wifi一键配网smartconfig原理及应用

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智能家居/家电现阶段还处于普及阶段,由于家庭wifi网络的普及,目前普遍采用wifi与路由器完成连接,与手机/云端进行数据交互.

智能硬件,如智能插座,智能空调,智能空气净化器由于不具备人机交互界面,不能像电脑一样的搜索/选择指定路由器,输入连接密码的界面,所以必须先解决正确连接路由问题;

目前流行的wifi配置模式一般有以下2种:

1:智能硬件处于AP模式,手机用于station模式,手机连接智能插座的AP后组成局域网,手机发送需要连接路由的SSID及密码至智能插座,智能硬件主动去连接指定路由后,完成连接

2:一键配置(smartconfig)模式:智能硬件处于混杂模式下,监听网络中的所有报文;手机APP将SSID和密码编码到UDP报文中,通过广播包或组播报发送,智能硬件接收到UDP报文后解码,得到正确的SSID和密码,然后主动连接指定SSID的路由,完成连接

以上两种方式都可以达到让智能硬件连接至指定路由的效果,但是AP模式需要手动切换手机wifi连接的网络,先连接智能硬件的AP网络,配置完成后再恢复连接正常wifi网络.有一定的复杂性;

但是smartconfig由于路由器品牌及手机品牌众多,存在一定的兼容性问题,所以目前一般厂家仍保留AP模式,作为smartconfig失败后的备用配网方案;

下面重点讲解一下一键配置模式原理及应用;当前主流IOT的wifi方案有:

这个功能最早是TI提出并应用于CC3200上;不过从原理上讲,只要芯片驱动支持开启混杂模式(WiFi Promiscuous),就可以支持一键配网功能,只是各个厂家叫法及实现编码方式不同而已;

手机编码发送采用有UDP组播或广播,不同的发送方式和编码,对应的解码过程也不一样.,当前测试发现,微信是通过UDP广播包实现的;TI是通过往一固定IP地址发送udp包;其他芯片厂家提供的一般为UDP组播方式;

由于无线数据传播必定是广播的,所以必然可以被监听到;如果AP没有加密的话,UDP直接可以把相关的信息发送出来.但是路由器AP一般都是加密的,而且加密方式不固定.wifi模块在无法直接解析出数据包

我们通过分析802.11的MAC帧格式,可以知道,链路层载荷数据(即网络层的头部及网络层数)在数据帧中是清晰可见的,只要接到到802.11帧就可以立刻提取出载荷数据.

常见两种数据帧格式:

Station to AP

AP to Station

DA:目标MAC地址

SA:源MAC地址

LENGTH:表示后面数据的长度

LLC:表示LLC头

SNAP:表示3byte的厂商代码和2byte的协议类型表示

DATA:载荷数据

FCS:帧检验序列

发送端:可以采用2种不同的编码发送方式UDP广播和组播;

一:UDP广播:小规模测试后,发现当前只有微信的AirKiss采用了全网广播模式,为啥微信会采用广播模式,原因未知;TI采用的是固定IP地址的UDP数据包,原理和微信基本一致;

从802.11帧格式分析中获知,无线信号监听方的角度来说,不管无线信道有没有加密,DA、SA、LENGTH 、LLC、SNAP、FCS字段总是暴露的，因此信号监听方可以从这6个字段获取有效信息.从发送方讲,由于操作系统的限制,如果采用广播只剩下LENGTH发送方可通过改变其所需要发送数据包的长度进行控制.所以只要指定出一套利用长度编码的通讯协议,就可利用数据包的Lenght字段进行数据传递;

二:UDP组播:

组播地址是保留的D类地址从224.0.0.0-239.255.255.255

IP地址与MAC地址映射关系为:将MAC地址的前25位设定为01.00.5e,而MAC地址的后23位对应IP地址的位;

故发送端可以将数据编码在组播ip的后23bit中,通过组播包发送,接收端进行解码即可;

接收端进入一键配置功能后,wifi智能硬件从信道1开始监听路由上的数据,如当前监听信道有符合规则的数据包,就停止信道切换,停留在当前信道接收完全部数据.否则就依次切换至信道2.3.4....直到信道14后又从信道1开始继续监听依次循环;

当然,wifi智能硬件可以在开启混杂模式之前,先行扫描当前环境下存在的AP获取所有当前AP的信道,然后只对当前扫描到的信道进行依次监听,如当前环境下只存在2个路由,分别在1.6信道,只需轮流扫描channel1和channel6,这样可以提高配置效率