以直接传输传感器采集到的原始数据，对大量数据的分析来校准算法提高传感器准确性；
    • 背景音乐系统：可以进行音视频传输。

  • 能同时运行 BLE 协议栈：ESP32 芯片可以同时运行 Wi-Fi 和 BLE 协议栈，利用 ESP-WIFI-MESH 做为主干网络进行数据的传输，通过 BLE 接收探针、发送广播和连接设备；

    • 物品跟踪：通过多个采集点监控同一设备发出的 BLE 或 Wi-Fi 数据包；
    • 人流量检测：统计 Wi-Fi 设备发出的 Probe Request （探测请求）帧；
    • 室内定位：每个设备相当于 Beacon 基站不断向四周发送蓝牙信号，手机通过分析与设备之间的信号强度，计算出当前的位置；
    • 产品推广：通过 iBeacon 实时推送产品信息和优惠活动；
    • 蓝牙网关：每个设备可以相当于一个蓝牙网关，使传统的蓝牙设备也能连接 ESP-WIFI-MESH 网络。

相关资源

  • ESP-MDF 编程指南 是 ESP-MDF 开发框架的说明文档。
  • ESP-IDF 编程指南 是乐鑫物联网开发框架的说明文档。
  • ESP-WIFI-MESH 是 ESP-MDF 的无线通信协议基础。
  • 如您发现 bug 或有功能请求，可在 GitHub 上的 Issues 提交。请在提交问题之前查看已有的 Issues 中是否已经有您的问题。
  • 如果您想在 ESP-MDF 上贡献代码，请点击贡献代码指南。
  • 访问 ESP32 官方论坛请点击 ESP32 BBS 。
  • 关于 ESP32-MeshKit 硬件文档，请至乐鑫官网查看。
  • ESP32-MeshKit-Light 购买链接：淘宝。
  • ESP32-Buddy 购买链接：即将上架。