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【图解】物联网设备的N种Wi-Fi配网方式
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【图解】物联网设备的N种Wi-Fi配网方式
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发布时间: 2021-09-14
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[TOC] # 1 背景介绍 物联网时代,各种各样的**智能物联网设备**正走进我们我们的生活,**智能门锁、摄像头、猫眼门铃、扫地机、智能音箱、空气净化器、体脂秤**等等。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/66d75fb0c4465cd5735a5a577d39aa54.png) 这些物联网设备都有一个**共同的特征**,就是可以联网,通过配套的手机APP,可以实现对设备的监控和操作。 比如家用的**无线监控摄像头**,通过对应的手机APP可以实现**视频的实时查看**,以及反过来**对摄像头的角度旋转控制**。当然,要想使用这些功能,首先需要**将买来的摄像头进行联网,也就是连接到自家的Wi-Fi路由器中**,通过路由器连接互联网(细化的是指该设备对应的物联网云服务器,或称云平台)。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/fe321685f9969e2975180921582c500c.png) 那**这些物联网设备,具体是通过怎样的方式连接到Wi-Fi路由器上的呢**? # 2 Wi-Fi基础知识 ## 2.1 STA模式与AP模式 首先介绍Wi-Fi的两种工作模式:STA模式与AP模式。 - **STA模式**:Station,即Wi-FI工作在**无线终端模式**,通过连接AP热点连接到网络 - **AP模式**:Access Point,即Wi-Fi工作在**热点模式**,其它设备可以连接到此节点(AP热点) 怎么理解这两种模式呢,如下图左,家里的**Wi-Fi路由器,它的Wi-Fi就工作在AP模式**,它就是一个无线热点,其它的设备,如无线摄像头,以及家里的电视、空调都要连接到这个路由器中,这些 **“其它设备”** ,连接路由器靠的也是自己的Wi-Fi,但**这些联网设备的Wi-Fi通常工作于STA模式**,也就是作为一个无线终端。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/9c001af5eecbc745922aa8f609b53e06.png) 不过,这些 **“其它设备”** 不是始终工作在STA模式的,比如无线摄像头,在**刚买回来进行Wi-Fi配网时**,它的Wi-Fi就会先工作于AP模式,即**这个摄像头是一个无线热点**,如下图,我们的手机可以连接到这个热点,可以给它发送家里的路由器的Wi-Fi名称与密码,这样摄像头就能实现联网了,即**实现了设备的Wi-Fi配网**。当然,这只是其中一种配网方式,还有许多其它方式可以实现物联网设备的Wi-Fi配网。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/b79d18098cc80223f2736943f69227bf.png) ## 2.2 专业名词介绍 在正式介绍各种Wi-Fi配网方式之前,还需要了解一些其它名称,下面先列举一些本篇需要用到的名词: - **Wi-Fi路由器**:即家庭中常用的Wi-Fi路由器,家中的设备可共同连接到此节点形成局域网 - **SSID**:Wi-Fi名称,其本意是Service Set Identifier,服务集标识 - **password**:Wi-Fi密码 - **物联网设备**:可以连接网络的智能设备,如智能音箱,智能插座,网络摄像头等 - **待配网设备**:物联网设备刚开箱或恢复了出厂设置,需要配网 - **已配网设备**:已经连接Wi-FI的物联网设备 - **手机APP**:即智能手机,通过安装物联网设备对应的APP软件,来更方便地使用设备 - **物联网平台**:用于管理物联网设备的云端服务器 - **Wi-Fi模块**:物联网设备上的Wi-Fi电子模块,用于连接互联网 # 3 物联网设备Wi-Fi配网方案 目前,有多种多样的配网方案,下面以**无线网络摄像头**这个物联网设备为例,讲解各种配网方式的基本工作原理。 ## 3.1 设备热点配网 **设备热点配网**(dev-ap-config),是一种**比较常用**的配网方式,该方式在配网时,先让待配网的设备处于AP模式,让手机连接到此设备上,然后通过手机将配网设备发送给设备,然后设备就可以切换到STA模式,连接Wi-Fi路由器了。其具体的配网过程如下: - 待配网设备端的Wi-Fi模块首先工作在**AP配网模式**(如按下设备的配网键,设备进入配网模式),开启一个**约定名称**的AP热点。 - 手机**APP端扫描设备机身的二维码**,获得设备ProductKey,并将手机连接到设备建立的热点中。 - 连接建立后,即手机与设备建立了一个**局域网**。 - 手机通过某种方式(如TCP或UDP传输)将**Wi-Fi路由器的配网信息**(SSID/password)发送给设备。 - 设备得到配网信息后,切换到**STA模式**,即可连接到Wi-Fi。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/a679fcbce0cbe285f9cb1ce7970e3670.png) 将以上配网过程,画成**时间序列图**,则**用户、APP、物联网设备、路由器**这四者的交互关系为: ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/00c08a1cc62f381323d24e474fd175e2.png) ## 3.2 手机热点配网 **手机热点配网**(phone-ap-config),是设备热点配网的一个变种,**热点不再由设备创建,而是由手机创建**。其具体的配网过程如下: - 手机APP端启动一个**预定义热点**(如热点名为abc,密码为12345678)。 - 待配网设备先连接到手机热点上,与手机构成一个**局域网**。 - 手机将Wi-Fi路由器的**配网信息**(SSID/password)发送给设备端。 - 设备得到配网信息后,断开手机的热点,进入**STA模式**,连接到Wi-Fi路由器。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/337e4c073758c48c531ea45210d6832e.png) 将以上配网过程,画成**时间序列图**,则**用户、APP、物联网设备、路由器**这四者的交互关系为: ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/faf01b80101ad4d61c3fbf58115e8edc.png) ## 3.3 蓝牙配网 **蓝牙配网**(ble-config),这种方式与热点配网类似,它**用BLE(低功耗蓝牙)替代了设备端或APP端的热点**进行配网信息传输,当然这种方式就要求设备端和APP都支持BLE。其具体的配网过程如下: - 手机APP通过**蓝牙连接**到待配网的设备。 - 手机通过BLE将Wi-Fi路由器的**配网信息**(SSID/password)发送给设备端。 - 设备得到配网信息后,进入**STA模式**,即可连接到Wi-Fi。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/9b4e155a1a39acbaef27f1cceb22d163.png) 将以上配网过程,画成**时间序列图**,则**用户、APP、物联网设备、路由器**这四者的交互关系为: ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/c1f944c5fb6e53bc705260fbba7bde6a.png) ## 3.4 零配配网 **零配配网**(zero-config),这种方式不需要用户在手机APP端输入配网信息,而是**利用已配网的设备对待配网的设备进行配网**。该方式利用**待配设备**和**主配设备**的高权限优势的配网,直接使用**802.11的管理帧**(probe request/response)携带配网信息,从而实现高效配网(这种方式要求主配和待配设备的应用程序都能发送和接收802.11管理帧)。该方式的具体的配网过程如下: - 待配网设备向**主配设备**发送配网请求。 - 已连接Wi-Fi的主配设备**向物联网平台上报新设备**。 - 物联网平台向手机APP获取待配网设备的信息。 - 手机APP将待配网设备的信息发送给平台。 - 平台向已连接Wi-Fi设备下发对新设备的**配网许可**。 - 已连接Wi-Fi的设备向待配网设备推送Wi-Fi的**配网信息**(SSID/password)。 - 待配网设备进入**STA模式**,连接到Wi-Fi。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/a8a12c804873a7fbdaeaf3d83372bd88.png) 将以上配网过程,画成**时间序列图**,则**用户、APP、物联网设备(主配+待配)、路由器、物联网云平台**这六者的交互关系为: ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/4f0f1572b5cf3f10706161e0f69416be.png) ## 3.5 一键配网 **一键配网**(smart-config),该方式只需要用户在APP中输入Wi-Fi配网信息即可,**手机通过广播发送配网信息**,待配网设备通过监听获取配网信息。其具体的配网过程如下: - 用户在手机APP上输入配网信息,手机将配网信息**广播**出去。 - 待配网设备进入**sniffer模式**(**混杂模式**,即不过滤数据报文),监听环境中所有的802.11报文,设备需要在所支持的信道(通常1-13)上轮询监听(因设备不知道手机和路由器的信道)。 - 待配网设备**捕获到符合配网规则的数据报文**后停止信道轮询,尝试在在此信道上接收完成所有报文。若当前的信道接收失败或超时重新回到sniffer模式进行监听。 - 待配网设备在数据报文接收成功后关闭sniffer模式,开启**STA模式**即可连接到Wi-Fi。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/df496a2b85c35bc24fafe43cff809a2e.png) 将以上配网过程,画成**时间序列图**,则**用户、APP、物联网设备、路由器**这四者的交互关系为: ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/8f9620d24e3dd586485831e01f873aa2.png) ## 3.6 路由器配网 **路由器配网**(router-config),该方式的基本思路是,**路由器在配网模式下开启一个特定的用于配网的热点**,设备扫描到该热点后连接该热点,获取配网信息,然后路由器切换到常规热点,设备连接此常规热点实现联网: - 用户按下设备的配网按钮,设备进入**混杂模式**,扫描周围热点。 - 用户按下路由器的配网按钮,**路由器开启特定的热点**。 - 设备先连接到这个路由器的特定热点,获取**配网信息**。 - 路由器再切换到**常规热点**。 - 设备即可连接到Wi-Fi的常规热点。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/f9151d6d8d0e6956ac038158e291bd71.png) 将以上配网过程,画成**时间序列图**,则**用户、路由器、物联网设备**这三者的交互关系为: ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/0aff67fb49d6305ba56d98233320d866.png) ## 3.7 扫码配网 摄像头**扫码配网**(webcam-config),该方式**需要待配网设备自带摄像头**并具备二维码解码能力。 - 用户按下设备的配网按钮,设备进入配网模式,准备扫描二维码。 - 用户通过手机**APP生成携带配网信息的二维码**。 - 设备的摄像头**扫描APP生成的二维码**,解码出配网信息。 - 设备开启STA模式即可连接到Wi-Fi。 ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/9cad3a53ebf124cd5e42b4330dbcd940.png) 将以上配网过程,画成**时间序列图**,则**用户、APP、物联网设备、路由器**这四者的交互关系为: ![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/202109/7f53b9540ebfce849a4030322dfe4d59.png) # 4 总结归纳 本篇主要介绍了物联网设备的Wi-Fi配网方式,概括起来这几种方式的特点可以由这个表来表示: | 配网方式 | 配网信息交互方式 | 特殊要求 | 成功率 | 通用性 | | ------------ | ---------------- | -------------------------- | ------ | ------ | | 设备热点配网 | AP-STA链路通信 | - | 高 | 高 | | 手机热点配网 | AP-STA链路通信 | - | 中 | 中 | | 蓝牙配网 | BLE通信 | 设备要支持BLE | 高 | 中 | | 零配配网 | 管理帧广播 | 需要另外的主配设备 | 高 | 低 | | 一键配网 | 手机广播 | - | 低 | 高 | | 路由器配网 | 路由器广播 | 需要定制的路由器 | 高 | 低 | | 扫码配网 | 二维码数据解析 | 设备要有能扫二维码的摄像头 | 高 | 低 |
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