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ESP-MESH 无线组网,让智能家居通信组网更方便 | ESP32轻松学
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ESP-MESH 无线组网,让智能家居通信组网更方便 | ESP32轻松学
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ESP-MESH
铁熊
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发布时间: 2021-02-08
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**ESP32 轻松学**系列文章目录: - [ESP32 概述与 Arduino 软件准备](https://mp.weixin.qq.com/s/Pzqit-YQNWZTvkZlakv4jQ) - [ESP32 GPIO接口编程入门](https://mp.weixin.qq.com/s/hrK4_UNCquCtGRzvaLZPhQ) - [蓝牙翻页笔(PPT 控制器)](https://mp.weixin.qq.com/s/W1uPAZIAVKVVjMSWPSEC4g) - [新冠肺炎疫情数据实时显示器](https://mp.weixin.qq.com/s/kGYfIdb5-Er1I5P5tMYwpw) - [B 站粉丝计数器](https://mp.weixin.qq.com/s/RMPYPJJm5cRrnkXm7bzmxA) - [Siri 语音识别控制 LED 灯](https://mp.weixin.qq.com/s/iNKaNmAN3nTWsaPIg0lEXA) - [Siri 语音识别获取传感器数据](https://mp.weixin.qq.com/s/w1-XIcgaddqlcSpnqZPD8A) - [彩屏显示入门(一):驱动库设置与彩屏效果展示](https://mp.weixin.qq.com/s/R_KXVcjKTRa8rfP4S7rHMA) - [彩屏显示入门(二):颜色设置与文本显示](https://mp.weixin.qq.com/s/kEjLZw_RoBHGKz1mGBSLyg) - [ESP-NOW 无线通信](https://mp.weixin.qq.com/s/uRhJTMLY1xb96B6ockNf3A) ![封面](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/50da9ca6dceb04d0ccdb3c4b4d628c9a.png) 想象一下,在一些智能家居场合或者工业控制场合,如果需要在很多设备之间满足两两可以互联互通的通信要求,你有什么比较好的通信方案么?当然我们可以用线缆将它们连接在一起,但是这样做不仅距离限制比较多,而且可能需要重新施工布线,成本比较大! 今天的课程,我们将向您介绍 ESP-MESH 组网技术,不仅可以大大降低距离的限制,而且可以方便地实现多设备之间互联互通的要求,在实现难度上也会大大降低。 # ESP-MESH 简介 [^1]: https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32/api-guides/mesh.html ESP-MESH 是一套建立在 Wi-Fi 协议之上的网络协议。ESP-MESH 允许分布在大范围区域内(室内和室外)的大量设备(下文称节点)在同一个 WLAN(无线局域网)中相互连接。ESP-MESH 具有自组网和自修复的特性,也就是说 mesh 网络可以自主地构建和维护。 传统基础设施 Wi-Fi 网络是一个“单点对多点”的网络。这种网络架构的中心节点为接入点 (AP),其他节点 (Station) 均与 AP 直接相连。其中,AP 负责各个 Station 之间的仲裁和转发,一些 AP 还会通过路由器与外部 IP 网络交换数据。在传统 Wi-Fi 网络架构中,1)由于所有 Station 均需与 AP 直接相连,不能距离 AP 太远,因此覆盖区域相对有限;2)受到 AP 容量的限制,因此网络中允许的 station 数量相对有限,很容易超载。 ![传统WiFi网络架构](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/a7d8b5894678c8c17be6de71f57ee941.png) ESP-MESH 与传统 Wi-Fi 网络的不同之处在于:网络中的节点不需要连接到中心节点,而是可以与相邻节点连接。各节点均负责相连节点的数据中继。由于无需受限于距离中心节点的位置,所有节点仍可互连,因此 ESP-MESH 网络的覆盖区域更广。类似地,由于不再受限于中心节点的容量限制,ESP-MESH 允许更多节点接入,也不易于超载。 ![ESP-MESH网络架构](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/dc6957734b702312b59b4cda1e1675ba.png) # 准备工作 我们使用 Arduino 软件来编写本项目的程序,使用 ESP32 与 ESP8266 开发板。至于如何在 Arduino 中配置 ESP32 与 ESP8266 的开发环境,请查看 [ESP32 概述与 Arduino 软件准备](https://mp.weixin.qq.com/s/Pzqit-YQNWZTvkZlakv4jQ)章节。 要完成本课程的项目,需准备如下材料: - ESP32 主控板 × 2; - ESP8266 主控板 × 1; - LED 灯 × 1; - 人体红外传感器 × 1; - DHT11 温湿度传感器 × 1; ![材料清单](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/2f215fe812aa3cb0a096e5584c73eaee.png) # 安装 painlessMesh 库 要在 Arduino IDE 中使用 ESP-MESH,我们需要先安装一个库来支持 ESP-MESH 组网程序的编写,这个库的名称就是:`painlessMesh`。根据这个库的官方介绍,这个库可以简化 ESP-MESH 的程序编写,让你更加专注于功能的实现,而不必关心 ESP-MESH 网络架设与管理的细节。 > painlessMesh is a library that takes care of the particulars of creating a simple mesh network using esp8266 and esp32 hardware. The goal is to allow the programmer to work with a mesh network without having to worry about how the network is structured or managed. 安装这个库也很简单,只需要打开 Arduino 软件的库管理器,搜索 `painlessMesh`,即可选择对应的版本进行安装。这里推荐安装最新版。 ![安装painlessMesh库](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d186113a12535b9af5e851da7befaf2b.png) 在安装 painlessMesh 库的时候,如果提示你需要安装其他依赖库,选择同意安装全部库就行。 安装完库,就可以开始 ESP-MESH 组网编程了。 # ESP-MESH 基础讲解 先打开 painlessMesh 库的基础示例:`basic.ino` 程序,来了解一下这个库的基本使用方法。basic 示例程序路径如下:**Arduino IDE → 文件 → Painless Mesh → basic**,如下图所示。 ![basic示例路径](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/eb870df0c312d425136861b1361d0fe8.png) basic.ino 程序如下: ```cpp #include "painlessMesh.h" #define MESH_PREFIX "whateverYouLike" #define MESH_PASSWORD "somethingSneaky" #define MESH_PORT 5555 painlessMesh mesh; Scheduler userScheduler; void sendMessage(); Task taskSendMessage( TASK_SECOND * 1 , TASK_FOREVER, &sendMessage ); void sendMessage() { String msg = "Hello from node "; msg += mesh.getNodeId(); mesh.sendBroadcast( msg ); taskSendMessage.setInterval( random( TASK_SECOND * 1, TASK_SECOND * 5 )); } void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) { Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str()); } void newConnectionCallback(uint32_t nodeId) { Serial.printf("--> startHere: New Connection, nodeId=%u\n", nodeId); } void changedConnectionCallback() { Serial.printf("Changed connections\n"); } void nodeTimeAdjustedCallback(int32_t offset) { Serial.printf("Adjusted time %u. Offset=%d\n", mesh.getNodeTime(),offset); } void setup() { Serial.begin(115200); mesh.setDebugMsgTypes( ERROR | STARTUP ); mesh.init( MESH_PREFIX, MESH_PASSWORD, &userScheduler, MESH_PORT ); mesh.onReceive(&receivedCallback); mesh.onNewConnection(&newConnectionCallback); mesh.onChangedConnections(&changedConnectionCallback); mesh.onNodeTimeAdjusted(&nodeTimeAdjustedCallback); userScheduler.addTask( taskSendMessage ); taskSendMessage.enable(); } void loop() { mesh.update(); } ``` 程序只有短短 50 几行,可见要实现 ESP-MESH 组网非常简单。接下来我们对这个程序进行讲解。 ## MESH 鉴权信息 首先在程序的开头,我们引入了 painlessMesh 这个库,以便后续程序可以使用这个库的相关功能: ```cpp #include "painlessMesh.h" ``` 接着对 ESP-MESH 组网的一些鉴权信息进行设定,以便具有相同鉴权信息的设备,可以互相组网。其中,`MESH_PREFIX` 可以理解为 ESP-MESH 网络的账号,`MESH_PASSWORD` 则是 ESP-MESH 网络的密码,`MESH_PORT` 为ESP-MESH 网络的端口号。这 3 个信息可以根据你的需要随便修改,只要互相 MESH 组网的设备之间这 3 个信息相同即可。设置完这些信息之后,就可以实例化一个 `mesh` 对象,用来处理后续的各种信息收发。 ```cpp #define MESH_PREFIX "whateverYouLike" #define MESH_PASSWORD "somethingSneaky" #define MESH_PORT 5555 painlessMesh mesh; ``` ## MESH 设备发送信息 然后实例化一个 Scheduler 任务管理器 `userScheduler`,帮助ESP- MESH 网络设备调度他们的任务,比如说定时更新传感器相关的信息,然后将数据发送给其他设备等。Scheduler 任务管理也是 painlessMesh 库推荐使用的方式,**因为在 ESP-MESH 网络中要尽量避免延时 delay() 相关的代码**。实例化 userScheduler 之后,再来创建一个任务 `taskSendMessage`,并且调用 `sendMessage()` 函数,这个函数就是负责向其他设备发送信息的。 ```cpp Scheduler userScheduler; void sendMessage(); Task taskSendMessage( TASK_SECOND * 1 , TASK_FOREVER, &sendMessage ); ``` sendMessage() 函数的具体内容如下,在这个函数中,实现了向其他节点设备发送了一句打招呼的语句。如果我们要向其他设备发送传感器信息或者数据,只要去修改这个函数中的内容即可。 ```cpp void sendMessage() { String msg = "Hello from node "; msg += mesh.getNodeId(); mesh.sendBroadcast( msg ); taskSendMessage.setInterval( random( TASK_SECOND * 1, TASK_SECOND * 5 )); } ``` ## MESH 网络回调函数 接下来是几个 painlessMesh 库必备的回调函数实现。 - `receivedCallback()` 函数:负责将从其他设备接收到的信息在串口监视器中打印出来; - `newConnectionCallback()` 函数:负责通知有没有新设备接入到 ESP-MESH 网络中; - `changedConnectionCallback()` 函数:负责通知 ESP-MESH 网络连接出现变化,比如有设备离线或有新设备加入等; - `nodeTimeAdjustedCallback()` 函数:负责打印时间同步信息,以确保 ESP-MESH 网络中所有设备的时间是同步的。 ```cpp void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) { Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str()); } void newConnectionCallback(uint32_t nodeId) { Serial.printf("--> startHere: New Connection, nodeId=%u\n", nodeId); } void changedConnectionCallback() { Serial.printf("Changed connections\n"); } void nodeTimeAdjustedCallback(int32_t offset) { Serial.printf("Adjusted time %u. Offset=%d\n", mesh.getNodeTime(),offset); } ``` ## setup() 初始化设置 在 setup() 初始化程序中,先初始化串口,方便后面打印信息。 ```cpp Serial.begin(115200); ``` 然后是对 ESP-MESH 网络进行相关初始化设置: - 设置打印的调试信息类型为 ERROR 与 STARTUP 等级; - 然后根据 MESH_PREFIX、MESH_PASSWORD、userScheduler、MESH_PORT 等信息初始化 MESH 网络; - 借着分别设置 `onReceive`(接收到消息时)、`onNewConnection`(有新的设备连接时)、`onChangedConnections`(连接的设备发生变化时)、`onNodeTimeAdjusted`(节点设备时间调整并同步时)的回调函数,用来处理 ESP-MESH 网络事件。 ```cpp mesh.setDebugMsgTypes( ERROR | STARTUP ); mesh.init( MESH_PREFIX, MESH_PASSWORD, &userScheduler, MESH_PORT ); mesh.onReceive(&receivedCallback); mesh.onNewConnection(&newConnectionCallback); mesh.onChangedConnections(&changedConnectionCallback); mesh.onNodeTimeAdjusted(&nodeTimeAdjustedCallback); ``` 最后在 setup() 中设置定时发送消息任务,以及对任务使能。 ```cpp userScheduler.addTask( taskSendMessage ); taskSendMessage.enable(); ``` ## loop() 重复运行 loop() 程序非常简单,只要不断去更新 ESP-MESH 网络即可: ```cpp mesh.update(); ``` ## 程序测试 分别将程序上传到 2 块以上的 ESP32 开发板中(或者 ESP8266 开发板也可以),然后分别打开不同的串口监视器,可以看到从其他 ESP-MESH 网络设备上发来的信息,以及一些网络状态变更的信息。 将所有 ESP32(或 ESP8266)设备上电,打开其中一块板子的串口监视器,可以看到从其他不同节点 ID 对应的设备发送过来的消息。 ![从不同的设备节点发过来的消息](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/fa395fd608ae855784e3677b1ec21891.png) 偶尔也会打印出时间同步的消息: ![时间同步消息](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/579bfffd61bb6ccb7a763f73456ec3be.png) 当拔下其中某一块开发板的电源之后,可以看到连接发生变化的消息被打印出来。 ![连接变化信息](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/fece3bfdae3e42fe47d691d3ee5adf27.png) 当有新的设备上电加入 ESP-MESH 网络时,也可以在串口监视器中看到新设备加入的信息。 ![新的节点设备加入](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/85aaa693a28b6de0af3e6118ed139e7f.png) 这些信息充分说明了 ESP-MESH 具有自组网和自修复的特性,可以自主地构建和维护。 # ESP-MESH 智能家居组网实例 上面初步学习了 ESP-MESH 网络的编程,下面我们修改 basic 程序,接入各种传感器,来实现一个简单的智能家居设备组网实例。 假设房间中有 3 套设备:**人体感应器(设备 1 或节点 1)**、**智能灯(设备 2 或 节点 2)**、**温湿度传感器(设备 3 或节点 3)**,这 3 套设备安装在房间的不同位置,考虑到设备可以随时移动,所以采用 ESP-MESH 组网的方式,对这 3 套设备进行互联互通,设备之间可以互相首发信息,可以根据读取到的信息,进行相应的控制,比如开关灯等。这 3 套设备的主控芯片为 ESP32 或者 ESP8266。 ![房间平面示意图](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/93feed352752819d8d61d8b898b69102.png) ## 电路图 这 3 套设备的电路图分别如下: **人体感应器(设备 1 或节点 1)**:ESP8266 主控板 GPIO16 引脚连接人体红外感应传感器,用于检测房间内是否有人: ![设备1电路图](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/6fb4c463c9984902b95cc68a6f8703e8.png) **智能灯(设备 2 或 节点 2)**:ESP32 主控板 GPIO12 引脚连接 LED 灯,用于控制房间内的智能灯: ![设备2电路图](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/19fc9a7bffa93e8c99a4dd3236b0f352.png) **温湿度传感器(设备 3 或节点 3)**:ESP32 主控板 GPIO33 引脚连接 DHT11 温湿度传感器,用于读取房间内的温湿度信息。 ![设备3电路图](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/f160f3822a983c45585e9e62cfa8a324.png) ## 设备 1 程序修改(人体感应) 在前面讲解的 basic 程序的基础之上,我们只需要修改 `sendMessage()` 函数即可:通过人体红外感应传感器检测房间内是否有人,如果有人的话,发送“`Light on`”信息,没人的话,发送“`Light off`”信息给其他设备。 ```cpp #define PIR_PIN 16 void sendMessage() { pinMode(PIR_PIN, INPUT); String msg = "Message from node PIR: "; if ( digitalRead(PIR_PIN) ) { msg += "Light on."; } else { msg += "Light off."; } mesh.sendBroadcast( msg ); } ``` 其余代码不再赘述,完整代码请参考附件 **esp_mesh_pir** 程序。 ## 设备 2 程序修改(LED 灯控制) 在前面讲解的 basic 程序的基础之上,我们只需要修改 `receivedCallback()` 函数即可:如果从其他设备中接收到的信息包含“`Light on`”命令,就打开 LED 灯,否则熄灭 LED 灯。 ```cpp #define LED_PIN 12 void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) { pinMode(LED_PIN, OUTPUT); Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str()); if (msg.indexOf("Light on") > 0) { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); } else { digitalWrite(LED_PIN, LOW); } } ``` 其余代码不再赘述,完整代码请参考附件 **esp_mesh_led** 程序。 ## 设备 3 程序修改(温湿度读取) 读取 DHT11 温湿度传感器要做一些额外的设置,首先在程序开头引入 DHT 库文件: ```cpp #include
``` 然后对 DHT 温湿度传感器的引脚、类型进行设置: ``` #define DHTPIN 33 #define DHTTYPE DHT11 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); ``` 在 setup() 中开启传感器: ``` dht.begin(); ``` 最后在前面讲解的 basic 程序的基础之上,需要修改 `sendMessage()` 函数:定时地将温度和湿度的数据发送给其他设备。 ```cpp void sendMessage() { String msg = "Message from node DHT."; msg = msg + " Temperature: " + String(dht.readTemperature()); msg = msg + " Humidity: " + String(dht.readHumidity()); mesh.sendBroadcast( msg ); } ``` 其余代码不再赘述,完整代码请参考附件 **esp_mesh_dht** 程序。 ## 效果展示 将上述代码分别上传到指定的设备节点中。打开其中一个设备 1(节点 1:人体感应)的串口监视器,可以看到另外两个设备发送过来的信息,其中就包含了温度和湿度的值。 ![读取温湿度](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/9b7e4885a13643489743e3ebe039a960.png) 再打开设备 3(节点 3:温湿度读取)的串口监视器,同样可以看到另外两个设备发送过来的信息,其中就包括是否开关灯的命令。 ![检测是否有人](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/2f64328a2eba0db567469bfdfb6aa15a.png) 最后再查看一下设备 2(节点 2:LED 灯控制)的反馈情况:当设备 1 检测到附近有人活动时,设备 2 上的 LED 灯就会被点亮,否则熄灭。 ![LED灯点亮](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/1cb39ef4c9be411068b2ed07fb645182.png) 所有设备按照我们预期的情况运行,智能家居组网实验成功! # 总结 ESP-MESH 是一种非常好用的组网方式,摆脱了 WiFi 网络距离的限制,同时组网又非常方便,可以应用在很多智能家居或者工程项目中,方便地进行数据交互与传送。由于本项目只是一个简单的演示,所以并没有对发送的信息或者数据进行包装,后续可以改进数据发送的格式,比如采用 JSON 格式,就可以发送与解码更加丰富的信息了。 以上就是本教程的全部内容,我是铁熊,下期再见! # 代码下载 关注公众号“**铁熊玩创客**”,后台回复“**ESP-MESH**”,就可以获取本次课程的全部源码下载链接。 ![微信二维码引导2](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/049a9343ab7e671c1043eaff4defe317.png)
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