Wi-Fi 驱动程序

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ESP32-C3 Wi-Fi 功能列表

ESP32-C3 支持以下 Wi-Fi 功能:

  • 支持 4 个虚拟接口,即 STA、AP、Sniffer 和 reserved。

  • 支持仅 station 模式、仅 AP 模式、station/AP 共存模式

  • 支持使用 IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n 和 API 配置协议模式

  • 支持 WPA/WPA2/WPA3/WPA2-企业版/WPA3-企业版/WAPI/WPS 和 DPP

  • 支持 AMSDU、AMPDU、HT40、QoS 以及其它主要功能

  • 支持 Modem-sleep

  • 支持乐鑫专属协议,可实现 1 km 数据通信量

  • 空中数据传输最高可达 20 MBit/s TCP 吞吐量和 30 MBit/s UDP 吞吐量

  • 支持 Sniffer

  • 支持快速扫描和全信道扫描

  • 支持多个天线

  • 支持获取信道状态信息

如何编写 Wi-Fi 应用程序

准备工作

一般来说,要编写自己的 Wi-Fi 应用程序,最高效的方式是先选择一个相似的应用程序示例,然后将其中可用的部分移植到自己的项目中。如果您希望编写一个强健的 Wi-Fi 应用程序,强烈建议您在开始之前先阅读本文。非强制要求,请依个人情况而定。

本文将补充说明 Wi-Fi API 和 Wi-Fi 示例的相关信息,重点描述使用 Wi-Fi API 的原则、当前 Wi-Fi API 实现的限制以及使用 Wi-Fi 时的常见错误。同时,本文还介绍了 Wi-Fi 驱动程序的一些设计细节。建议您选择一个示例 example 进行参考。

设置 Wi-Fi 编译时选项

请参阅 Wi-Fi menuconfig

Wi-Fi 初始化

请参阅 ESP32-C3 Wi-Fi station 一般情况ESP32-C3 Wi-Fi AP 一般情况

启动/连接 Wi-Fi

请参阅 ESP32-C3 Wi-Fi station 一般情况ESP32-C3 Wi-Fi AP 一般情况

事件处理

通常,在理想环境下编写代码难度并不大,如 WIFI_EVENT_STA_STARTWIFI_EVENT_STA_CONNECTED 中所述。难度在于如何在现实的困难环境下编写代码,如 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 中所述。能否在后者情况下完美地解决各类事件冲突,是编写一个强健的 Wi-Fi 应用程序的根本。请参阅 ESP32-C3 Wi-Fi 事件描述, ESP32-C3 Wi-Fi station 一般情况, ESP32-C3 Wi-Fi AP 一般情况。另可参阅 ESP-IDF 中的 事件处理概述

编写错误恢复程序

除了在能在比较差的环境下工作,错误恢复能力也对一个强健的 Wi-Fi 应用程序至关重要。请参阅 ESP32-C3 Wi-Fi API 错误代码

ESP32-C3 Wi-Fi API 错误代码

所有 ESP32-C3 Wi-Fi API 都有定义好的返回值,即错误代码。这些错误代码可分类为:

  • 无错误,例如:返回值 ESP_OK 代表 API 成功返回

  • 可恢复错误,例如:ESP_ERR_NO_MEM

  • 不可恢复的非关键性错误

  • 不可恢复的关键性错误

一个错误是否为关键性取决于其 API 和应用场景,并且由 API 用户定义。

要使用 Wi-Fi API 编写一个强健的应用程序,根本原则便是要时刻检查错误代码并编写相应的错误处理代码。 一般来说,错误处理代码可用于解决:

  • 可恢复错误,您可以编写一个可恢复错误处理代码解决该类错误。例如,当 esp_wifi_start() 返回 ESP_ERR_NO_MEM 时,调用可恢复错误处理代码 vTaskDelay 可以获取几微秒的重试时间。

  • 不可恢复非关键性错误,打印错误代码可以帮助您更好地处理该类错误。

  • 不可恢复关键性错误,可使用 “assert” 语句处理该类错误。例如,如果 esp_wifi_set_mode() 返回 ESP_ERR_WIFI_NOT_INIT,该值意为 esp_wifi_init() 未成功初始化 Wi-Fi 驱动程序。您可以在应用程序开发阶段非常快速地检测到此类错误。

在 esp_err.h 中,ESP_ERROR_CHECK 负责检查返回值。这是一个较为常见的错误处理代码,可在应用程序开发阶段作为默认的错误处理代码。但是,我们强烈建议 API 的使用者编写自己的错误处理代码。

初始化 ESP32-C3 Wi-Fi API 参数

初始化 API 的结构参数时,应遵循以下两种方式之一:

  • 设置该参数的所有字段

  • 先使用 get API 获取当前配置,然后只设置特定于应用程序的字段

初始化或获取整个结构这一步至关重要,因为大多数情况下,返回值 0 意味着程序使用了默认值。未来,我们将会在该结构中加入更多字段,并将这些字段初始化为 0,确保即使 IDF 版本升级后您的应用程序依然能够正常运行。

ESP32-C3 Wi-Fi 编程模型

ESP32-C3 Wi-Fi 编程模型如下图所示:

Wi-Fi 编程模型

Wi-Fi 驱动程序可以看作是一个无法感知上层代码(如 TCP/IP 堆栈、应用程序任务、事件任务等)的黑匣子。通常,应用程序任务(代码)负责调用 Wi-Fi 驱动程序 APIs 来初始化 Wi-Fi,并在必要时处理 Wi-Fi 事件。然后,Wi-Fi 驱动程序接收并处理 API 数据,并在应用程序中插入事件。

Wi-Fi 事件处理是在 esp_event 库 的基础上进行的。Wi-Fi 驱动程序将事件发送至 默认事件循环,应用程序便可以使用 esp_event_handler_register() 中的回调函数处理这些事件。除此之外,esp_netif 组件 也负责处理 Wi-Fi 事件,并产生一系列默认行为。例如,当 Wi-Fi station 连接至一个 AP 时,esp_netif 将自动开启 DHCP 客户端服务(系统默认)。

ESP32-C3 Wi-Fi 事件描述

WIFI_EVENT_WIFI_READY

Wi-Fi 驱动程序永远不会生成此事件,因此,应用程序的事件回调函数可忽略此事件。在未来的版本中,此事件可能会被移除。

WIFI_EVENT_SCAN_DONE

扫描完成事件,由 esp_wifi_scan_start() 函数触发,将在以下情况下产生:

  • 扫描已完成,例如:Wi-Fi 已成功找到目标 AP 或已扫描所有信道。

  • 当前扫描因函数 esp_wifi_scan_stop() 而终止。

  • 在当前扫描完成之前调用了函数 esp_wifi_scan_start()。此时,新的扫描将覆盖当前扫描过程,并生成一个扫描完成事件。

以下情况下将不会产生扫描完成事件:

接收到此事件后,事件任务暂不做任何响应。首先,应用程序的事件回调函数需调用 esp_wifi_scan_get_ap_num()esp_wifi_scan_get_ap_records() 获取已扫描的 AP 列表,然后触发 Wi-Fi 驱动程序释放在扫描过程中占用的内存空间(切记该步骤)。 更多详细信息,请参阅 ESP32-C3 Wi-Fi 扫描

WIFI_EVENT_STA_START

如果调用函数 esp_wifi_start() 后接收到返回值 ESP_OK,且当前 Wi-Fi 处于 station 或 station/AP 共存模式,则将产生此事件。接收到此事件后,事件任务将初始化 LwIP 网络接口 (netif)。通常,应用程序的事件回调函数需调用 esp_wifi_connect() 来连接已配置的 AP。

WIFI_EVENT_STA_STOP

如果调用函数 esp_wifi_stop() 后接收到返回值 ESP_OK,且当前 Wi-Fi 处于 station 或 station/AP 共存模式,则将产生此事件。接收到此事件后,事件任务将进行释放 station IP 地址、终止 DHCP 客户端服务、移除 TCP/UDP 相关连接并清除 LwIP station netif 等动作。此时,应用程序的事件回调函数通常不需做任何响应。

WIFI_EVENT_STA_CONNECTED

如果调用函数 esp_wifi_connect() 后接收到返回值 ESP_OK,且 station 已成功连接目标 AP,则将产生此连接事件。接收到此事件后,事件任务将启动 DHCP 客户端服务并开始获取 IP 地址。此时,Wi-Fi 驱动程序已准备就绪,可发送和接收数据。如果您的应用程序不依赖于 LwIP(即 IP 地址),则此刻便可以开始应用程序开发工作。但是,如果您的应用程序需基于 LwIP 进行,则还需等待 got ip 事件发生后才可开始。

WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED

此事件将在以下情况下产生:

  • 调用了函数 esp_wifi_disconnect()esp_wifi_stop(),且 Wi-Fi station 已成功连接至 AP。

  • 调用了函数 esp_wifi_connect(),但 Wi-Fi 驱动程序因为某些原因未能成功连接至 AP,例如:未扫描到目标 AP、验证超时等。或存在多个 SSID 相同的 AP,station 无法连接所有已找到的 AP,也将产生该事件。

  • Wi-Fi 连接因为某些原因而中断,例如:station 连续多次丢失 N beacon、AP 踢掉 station、AP 认证模式改变等。

接收到此事件后,事件任务的默认动作为:

  • 关闭 station 的 LwIP netif。

  • 通知 LwIP 任务清除导致所有套接字状态错误的 UDP/TCP 连接。针对基于套接字编写的应用程序,其回调函数可以在接收到此事件时(如有必要)关闭并重新创建所有套接字。

应用程序处理此事件最常用的方法为:调用函数 esp_wifi_connect() 重新连接 Wi-Fi。但是,如果此事件是由函数 esp_wifi_disconnect() 引发的,则应用程序不应调用 esp_wifi_connect() 来重新连接。应用程序须明确区分此事件的引发原因,因为某些情况下应使用其它更好的方式进行重新连接。请参阅 Wi-Fi 重新连接连接 Wi-Fi 时扫描

需要注意的另一点是:接收到此事件后,LwIP 的默认动作是终止所有 TCP 套接字连接。大多数情况下,该动作不会造成影响。但对某些特殊应用程序可能除外。例如:

  • 应用程序创建一个了 TCP 连接,以维护每 60 秒发送一次的应用程序级、保持活动状态的数据。

  • 由于某些原因,Wi-Fi 连接被切断并引发了 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件。根据当前实现,此时所有 TCP 连接都将被移除,且保持活动的套接字将处于错误的状态中。但是,由于应用程序设计者认为网络层 不应 考虑这个 Wi-Fi 层的错误,因此应用程序不会关闭套接字。

  • 5 秒后,因为在应用程序的事件回调函数中调用了 esp_wifi_connect(),Wi-Fi 连接恢复。同时,station 连接至同一个 AP 并获得与之前相同的 IPV4 地址。

  • 60 秒后,当应用程序发送具有保持活动状态的套接字的数据时,套接字将返回错误,应用程序将关闭套接字并在必要时重新创建。

在上述场景中,理想状态下应用程序套接字和网络层将不会受到影响,因为在此过程中 Wi-Fi 连接只是短暂地断开然后快速恢复。应用程序可通过 LwIP menuconfig 启动“IP 改变时保持 TCP 连接”的功能。

IP_EVENT_STA_GOT_IP

当 DHCP 客户端成功从 DHCP 服务器获取 IPV4 地址或 IPV4 地址发生改变时,将引发此事件。此事件意味着应用程序一切就绪,可以开始任务(如:创建套接字)。

IPV4 地址可能由于以下原因而发生改变:

  • DHCP 客户端无法重新获取/绑定 IPV4 地址,且 station 的 IPV4 重置为 0。

  • DHCP 客户端重新绑定了其它地址。

  • 静态配置的 IPV4 地址已发生改变。

函数 ip_event_got_ip_t 中的字段 ip_change 说明了 IPV4 地址是否发生改变。

套接字的状态是基于 IPV4 地址的,这意味着,如果 IPV4 地址发生改变,则所有与此 IPV4 相关的套接字都将变为异常。接收到此事件后,应用程序需关闭所有套接字,并在 IPV4 变为有效地址时重新创建应用程序。

IP_EVENT_GOT_IP6

当 IPV6 SLAAC 支持自动为 ESP32-C3 配置一个地址,或 ESP32-C3 地址发生改变时,将引发此事件。此事件意味着应用程序一切就绪,可以开始任务(如:创建套接字)。

IP_EVENT_STA_LOST_IP

当 IPV4 地址失效时,将引发此事件。

此事件不会在 Wi-Fi 断连后立刻出现。Wi-Fi 连接断开后,首先将启动一个 IPV4 地址丢失计时器,如果 station 在该计时器超时之前成功获取了 IPV4 地址,则不会发生此事件。否则,此事件将在计时器超时时发生。

一般来说,应用程序可忽略此事件。这只是一个调试事件,主要使应用程序获知 IPV4 地址已丢失。

WIFI_EVENT_AP_START

WIFI_EVENT_STA_START 事件相似。

WIFI_EVENT_AP_STOP

WIFI_EVENT_STA_STOP 事件相似。

WIFI_EVENT_AP_STACONNECTED

每当有一个 station 成功连接 ESP32-C3 AP 时,将引发此事件。接收到此事件后,事件任务将不做任何响应,应用程序的回调函数也可忽略这一事件。但是,您可以在此时进行一些操作,例如:获取已连接 station 的信息等。

WIFI_EVENT_AP_STADISCONNECTED

此事件将在以下情况下发生:

发生此事件时,事件任务将不做任何响应,但应用程序的事件回调函数需执行一些操作,例如:关闭与此 station 相关的套接字等。

WIFI_EVENT_AP_PROBEREQRECVED

默认情况下,此事件处于禁用状态,应用程序可以通过调用 API esp_wifi_set_event_mask() 启用。 启用后,每当 AP 接收到 probe request 时都将引发此事件。

WIFI_EVENT_STA_BEACON_TIMEOUT

如果 station 在 inactive 时间内未收到所连接 AP 的 beacon,将发生 beacon 超时,将引发此事件。inactive 时间通过调用函数 esp_wifi_set_inactive_time() 设置。

ESP32-C3 Wi-Fi station 一般情况

下图为 station 模式下的宏观场景,其中包含不同阶段的具体描述:

station 模式下 Wi-Fi 事件场景示例

1. Wi-Fi/LwIP 初始化阶段

  • s1.1:主任务通过调用函数 esp_netif_init() 创建一个 LwIP 核心任务,并初始化 LwIP 相关工作。

  • s1.2:主任务通过调用函数 esp_event_loop_create() 创建一个系统事件任务,并初始化应用程序事件的回调函数。在此情况下,该回调函数唯一的动作就是将事件中继到应用程序任务中。

  • s1.3:主任务通过调用函数 esp_netif_create_default_wifi_ap()esp_netif_create_default_wifi_sta() 创建有 TCP/IP 堆栈的默认网络接口实例绑定 station 或 AP。

  • s1.4:主任务通过调用函数 esp_wifi_init() 创建 Wi-Fi 驱动程序任务,并初始化 Wi-Fi 驱动程序。

  • s1.5:主任务通过调用 OS API 创建应用程序任务。

推荐按照 s1.1 ~ s1.5 的步骤顺序针对基于 Wi-Fi/LwIP 的应用程序进行初始化。但这一顺序 并非 强制,您可以在第 s1.1 步创建应用程序任务,然后在该应用程序任务中进行所有其它初始化操作。不过,如果您的应用程序任务依赖套接字,那么在初始化阶段创建应用程序任务可能并不适用。此时,您可以在接收到 IP 后再进行任务创建。

2. Wi-Fi 配置阶段

Wi-Fi 驱动程序初始化成功后,可以进入到配置阶段。该场景下,Wi-Fi 驱动程序处于 station 模式。因此,首先您需调用函数 esp_wifi_set_mode() (WIFI_MODE_STA) 将 Wi-Fi 模式配置为 station 模式。可通过调用其它 esp_wifi_set_xxx API 进行更多设置,例如:协议模式、国家代码、带宽等。请参阅 ESP32-C3 Wi-Fi 配置

一般情况下,我们会在建立 Wi-Fi 连接之前配置 Wi-Fi 驱动程序,但这 并非 强制要求。也就是说,只要 Wi-Fi 驱动程序已成功初始化,您可以在任意阶段进行配置。但是,如果您的 Wi-Fi 在建立连接后不需要更改配置,则应先在此阶段完成配置。因为调用配置 API(例如 esp_wifi_set_protocol())将会导致 Wi-Fi 连接断开,为您的操作带来不便。

如果 menuconfig 已使能 Wi-Fi NVS flash,则不论当前阶段还是后续的 Wi-Fi 配置信息都将被存储至该 flash 中。那么,当主板上电/重新启动时,就不需从头开始配置 Wi-Fi 驱动程序。您只需调用函数 esp_wifi_get_xxx API 获取之前存储的配置信息。当然,如果不想使用之前的配置,您依然可以重新配置 Wi-Fi 驱动程序。

3. Wi-Fi 启动阶段

  • s3.1:调用函数 esp_wifi_start() 启动 Wi-Fi 驱动程序。

  • s3.2:Wi-Fi 驱动程序将事件 WIFI_EVENT_STA_START 发布到事件任务中,然后,事件任务将执行一些正常操作并调用应用程序的事件回调函数。

  • s3.3:应用程序的事件回调函数将事件 WIFI_EVENT_STA_START 中继到应用程序任务中。推荐您此时调用函数 esp_wifi_connect() 进行 Wi-Fi 连接。当然,您也可以等待在 WIFI_EVENT_STA_START 事件发生后的其它阶段再调用此函数。

4. Wi-Fi 连接阶段

  • s4.1:调用函数 esp_wifi_connect() 后,Wi-Fi 驱动程序将启动内部扫描/连接过程。

  • s4.2:如果内部扫描/连接过程成功,将产生 WIFI_EVENT_STA_CONNECTED 事件。然后,事件任务将启动 DHCP 客户端服务,最终触发 DHCP 程序。

  • s4.3:在此情况下,应用程序的事件回调函数会将 WIFI_EVENT_STA_CONNECTED 事件中继到应用程序任务中。通常,应用程序不需进行操作,而您可以执行任何动作,例如:打印日志等。

步骤 s4.2 中 Wi-Fi 连接可能会由于某些原因而失败,例如:密码错误、未找到 AP 等。这种情况下,将引发 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件并提示连接错误原因。有关如何处理中断 Wi-Fi 连接的事件,请参阅下文阶段 6 的描述。

5. Wi-Fi 获取 IP 阶段

  • s5.1:一旦步骤 4.2 中的 DHCP 客户端初始化完成,Wi-Fi 驱动程序将进入 获取 IP 阶段。

  • s5.2:如果 Wi-Fi 成功从 DHCP 服务器接收到 IP 地址,则将引发 IP_EVENT_STA_GOT_IP 事件,事件任务将执行正常处理。

  • s5.3:应用程序的事件回调函数将事件 IP_EVENT_STA_GOT_IP 中继到应用程序任务中。对于那些基于 LwIP 构建的应用程序,此事件较为特殊,因为它意味着应用程序已准备就绪,可以开始任务,例如:创建 TCP/UDP 套接字等。此时较为容易犯的一个错误就是在接收到 IP_EVENT_STA_GOT_IP 事件之前就初始化套接字。切忌在接收到 IP 之前启动任何套接字相关操作。

6. Wi-Fi 断开阶段

  • s6.1:当 Wi-Fi 因为某些原因(例如:AP 掉电、RSSI 较弱等)连接中断时,将产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件。此事件也可能在上文阶段 3 中发生。在这里,事件任务将通知 LwIP 任务清除/移除所有 UDP/TCP 连接。然后,所有应用程序套接字都将处于错误状态。也就是说,WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件发生时,任何套接字都无法正常工作。

  • s6.2:上述情况下,应用程序的事件回调函数会将 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件中继到应用程序任务中。推荐您调用函数 esp_wifi_connect() 重新连接 Wi-Fi,关闭所有套接字,并在必要时重新创建套接字。请参阅 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED

7. Wi-Fi IP 更改阶段

  • s7.1:如果 IP 地址发生更改,将引发 IP_EVENT_STA_GOT_IP 事件,其中 “ip_change” 被置为 “true”。

  • s7.2:此事件对应用程序至关重要。这一事件发生时,适合关闭所有已创建的套接字并进行重新创建。

8. Wi-Fi 清理阶段

ESP32-C3 Wi-Fi AP 一般情况

下图为 AP 模式下的宏观场景,其中包含不同阶段的具体描述:

AP 模式下 Wi-Fi 事件场景示例

ESP32-C3 Wi-Fi 扫描

目前,仅 station 或 station/AP 共存模式支持 esp_wifi_scan_start() API。

扫描类型

模式

描述

主动扫描

通过发送 probe request 进行扫描。该模式为默认的扫描模式。

被动扫描

不发送 probe request。跳至某一特定信道并等待 beacon。应用程序可通过 wifi_scan_config_t 中的 scan_type 字段使能被动扫描。

前端扫描

在 station 模式下 Wi-Fi 未连接时,可进行前端扫描。Wi-Fi 驱动程序决定进行前端扫描还是后端扫描,应用程序无法配置这两种模式。

后端扫描

在 station 模式或 station/AP 共存模式下 Wi-Fi 已连接时,可进行后端扫描。Wi-Fi 驱动程序决定进行前端扫描还是后端扫描,应用程序无法配置这两种模式。

全信道扫描

扫描所有信道。wifi_scan_config_t 中的 channel 字段为 0 时,当前模式为全信道扫描。

特定信道扫描

仅扫描特定的信道。wifi_scan_config_t 中的 channel 字段为 1-14 时,当前模式为特定信道扫描。

上表中的扫描模式可以任意组合,因此共有 8 种不同扫描方式:

  • 全信道后端主动扫描

  • 全信道后端被动扫描

  • 全信道前端主动扫描

  • 全信道后端被动扫描

  • 特定信道后端主动扫描

  • 特定信道后端被动扫描

  • 特定信道前端主动扫描

  • 特定信道前端被动扫描

扫描配置

扫描类型与其他扫描属性通过函数 esp_wifi_scan_start() 进行配置。下表详细描述了函数 wifi_scan_config_t 各字段信息。

字段

描述

ssid

如果该字段的值不为 NULL,则仅可扫描到具有相同 SSID 值的 AP。

bssid

如果该字段的值不为 NULL,则仅可扫描到具有相同 BSSID 值的 AP。

channel

如果该字段值为 0,将进行全信道扫描;反之,将针对特定信道进行扫描。

show_hidden

如果该字段值为 0,本次扫描将忽略具有隐藏 SSID 的 AP;反之,这些 AP 也会在扫描时被视为正常 AP。

scan_type

如果该字段值为为 WIFI_SCAN_TYPE_ACTIVE,则本次扫描为主动扫描;反之,将被视为被动扫描。

scan_time

该字段用于控制每个信道的扫描时间。

被动扫描时,scan_time.passive 字段负责为每个信道指定扫描时间。

主动扫描时,每个信道的扫描时间如下列表所示。其中,min 代表 scan_time_active_min,max 代表 scan_time_active_max。

  • min=0, max=0:每个信道的扫描时间为 120 ms。

  • min>0, max=0:每个信道的扫描时间为 120 ms。

  • min=0, max>0:每个信道的扫描时间为 max ms。

  • min>0, max>0:每个信道扫描的最短时间为 min ms。 如果在这段时间内未找到 AP,将跳转至下一个信道。如这段时间内找到 AP,则该信道的扫描时间为 max ms。

如希望提升 Wi-Fi 扫描性能,则可修改上述两个参数。

调用 API esp_wifi_set_config() 可全局配置一些扫描属性,请参阅 station 基本配置

在所有信道中扫描全部 AP(前端)

场景:

所有 Wi-Fi 信道的前端扫描

上述场景中描述了全信道前端扫描过程。仅 station 模式支持前端扫描,该模式下 station 未连接任何 AP。前端扫描还是后端扫描完全由 Wi-Fi 驱动程序决定,应用程序无法配置这一模式。

详细描述:

扫描配置阶段

Wi-Fi 驱动程序内部扫描阶段

  • s2.1:Wi-Fi 驱动程序切换至信道 1,此时的扫描类型为 WIFI_SCAN_TYPE_ACTIVE,同时发送一个 probe request。反之,Wi-Fi 将等待接收 AP beacon。Wi-Fi 驱动程序将在信道 1 停留一段时间。min/max 扫描时间中定义了 Wi-Fi 在信道 1 中停留的时间长短,默认为 120 ms。

  • s2.2:Wi-Fi 驱动程序跳转至信道 2,并重复进行 s2.1 中的步骤。

  • s2.3:Wi-Fi 驱动程序扫描最后的信道 N,N 的具体数值由步骤 s1.1 中配置的国家代码决定。

扫描完成后事件处理阶段

在所有信道上扫描全部 AP(后端)

场景:

所有 Wi-Fi 信道的后端扫描

上述场景为一次全信道后端扫描。与 在所有信道中扫描全部 AP(前端) 相比,全信道后端扫描的不同之处在于:在跳至下一个信道之前,Wi-Fi 驱动程序会先返回主信道停留 30 ms,以便 Wi-Fi 连接有一定的时间发送/接收数据。

在所有信道中扫描特定 AP

场景:

扫描特定的 Wi-Fi 信道

该扫描过程与 在所有信道中扫描全部 AP(前端) 相似。区别在于:

  • s1.1:在步骤 1.2 中,目标 AP 将配置为 SSID/BSSID。

  • s2.1 ~ s2.N:每当 Wi-Fi 驱动程序扫描某个 AP 时,它将检查该 AP 是否为目标 AP。如果本次扫描类型为 WIFI_FAST_SCAN,且确认已找到目标 AP,则将产生扫描完成事件,同时结束本次扫描;反之,扫描将继续。请注意,第一个扫描的信道可能不是信道 1,因为 Wi-Fi 驱动程序会优化扫描顺序。

如果有多个匹配目标 AP 信息的 AP,例如:碰巧扫描到两个 SSID 为 “ap” 的 AP。如果本次扫描类型为 WIFI_FAST_SCAN,则仅可找到第一个扫描到的 “ap”;如果本次扫描类型为 WIFI_ALL_CHANNEL_SCAN,则两个 “ap“ 都将被找到,且 station 将根据配置规则连接至其需要连接的 “ap”,请参阅 station 基本配置

您可以在任意信道中扫描某个特定的 AP,或扫描该信道中的所有 AP。这两种扫描过程也较为相似。

在 Wi-Fi 连接模式下扫描

调用函数 esp_wifi_connect() 后,Wi-Fi 驱动程序将首先尝试扫描已配置的 AP。Wi-Fi 连接模式下的扫描过程与 在所有信道中扫描特定 AP 过程相同,但连接模式下扫描结束后将不会产生扫描完成事件。如果已找到目标 AP,则 Wi-Fi 驱动程序将开始 Wi-Fi 连接;反之,将产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件。请参阅 在所有信道中扫描特定 AP

在禁用模式下扫描

如果函数 esp_wifi_scan_start() 中的禁用参数为 “true”,则本次扫描为禁用模式下的扫描。在该次扫描完成之前,应用程序任务都将被禁用。禁用模式下的扫描和正常扫描相似,不同之处在于,禁用模式下扫描完成之后将不会出现扫描完成事件。

并行扫描

有时,可能会有两个应用程序任务同时调用函数 esp_wifi_scan_start(),或者某个应用程序任务在获取扫描完成事件之前再次调用了函数 esp_wifi_scan_start()。这两种情况都有可能会发生。但是,Wi-Fi 驱动程序并不足以支持多个并行的扫描。因此,应避免上述并行扫描。随着 ESP32-C3 的 Wi-Fi 功能不断提升,未来的版本中可能会增加并行扫描支持。

连接 Wi-Fi 时扫描

如果 Wi-Fi 正在连接,则调用函数 esp_wifi_scan_start() 后扫描将立即失败,因为 Wi-Fi 连接优先级高于扫描。如果扫描是因为 Wi-Fi 连接而失败的,此时推荐采取的策略为:等待一段时间后重试。因为一旦 Wi-Fi 连接完成后,扫描将立即成功。

但是,延时重试策略并非万无一失。试想以下场景:

  • 如果 station 正在连接一个不存在的 AP,或正在使用错误的密码连接一个 AP,此时将产生事件 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED

  • 接收到断开连接事件后,应用程序调用函数 esp_wifi_connect() 进行重新连接。

  • 而另一个应用程序任务(如,控制任务)调用了函数 esp_wifi_scan_start() 进行扫描。这种情况下,每一次扫描都会立即失败,因为 station 一直处于正在连接状态。

  • 扫描失败后,应用程序将等待一段时间后进行重新扫描。

上述场景中的扫描永远不会成功,因为 Wi-Fi 一直处于正在连接过程中。因此,如果您的应用程序也可能发生相似的场景,那么就需要为其配置一个更佳的重新连接策略。例如:

  • 应用程序可以定义一个连续重新连接次数的最大值,当重新连接的次数达到这个最大值时,立刻停止重新连接。

  • 应用程序可以在首轮连续重新连接 N 次后立即进行重新连接,然后延时一段时间后再进行下一次重新连接。

可以给应用程序定义其特殊的重新连接策略,以防止扫描无法成功。请参阅 Wi-Fi 重新连接

ESP32-C3 Wi-Fi station 连接场景

该场景仅针对在扫描阶段只找到一个目标 AP 的情况,对于多个相同 SSID AP 的情况,请参阅 找到多个 AP 时的 ESP32-C3 Wi-Fi station 连接

通常,应用程序无需关心这一连接过程。如感兴趣,可参看下述简介。

场景:

Wi-Fi station 连接过程

扫描阶段

认证阶段

  • s2.1:发送认证请求数据包并使能认证计时器。

  • s1.2:如果在认证计时器超时之前未接收到认证响应数据包,将产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件,且原因代码为 WIFI_REASON_AUTH_EXPIRE。请参阅 Wi-Fi 原因代码

  • s2.3:接收到认证响应数据包,且认证计时器终止。

  • s2.4:AP 在响应中拒绝认证且产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件,原因代码为 WIFI_REASON_AUTH_FAIL 或为 AP 指定的其它原因。请参阅 Wi-Fi 原因代码

关联阶段

  • s3.1:发送关联请求并使能关联计时器。

  • s3.2:如果在关联计时器超时之前未接收到关联响应,将产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件,且原因代码为 WIFI_REASON_ASSOC_EXPIRE。请参阅 Wi-Fi 原因代码

  • s3.3:接收到关联响应,且关联计时器终止。

  • s3.4:AP 在响应中拒绝关联且产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件,原因代码将在关联响应中指定。请参阅 Wi-Fi 原因代码

四次握手阶段

  • s4.1:使能握手定时器,定时器终止之前未接收到 1/4 EAPOL,此时将产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件,且原因代码为 WIFI_REASON_HANDSHAKE_TIMEOUT。请参阅 Wi-Fi 原因代码

  • s4.2:接收到 1/4 EAPOL。

  • s4.3:station 回复 2/4 EAPOL。

  • s4.4:如果在握手定时器终止之前未接收到 3/4 EAPOL,将产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件,且原因代码为 WIFI_REASON_HANDSHAKE_TIMEOUT。请参阅 Wi-Fi 原因代码

  • s4.5:接收到 3/4 EAPOL。

  • s4.6:station 回复 4/4 EAPOL。

  • s4.7:station 产生 WIFI_EVENT_STA_CONNECTED 事件。

Wi-Fi 原因代码

下表罗列了 ESP32-C3 中定义的原因代码。其中,第一列为 esp_wifi_types.h 中定义的宏名称。名称中省去了前缀 WIFI_REASON,也就是说,名称 UNSPECIFIED 实际应为 WIFI_REASON_UNSPECIFIED,以此类推。第二列为原因代码的相应数值。第三列为该原因映射到 IEEE 802.11-2012 中 8.4.1.7 段的标准值。(更多详细信息,请参阅前文描述。)最后一列为这一原因的描述。

原因代码

数值

映射值

描述

UNSPECIFIED

1

1

出现内部错误,例如:内存已满,内部发送失败,或该原因已被远端接收等。

AUTH_EXPIRE

2

2

先前的 authentication 已失效。

对于 ESP station,出现以下情况时将报告该代码:

  • authentication 超时;

  • 从 AP 接收到该代码。

对于 ESP AP,出现以下情况时将报告该代码:

  • 在过去五分钟之内,AP 未从 station 接收到任何数据包;

  • 由于调用了函数 esp_wifi_stop() 导致 AP 终止;

  • 由于调用了函数 esp_wifi_deauth_sta() 导致 station 的 authentication 取消。

AUTH_LEAVE

3

3

authentication 取消,因为发送 station 正在离开(或已经离开)。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

ASSOC_EXPIRE

4

4

因为 AP 不活跃,association 取消。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

对于 ESP AP,出现以下情况时将报告该代码:

  • 在过去五分钟之内, AP 未从 station 接收到任何数据包;

  • 由于调用了函数 esp_wifi_stop() 导致 AP 终止;

  • 由于调用了函数 esp_wifi_deauth_sta() 导致 station 的 authentication 取消。

ASSOC_TOOMANY

5

5

association 取消,因为 AP 无法同时处理所有当前已关联的 STA。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

对于 ESP AP,出现以下情况时将报告该代码:

  • 与 AP 相关联的 station 数量已到达 AP 可支持的最大值。

NOT_AUTHED

6

6

从一个未认证 station 接收到 class-2 frame。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

对于 ESP AP,出现以下情况时将报告该代码:

  • AP 从一个未认证 station 接收到数据包。

NOT_ASSOCED

7

7

从一个未关联 station 接收到的 class-3 frame。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

对于 ESP AP,出现以下情况时将报告该代码:

  • AP 从未关联 station 接收到数据包。

ASSOC_LEAVE

8

8

association 取消,因为发送 station 正在离开(或已经离开)BSS。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

  • 由于调用 esp_wifi_disconnect() 和其它 API,station 断开连接。

ASSOC_NOT_AUTHED

9

9

station 的 re(association) 请求未被响应 station 认证。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

对于 ESP AP,出现以下情况时将报告该代码:

  • AP 从一个已关联,但未认证的 station 接收到数据包。

DISASSOC_PWRCAP_BAD

10

10

association 取消,因为无法接收功率能力 (Power Capability) 元素中的信息。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

DISASSOC_SUPCHAN_BAD

11

11

association 取消,因为无法接收支持的信道 (Supported Channels) 元素中的信息。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

IE_INVALID

13

13

无效元素,即内容不符合 Wi-Fi 协议中帧格式 (Frame formats) 章节所描述标准的元素。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

对于 ESP AP,出现以下情况时将报告该代码:

  • AP 解析了一个错误的 WPA 或 RSN IE。

MIC_FAILURE

14

14

消息完整性代码 (MIC) 出错。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

4WAY_HANDSHAKE_TIMEOUT

15

15

四次握手超时。由于某些历史原因,在 ESP 中该原因代码实为 WIFI_REASON_HANDSHAKE_TIMEOUT。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 握手超时。

  • 从 AP 接收到该代码。

GROUP_KEY_UPDATE_TIMEOUT

16

16

组密钥 (Group-Key) 握手超时。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

IE_IN_4WAY_DIFFERS

17

17

四次握手中产生的元素与 (re-)association 后的 request/probe 以及 response/beacon frame 中的信息不同。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

  • station 发现四次握手的 IE 与 (re-)association 后的 request/probe 以及 response/beacon frame 中的 IE 不同。

GROUP_CIPHER_INVALID

18

18

无效组密文。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

PAIRWISE_CIPHER_INVALID

19

19

无效成对密文。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

AKMP_INVALID

20

20

无效 AKMP。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码: - 从 AP 接收到该代码。

UNSUPP_RSN_IE_VERSION

21

21

不支持的 RSNE 版本。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

INVALID_RSN_IE_CAP

22

22

无效的 RSNE 性能。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

802_1X_AUTH_FAILED

23

23

IEEE 802.1X. authentication 失败。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

对于 ESP AP,出现以下情况时将报告该代码:

  • IEEE 802.1X. authentication 失败。

CIPHER_SUITE_REJECTED

24

24

因安全策略,安全密钥算法套件 (cipher suite) 被拒。

对于 ESP station,出现以下情况时报告该代码:

  • 从 AP 接收到该代码。

BEACON_TIMEOUT

200

保留

乐鑫特有的 Wi-Fi 原因代码: 当 station 连续失去 N 个 beacon,将中断连接并报告该代码。

NO_AP_FOUND

201

保留

乐鑫特有的 Wi-Fi 原因代码: 当 station 未扫描到目标 AP 时,将报告该代码。

AUTH_FAIL

202

保留

乐鑫特有的 Wi-Fi 原因代码: authentication 失败,但并非由超时而引发。

ASSOC_FAIL

203

保留

乐鑫特有的 Wi-Fi 原因代码: association 失败,但并非由 ASSOC_EXPIRE 或 ASSOC_TOOMANY 引发。

HANDSHAKE_TIMEOUT

204

保留

乐鑫特有的 Wi-Fi 原因代码: 握手失败,与 WIFI_REASON_4WAY_HANDSHAKE_TIMEOUT 中失败原因相同。

CONNECTION_FAIL

205

保留

乐鑫特有的 Wi-Fi 原因代码: AP 连接失败。

找到多个 AP 时的 ESP32-C3 Wi-Fi station 连接

该场景与 ESP32-C3 Wi-Fi station 连接场景 相似,不同之处在于该场景中不会产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件,除非 station 无法连接所有找到的 AP。

Wi-Fi 重新连接

出于多种原因,station 可能会断开连接,例如:连接的 AP 重新启动等。应用程序应负责重新连接。推荐使用的方法为:在接收到 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件后调用函数 esp_wifi_connect()

但有时,应用程序需要更复杂的方式进行重新连接:

另一点需要注意的是,如果存在多个具有相同 SSID 的 AP,那么重新连接后可能不会连接到之前的同一个 AP。重新连接时,station 将永远选择最佳的 AP 进行连接。

Wi-Fi beacon 超时

ESP32-C3 使用 beacon 超时机制检测 AP 是否活跃。如果 station 在 inactive 时间内未收到所连接 AP 的 beacon,将发生 beacon 超时。inactive 时间通过调用函数 esp_wifi_set_inactive_time() 设置。

beacon 超时发生后,station 将向 AP 发送 5 个 probe request,如果仍未从 AP 接收到 probe response 或 beacon,station 将与 AP 断开连接并产生 WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED 事件。

需要注意的是,扫描过程中会重置 beacon 超时所使用的定时器,即扫描过程会影响 WIFI_EVENT_STA_BEACON_TIMEOUT 事件的触发。

ESP32-C3 Wi-Fi 配置

使能 Wi-Fi NVS 时,所有配置都将存储到 flash 中;反之,请参阅 Wi-Fi NVS Flash

Wi-Fi 模式

调用函数 esp_wifi_set_mode() 设置 Wi-Fi 模式。

模式

描述

WIFI_MODE_NULL

NULL 模式:此模式下,内部数据结构不分配给 station 和 AP,同时,station 和 AP 接口不会为发送/接收 Wi-Fi 数据进行初始化。通常,此模式用于 Sniffer,或者您不想通过调用函数 esp_wifi_deinit() 卸载整个 Wi-Fi 驱动程序来同时停止 station 和 AP。

WIFI_MODE_STA

station 模式:此模式下,esp_wifi_start() 将初始化内部 station 数据,同时 station 接口准备发送/接收 Wi-Fi 数据。调用函数 esp_wifi_connect() 后,station 将连接到目标 AP。

WIFI_MODE_AP

AP 模式:在此模式下,esp_wifi_start() 将初始化内部 AP 数据,同时 AP 接口准备发送/接收 Wi-Fi 数据。随后,Wi-Fi 驱动程序开始广播 beacon,AP 即可与其它 station 连接。

WIFI_MODE_APSTA

station/AP 共存模式:在此模式下,函数 esp_wifi_start() 将同时初始化 station 和 AP。该步骤在 station 模式和 AP 模式下完成。请注意 ESP station 所连外部 AP 的信道优先于 ESP AP 信道。

station 基本配置

API esp_wifi_set_config() 可用于配置 station。下表详细介绍了各个字段。

字段

描述

ssid

station 想要连接的目标 AP 的 SSID。

password

目标 AP 的密码。

scan_method

WIFI_FAST_SCAN 模式下,扫描到一个匹配的 AP 时即结束。WIFI_ALL_CHANNEL_SCAN 模式下,在所有信道扫描所有匹配的 AP。默认扫描模式是 WIFI_FAST_SCAN。

bssid_set

如果 bssid_set 为 0,station 连接 SSID 与 “ssid” 字段相同的 AP,同时忽略字段 “bssid”。其他情况下,station 连接 SSID 与 “ssid” 字段相同、BSSID 与 “bssid” 字段也相同的 AP。

bssid

只有当 bssid_set 为 1 时有效。见字段 “bssid_set”。

channel

该字段为 0 时,station 扫描信道 1 ~ N 寻找目标 AP;否则,station 首先扫描值与 “channel” 字段相同的信道,再扫描其他信道。如果您不知道目标 AP 在哪个信道,请将该字段设置为 0。

sort_method

该字段仅用于 WIFI_ALL_CHANNEL_SCAN 模式。

如果设置为 WIFI_CONNECT_AP_BY_SIGNAL,所有匹配的 AP 将会按照信号强度排序,信号最好的 AP 会被首先连接。比如,如果 station 想要连接 ssid 为 “apxx” 的 AP,且扫描到两个这样的 AP。第一个 AP 的信号为 -90 dBm,第二个 AP 的信号为 -30 dBm,station 首先连接第二个 AP。除非失败,才会连接第一个。

如果设置为 WIFI_CONNECT_AP_BY_SECURITY,所有匹配的 AP 将会按照安全性排序。比如,如果 station 想要连接 ssid 为 “apxx” 的 AP,并且扫描到两个这样的 AP。第一个 AP 为开放式,第二个 AP 为 WPA2 加密,station 首先连接第二个 AP。除非失败,才会连接第一个。

threshold

该字段用来筛选找到的 AP,如果 AP 的 RSSI 或安全模式小于配置的阈值,则不会被连接。

如果 RSSI 设置为 0,则表示默认阈值、默认 RSSI 阈值为 -127 dBm。如果 authmode 阈值设置为 0,则表示默认阈值,默认 authmode 阈值无授权。

注意

WEP/WPA 安全模式在 IEEE802.11-2016 协议中已弃用,建议不要使用。可使用 authmode 阈值代替,通过将 threshold.authmode 设置为 WIFI_AUTH_WPA2_PSK 使用 WPA2 模式

AP 基本配置

API esp_wifi_set_config() 可用于配置 AP。下表详细介绍了各个字段。

字段

描述

ssid

指 AP 的 SSID。如果 ssid[0] 和 ssid[1] 均为 0xFF,AP 默认 SSID 为 ESP_aabbcc,”aabbcc” 是 AP MAC 的最后三个字节。

password

AP 的密码。如果身份验证模式为 WIFI_AUTH_OPEN,此字段将被忽略。

ssid_len

SSID 的长度。如果 ssid_len 为 0,则检查 SSID 直至出现终止字符。如果 ssid_len 大于 32,请更改为 32,或者根据 ssid_len 设置 SSID 长度。

channel

AP 的信道。如果信道超出范围,Wi-Fi 驱动程序将默认该信道为信道 1。所以,请确保信道在要求的范围内。有关详细信息,请参阅 Wi-Fi 国家/地区代码

authmode

ESP AP 的身份验证模式。目前,ESP Wi-Fi 不支持 AUTH_WEP。如果 authmode 是一个无效值,AP 默认该值为 WIFI_AUTH_OPEN。

ssid_hidden

如果 ssid_hidden 为 1,AP 不广播 SSID。若为其他值,则广播。

max_connection

目前,ESP Wi-Fi 支持 10 个 Wi-Fi 连接。如果 max_connection 大于 10,AP 默认该值为 10。

beacon_interval

beacon 间隔。值为 100 ~ 60000 ms,默认值为 100 ms。如果该值不在上述范围,AP 默认取 100 ms。

Wi-Fi 协议模式

目前,IDF 支持以下协议模式:

协议模式

描述

802.11b

调用函数 esp_wifi_set_protocol(ifx, WIFI_PROTOCOL_11B),将 station/AP 设置为仅 802.11b 模式。

802.11bg

调用函数 esp_wifi_set_protocol(ifx, WIFI_PROTOCOL_11B|WIFI_PROTOCOL_11G),将 station/AP 设置为 802.11bg 模式。

802.11g

调用函数 esp_wifi_set_protocol(ifx, WIFI_PROTOCOL_11B|WIFI_PROTOCOL_11G) 和 esp_wifi_config_11b_rate(ifx, true),将 station/AP 设置为 802.11g 模式。

802.11bgn

调用函数 esp_wifi_set_protocol(ifx, WIFI_PROTOCOL_11B|WIFI_PROTOCOL_11G|WIFI_PROTOCOL_11N),将 station/AP 设置为 802.11bgn 模式。

802.11gn

调用函数 esp_wifi_set_protocol(ifx, WIFI_PROTOCOL_11B|WIFI_PROTOCOL_11G|WIFI_PROTOCOL_11N) 和 esp_wifi_config_11b_rate(ifx, true),将 station/AP 设置为 802.11gn 模式。

802.11 BGNLR

调用函数 esp_wifi_set_protocol(ifx, WIFI_PROTOCOL_11B|WIFI_PROTOCOL_11G|WIFI_PROTOCOL_11N|WIFI_PROTOCOL_LR),将 station/AP 设置为 802.11bgn 和 LR 模式。

802.11 LR

调用函数 esp_wifi_set_protocol(ifx, WIFI_PROTOCOL_LR),将 station/AP 设置为 LR 模式。

此模式是乐鑫的专利模式,可以达到 1 公里视线范围。请确保 station 和 AP 同时连接至 ESP 设备。

长距离 (LR)

长距离 (LR) 模式是乐鑫的一项专利 Wi-Fi 模式,可达到 1 公里视线范围。与传统 802.11b 模式相比,接收灵敏度更高,抗干扰能力更强,传输距离更长。

LR 兼容性

由于 LR 是乐鑫的独有 Wi-Fi 模式,只有 ESP32-C3 设备才能传输和接收 LR 数据。也就是说,如果连接的设备不支持 LR,ESP32-C3 设备则不会以 LR 数据速率传输数据。可通过配置适当的 Wi-Fi 模式使您的应用程序实现这一功能。如果协商的模式支持 LR,ESP32-C3 可能会以 LR 速率传输数据,否则,ESP32-C3 将以传统 Wi-Fi 数据速率传输所有数据。

下表是 Wi-Fi 模式协商:

APSTA

BGN

BG

B

BGNLR

BGLR

BLR

LR

BGN

BGN

BG

B

BGN

BG

B

BG

BG

BG

B

BG

BG

B

B

B

B

B

B

B

B

BGNLR

BGNLR

BGLR

BLR

LR

BGLR

BGLR

BGLR

BLR

LR

BLR

BLR

BLR

BLR

LR

LR

LR

LR

LR

LR

上表中,行是 AP 的 Wi-Fi 模式,列是 station 的 Wi-Fi 模式。”-” 表示 AP 和 station 的 Wi-Fi 模式不兼容。

根据上表,得出以下结论:

  • 对于已使能 LR 的 ESP32-C3 AP,由于以 LR 模式发送 beacon,因此与传统的 802.11 模式不兼容。

  • 对于已使能 LR 且并非仅 LR 模式的 ESP32-C3 station,与传统 802.11 模式兼容。

  • 如果 station 和 AP 都是 ESP32-C3 设备,并且两者都使能 LR 模式,则协商的模式支持 LR。

如果协商的 Wi-Fi 模式同时支持传统的 802.11 模式和 LR 模式,则 Wi-Fi 驱动程序会在不同的 Wi-Fi 模式下自动选择最佳数据速率,应用程序无需任何操作。

LR 对传统 Wi-Fi 设备的影响

以 LR 速率进行的数据传输不会影响传统 Wi-Fi 设备,因为:

  • LR 模式下的 CCA 和回退过程符合 802.11 协议。

  • 传统的 Wi-Fi 设备可以通过 CCA 检测 LR 信号并进行回退。

也就是说,LR 模式下传输效果与 802.11b 模式相似。

LR 传输距离

LR 的接收灵敏度比传统的 802.11b 模式高 4 dB,理论上,传输距离约为 802.11b 的 2 至 2.5 倍。

LR 吞吐量

因为原始 PHY 数据传输速率为 1/2 Mbps 和 1/4 Mbps,LR 的吞吐量有限。

何时使用 LR

通常使用 LR 的场景包括:

  • AP 和 station 都是乐鑫设备。

  • 需要长距离 Wi-Fi 连接和数据传输。

  • 数据吞吐量要求非常小,例如远程设备控制等。

Wi-Fi 国家/地区代码

调用 esp_wifi_set_country(),设置国家/地区信息。下表详细介绍了各个字段,请在配置这些字段之前参考当地的 2.4 GHz RF 操作规定。

字段

描述

cc[3]

国家/地区代码字符串,此属性标识 station/AP 位于的国家/地区或非国家/地区实体。如果是一个国家/地区,该字符串的前两个八位字节是 ISO/IEC3166-1 中规定的国家/地区两位字母代码。第三个八位字节应是下述之一:

  • ASCII 码空格字符,代表 station/AP 所处国家/地区的规定允许当前频段所需的所有环境。

  • ASCII 码 ‘O’ 字符,代表 station/AP 所处国家/地区的规定仅允许室外环境。

  • ASCII 码 ‘I’ 字符,代表 station/AP 所处国家/地区的规定仅允许室内环境。

  • ASCII 码 ‘X’ 字符,代表 station/AP 位于非国家/地区实体。非国家实体的前两个八位字节是两个 ASCII 码 ‘XX’ 字符。

  • 当前使用的操作类表编号的二进制形式。见 IEEE Std 802.11-2020 附件 E。

schan

起始信道,station/AP 所处国家/地区规定的最小信道值。

nchan

规定的总信道数,比如,如果 schan=1,nchan=13,那么 station/AP 可以从信道 1 至 13 发送数据。

policy

国家/地区策略,当配置的国家/地区信息与所连 AP 的国家/地区信息冲突时,该字段决定使用哪一信息。更多策略相关信息,可参见下文。

默认国家/地区信息为:

wifi_country_t config = {
    .cc = "01",
    .schan = 1,
    .nchan = 11,
    .policy = WIFI_COUNTRY_POLICY_AUTO,
};

如果 Wi-Fi 模式为 station/AP 共存模式,则它们配置的国家/地区信息相同。有时,station 所连 AP 的国家/地区信息与配置的不同。例如,配置的 station 国家/地区信息为:

wifi_country_t config = {
    .cc = "JP",
    .schan = 1,
    .nchan = 14,
    .policy = WIFI_COUNTRY_POLICY_AUTO,
};

但所连 AP 的国家/地区信息为:

wifi_country_t config = {
    .cc = "CN",
    .schan = 1,
    .nchan = 13,
};

此时,使用所连 AP 的国家/地区信息。

下表描述了在不同 Wi-Fi 模式和不同国家/地区策略下使用的国家/地区信息,并描述了对主动扫描的影响。

Wi-Fi 模式

策略

描述

station 模式

WIFI_COUNTRY_POLICY_AUTO

如果所连 AP 的 beacon 中有国家/地区的 IE,使用的国家/地区信息为 beacon 中的信息,否则,使用默认信息。

扫描时:

主动扫描信道 1 至信道 11,被动扫描信道 12 至 信道 14。

请记住,如果带有隐藏 SSID 的 AP 和 station 被设置在被动扫描信道上,被动扫描将无法找到该 AP。也就是说,如果应用程序希望在每个信道中找到带有隐藏 SSID 的 AP,国家/地区信息应该配置为 WIFI_COUNTRY_POLICY_MANUAL。

station 模式

WIFI_COUNTRY_POLICY_MANUAL

总是使用配置的国家/地区信息。

扫描时:

主动扫描信道 schan 至信道 schan+nchan-1。

AP 模式

WIFI_COUNTRY_POLICY_AUTO

总是使用配置的国家/地区信息。

AP 模式

WIFI_COUNTRY_POLICY_MANUAL

总是使用配置的国家/地区信息。

station/AP 共存模式

WIFI_COUNTRY_POLICY_AUTO

该 station 与 station 模式、WIFI_COUNTRY_POLICY_AUTO 策略下使用的国家/地区信息相同。 如果 station 不连接任何外部 AP,AP 使用配置的国家/地区信息。如果 station 连接一个外部 AP,该 AP 的国家/地区信息与该 station 相同。

station/AP 共存模式

WIFI_COUNTRY_POLICY_MANUAL

该 station 与 station 模式、WIFI_COUNTRY_POLICY_MANUAL 策略下使用的国家/地区信息相同。 该 AP 与 AP 模式、WIFI_COUNTRY_POLICY_MANUAL 策略下使用的国家/地区信息相同。

主信道

AP 模式下,AP 的信道定义为主信道。station 模式下,station 所连 AP 的信道定义为主信道。station/AP 共存模式下,AP 和 station 的主信道必须相同。如果不同,station 的主信道始终优先。比如,初始时,AP 位于信道 6,但 station 连接信道 9 的 AP。因为 station 的主信道具有优先性,该 AP 需要将信道从 6 切换至 9,确保与 station 主信道相同。切换信道时,AP 模式下的 ESP32-C3 将使用信道切换公告 (CSA) 通知连接的 station。支持信道切换的 station 将直接通过,无需与 AP 断连再重新连接。

Wi-Fi 供应商 IE 配置

默认情况下,所有 Wi-Fi 管理帧都由 Wi-Fi 驱动程序处理,应用程序不需要任何操作。但是,某些应用程序可能需要处理 beacon、probe request、probe response 和其他管理帧。例如,如果在管理帧中插入一些只针对供应商的 IE,则只有包含此 IE 的管理帧才能得到处理。ESP32-C3 中,esp_wifi_set_vendor_ie()esp_wifi_set_vendor_ie_cb() 负责此类任务。

Wi-Fi Easy Connect™ (DPP)

Wi-Fi Easy ConnectTM (也称为设备配置协议)是一个安全且标准化的配置协议,用于配置 Wi-Fi 设备。更多信息请参考 esp_dpp

WPA2-Enterprise

WPA2-Enterprise 是企业无线网络的安全认证机制。在连接到接入点之前,它使用 RADIUS 服务器对网络用户进行身份验证。身份验证过程基于 802.1X 标准,并有不同的扩展身份验证协议 (EAP) 方法,如 TLS、TTLS、PEAP 等。RADIUS 服务器根据用户的凭据(用户名和密码)、数字证书或两者对用户进行身份验证。当处于 station 模式的 ESP32-C3 尝试连接到企业模式的 AP 时,它会向 AP 发送身份验证请求,AP 会将该请求发送到 RADIUS 服务器以对 station 进行身份验证。根据不同的 EAP 方式,可以通过 idf.py menuconfig 打开配置,并在配置中设置参数。ESP32-C3 仅在 station 模式下支持 WPA2_Enterprise。

为了建立安全连接,AP 和 station 协商并就要使用的最佳密码套件达成一致。ESP32-C3 支持 AKM 的 802.1X/EAP (WPA) 方法和 AES-CCM(高级加密标准-带密码块链消息验证码协议的计数器模式)支持的密码套件。如果设置了 USE_MBEDTLS_CRYPTO 标志,ESP32-C3 也支持 mbedtls 支持的密码套件。

目前,ESP32-C3 支持以下 EAP 方法:
  • EAP-TLS: 这是基于证书的方法,只需要 SSID 和 EAP-IDF。

  • PEAP: - PEAP:这是受保护的 EAP 方法。用户名和密码是必填项。

  • EAP-TTLS: 这是基于凭据的方法。只有服务器身份验证是强制性的,而用户身份验证是可选的。用户名和密码是必填项。 它支持不同的 Phase2 方法,例如:
    • PAP: 密码认证协议

    • CHAP: 询问握手身份验证协议

    • MSCHAP 和 MSCHAP-V2

  • EAP-FAST: 这是一种基于受保护的访问凭据 (PAC) 的认证方法,使用身份验证和密码。目前使用此功能时需要禁用 USE_MBEDTLS_CRYPTO 标志。

请查看 wifi/wifi_enterprise 获取关于证书创建以及如何在 ESP32-C3 上运行 wpa2_enterprise 示例的详细信息。

无线网络管理

无线网络管理让客户端设备能够交换有关网络拓扑结构的信息,包括与射频环境相关的信息。这使每个客户端都能感知网络状况,从而促进无线网络性能的整体改进。这是 802.11v 规范的一部分。它还使客户端能够支持网络辅助漫游。 网络辅助漫游让 WLAN 能够向关联的客户端发送消息,从而使客户端与具有更好链路指标的 AP 关联。这对于促进负载平衡以及引导连接不良的客户端都很有用。

目前 802.11v 的实现支持 BSS 过渡管理帧。

无线资源管理

无线电资源测量(802.11k)旨在改善网络内流量的分配方式。在无线局域网中,一般情况下,无线设备会连接发射信号最强的接入点 (AP)。根据用户的数量和地理位置,这种分配方式有时会导致某个接入点超负荷而其它接入点利用不足,从而导致整体网络性能下降。在符合 802.11k 规范的网络中,如果信号最强的 AP 已满负荷加载,无线设备则转移到其它未充分利用的 AP。尽管信号可能较弱,但由于更有效地利用了网络资源,总体吞吐量会更大。

目前 802.11k 的实现支持信标测量报告、链路测量报告和邻居请求。

请参考 IDF 示例程序 examples/wifi/roaming/README.md 来设置和使用这些 API。示例代码只演示了如何使用这些 API,应用程序应根据需要定义自己的算法和案例。

Wi-Fi Location

Wi-Fi Location 将提高 AP 以外设备位置数据的准确性,这有助于创建新的、功能丰富的应用程序和服务,例如地理围栏、网络管理、导航等。用于确定设备相对于接入点的位置的协议之一是精细定时测量 (FTM),它会计算 Wi-Fi 帧的飞行时间。

精细定时测量 (FTM)

FTM 用于测量 Wi-Fi 往返时间(Wi-Fi RTT),即 Wi-Fi 信号从一个设备到另一个设备并返回所需的时间。使用 Wi-Fi RTT,设备之间的距离可以用一个简单的公式 RTT * c / 2 来计算,其中 c 是光速。

对于设备之间交换的帧,FTM 在帧到达或离开时使用时间戳,这个时间戳由 Wi-Fi 接口硬件提供。FTM 发起方(主要是 station 设备)发现 FTM 响应方(可以是 station 或 AP),并协商启动 FTM 程序。该程序以突发形式发送的多个动作帧及其 ACK 来收集时间戳数据。FTM 发起方最后收集数据以计算平均往返时间。

ESP32-C3 在以下配置中支持 FTM:

  • ESP32-C3 在 station 模式下为 FTM 发起方。

  • ESP32-C3 在 AP 模式下为 FTM 响应方。

使用 RTT 的距离测量并不准确,RF 干扰、多径传播、天线方向和缺乏校准等因素会增加这些不准确度。为了获得更好的结果,建议在两个 ESP32-C3 设备之间执行 FTM,这两个设备可分别设置为 station 和 AP 模式。

请参考 IDF 示例 examples/wifi/ftm/README.md 了解设置和执行 FTM 的详细步骤。

ESP32-C3 Wi-Fi 节能模式

station 睡眠

目前, ESP32-C3 Wi-Fi 支持 Modem-sleep 模式,该模式是 IEEE 802.11 协议中的传统节能模式。仅 station 模式支持该模式,station 必须先连接到 AP。如果使能了 Modem-sleep 模式,station 将定期在活动状态和睡眠状态之间切换。在睡眠状态下,RF、PHY 和 BB 处于关闭状态,以减少功耗。Modem-sleep 模式下,station 可以与 AP 保持连接。

Modem-sleep 模式包括最小和最大节能模式。在最小节能模式下,每个 DTIM 间隔,station 都将唤醒以接收 beacon。广播数据在 DTIM 之后传输,因此不会丢失。但是,由于 DTIM 间隔长短由 AP 决定,如果该间隔时间设置较短,则省电效果不大。

在最大节能模式下,每个监听间隔,station 都将唤醒以接收 beacon。可以设置该监听间隔长于 AP 的 DTIM 周期。在 DTIM 期间内,station 可能处于睡眠状态,广播数据会丢失。如果监听间隔较长,则可以节省更多电量,但广播数据更容易丢失。连接 AP 前,可以通过调用 API esp_wifi_set_config() 配置监听间隔。

调用 esp_wifi_init() 后,调用 esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MIN_MODEM) 可使能 Modem-sleep 最小节能模式。调用 esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MAX_MODEM) 可使能 Modem-sleep 最大节能模式。station 连接到 AP 时,Modem-sleep 模式将启动。station 与 AP 断开连接时,Modem-sleep 模式将停止。

调用 esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_NONE) 可以完全禁用 Modem-sleep 模式。禁用会增大功耗,但可以最大限度减少实时接收 Wi-Fi 数据的延迟。使能 Modem-sleep 时,接收 Wi-Fi 数据的延迟时间可能与 DTIM 周期(最小节能模式)或监听间隔(最大节能模式)相同。在 Wi-Fi 与 Bluetooth LE 共存模式下,无法完全禁用 modem-sleep 模式。

默认的 Modem-sleep 模式是 WIFI_PS_MIN_MODEM。

AP 睡眠

目前,ESP32-C3 AP 不支持 Wi-Fi 协议中定义的所有节能功能。具体来说,AP 只缓存所连 station 单播数据,不缓存组播数据。如果 ESP32-C3 AP 所连的 station 已使能节能功能,可能发生组播数据包丢失。

未来,ESP32-C3 AP 将支持所有节能功能。

ESP32-C3 Wi-Fi 吞吐量

下表是我们在 Espressif 实验室和屏蔽箱中获得的最佳吞吐量结果。

类型/吞吐量

实验室空气状况

屏蔽箱

测试工具

IDF 版本 (commit ID)

原始 802.11 数据包接收数据

N/A

130 MBit/s

内部工具

N/A

原始 802.11 数据包发送数据

N/A

130 MBit/s

内部工具

N/A

UDP 接收数据

30 MBit/s

50 MBit/s

iperf example

15575346

UDP 发送数据

30 MBit/s

40 MBit/s

iperf example

15575346

TCP 接收数据

20 MBit/s

35 MBit/s

iperf example

15575346

TCP 发送数据

20 MBit/s

37 MBit/s

iperf example

15575346

使用 iperf example 测试吞吐量时,sdkconfig 是 examples/wifi/iperf/sdkconfig.defaults.esp32c3

Wi-Fi 80211 数据包发送

esp_wifi_80211_tx() API 可用于:

  • 发送 beacon、probe request、probe response 和 action 帧。

  • 发送非 QoS 数据帧。

不能用于发送加密或 QoS 帧。

使用 esp_wifi_80211_tx() 的前提条件

  • Wi-Fi 模式为 station 模式,AP 模式,或 station/AP 共存模式。

  • API esp_wifi_set_promiscuous(true) 或 esp_wifi_start(),或者二者都返回 ESP_OK。这是为确保在调用函数 esp_wifi_80211_tx() 前,Wi-Fi 硬件已经初始化。对于 ESP32-C3,esp_wifi_set_promiscuous(true) 和 esp_wifi_start() 都可以触发 Wi-Fi 硬件初始化。

  • 提供正确的 esp_wifi_80211_tx() 参数。

传输速率

在不同情况下需要避免的副作用

理论上,如果不考虑 API 对 Wi-Fi 驱动程序或其他 station 或 AP 的副作用,可以通过空中发送一个原始的 802.11 数据包,包括任何目的地址的 MAC、任何源地址的 MAC、任何 BSSID、或任何其他类型的数据包。但是,一个具有强健、有用的应用程序应该避免这种副作用。下表针对如何避免 esp_wifi_80211_tx() 的副作用提供了一些提示或建议。

场景

描述

无 Wi-Fi 连接

在这种情况下,因为没有 Wi-Fi 连接,Wi-Fi 驱动程序不会受到副作用影响。如果 en_sys_seq==true,则 Wi-Fi 驱动程序负责序列控制。如果 en_sys_seq==false,应用程序需要确保缓冲区的序列正确。

理论上,MAC 地址可以是任何地址。但是,这样可能会影响其他使用相同 MAC/BSSID 的 station/AP。

例如,AP 模式下,应用程序调用函数 esp_wifi_80211_tx() 发送带有 BSSID == mac_x 的 beacon,但是 mac_x 并非 AP 接口的 MAC。而且,还有另一个 AP(我们称之为 “other-AP”)的 bssid 是 mac_x。因此,连接到 “other-AP” 的 station 无法分辨 beacon 来自 “other-AP” 还是 esp_wifi_80211_tx(),就会出现 “意外行为”。

为了避免上述副作用,我们建议:

  • 如果在 station 模式下调用函数 esp_wifi_80211_tx(),第一个 MAC 应该是组播 MAC 或是目标设备的 MAC,第二个 MAC 应该是 station 接口的 MAC。

  • 如果在 AP 模式下调用函数 esp_wifi_80211_tx,第一个 MAC 应该是组播 MAC 或是目标设备的 MAC,第二个 MAC 应该是 AP 接口的 MAC。

上述建议仅供避免副作用,在有充分理由的情况下可以忽略。

有 Wi-Fi 连接

当 Wi-Fi 已连接,且序列由应用程序控制,应用程序可能会影响整个 Wi-Fi 连接的序列控制。 因此,en_sys_seq 要为 true,否则将返回 ESP_ERR_WIFI_ARG。

“无 Wi-Fi 连接”情况下的 MAC 地址建议也适用于此情况。

如果 Wi-Fi 模式是 station 模式,MAC 的地址 1 是 station 所连 AP 的 MAC,地址 2 是 station 接口的 MAC,那么就称数据包是从 station 发送到 AP。另一方面,如果 Wi-Fi 模式是 AP 模式,且 MAC 地址 1 是该 AP 所连 station 的 MAC,地址 2 是 AP 接口的 MAC,那么就称数据包是从 AP 发送到 station。为避免与 Wi-Fi 连接冲突,可采用以下检查方法:

  • 如果数据包类型是数据,且是从 station 发送到 AP,IEEE 802.11 Frame control 字段中的 ToDS 位应该为 1,FromDS 位为 0,否则,Wi-Fi 驱动程序不接受该数据包。

  • 如果数据包类型是数据,且是从 AP 发送到 station,IEEE 802.11 Frame control 字段中的 ToDS 位应该为 0,FromDS 位为 1,否则,Wi-Fi 驱动程序不接受该数据包。

  • 如果数据包是从 station 发送到 AP,或从 AP 到 station,Power Management、More Data 和 Re-Transmission 位应该为 0,否则,Wi-Fi 驱动程序不接受该数据包。

如果任何检查失败,将返回 ESP_ERR_WIFI_ARG。

Wi-Fi Sniffer 模式

Wi-Fi Sniffer 模式可以通过 esp_wifi_set_promiscuous() 使能。如果使能 Sniffer 模式, 可以 向应用程序转储以下数据包。

  • 802.11 管理帧

  • 802.11 数据帧,包括 MPDU、AMPDU、AMSDU 等

  • 802.11 MIMO 帧,Sniffer 模式仅转储 MIMO 帧的长度。

  • 802.11 控制帧

  • 802.11 CRC 错误帧

不可以 向应用程序转储以下数据包。

  • 802.11 其它错误帧

对于 Sniffer 模式 可以 转储的帧,应用程序可以另外使用 esp_wifi_set_promiscuous_filter()esp_wifi_set_promiscuous_ctrl_filter() 决定筛选哪些特定类型的数据包。应用程序默认筛选所有 802.11 数据和管理帧。

可以在 WIFI_MODE_NULL、WIFI_MODE_STA、WIFI_MODE_AP、WIFI_MODE_APSTA 等 Wi-Fi 模式下使能 Wi-Fi Sniffer 模式。也就是说,当 station 连接到 AP,或者 AP 有 Wi-Fi 连接时,就可以使能。请注意,Sniffer 模式对 station/AP Wi-Fi 连接的吞吐量有 很大影响。通常,除非有特别原因,当 station/AP Wi-Fi 连接出现大量流量,不应使能。

该模式下还应注意回调函数 wifi_promiscuous_cb_t 的使用。该回调将直接在 Wi-Fi 驱动程序任务中进行,所以如果应用程序需处理大量过滤的数据包,建议在回调中向应用程序任务发布一个事件,把真正的工作推迟到应用程序任务中完成。

Wi-Fi 多根天线

下图描述 Wi-Fi 多根天线的选择过程:

                __________
               |Enabled   |
            ___|Antenna 0 |\\                                              _________
               |__________| \\        GPIO[0] <----> antenna_select[0] ---|         | --- antenna 0
RX/TX ___                    \\____\  GPIO[1] <----> antenna_select[1] ---| Antenna | --- antenna 1
         \      __________   //    /  GPIO[2] <----> antenna_select[2] ---| Switch  | ...  ...
          \ ___|Enabled   | //        GPIO[3] <----> antenna_select[3] ---|_________| --- antenna 15
           \   |Antenna 1 |//
               |__________|

ESP32-C3 通过外部天线开关,最多支持 16 根天线。天线开关最多可由四个地址管脚控制 - antenna_select[0:3]。向 antenna_select[0:3] 输入不同的值,以选择不同的天线。例如,输入值 ‘0b1011’ 表示选中天线 11 。antenna_select[3:0] 的默认值为 “0b0000”,表示默认选择了天线 0。

四个高电平有效 antenna_select 管脚有多达四个 GPIO 连接。ESP32-C3 可以通过控制 GPIO[0:3] 选择天线。API esp_wifi_set_ant_gpio() 用于配置 antenna_selects 连接哪些 GPIO。如果 GPIO[x] 连接到 antenna_select[x],gpio_config->gpio_cfg[x].gpio_select 应设置为 1,且要提供 gpio_config->gpio_cfg[x].gpio_num 的值。

天线开关的具体实现不同,antenna_select[0:3] 的输入值中可能存在非法值,即 ESP32-C3 通过外部天线开关支持的天线数可能小于 16 根。例如,ESP32-WROOM-DA 使用 RTC6603SP 作为天线开关,仅支持 2 根天线。两个天线选择输入管脚为高电平有效,连接到两个 GPIO。’0b01’ 表示选中天线 0,’0b10’ 表示选中天线 1。输入值 ‘0b00’ 和 ‘0b11’ 为非法值。

尽管最多支持 16 根天线,发送和接收数据时,最多仅能同时使能两根天线。API esp_wifi_set_ant() 用于配置使能哪些天线。

使能天线后,选择算法的过程同样可由 esp_wifi_set_ant() 配置。接收/发送数据源的天线模式可以是 WIFI_ANT_MODE_ANT0、WIFI_ANT_MODE_ANT1 或 WIFI_ANT_MODE_AUTO。如果天线模式为 WIFI_ANT_MODE_ANT0,使能的天线 0 用于接收/发送数据。如果天线模式为 WIFI_ANT_MODE_ANT1,使能天线 1 用于接收/发送数据。否则,Wi-Fi 会自动选择使能天线中信号较好的天线。

如果接收数据的天线模式为 WIFI_ANT_MODE_AUTO,还需要设置默认天线模式。只有在满足某些条件时,接收数据天线才会切换,例如,如果 RSSI 低于 -65 dBm,或另一根天线信号更好。如果条件不满足,接收数据使用默认天线。如果默认天线模式为 WIFI_ANT_MODE_ANT1,则使能的天线 1 是默认接收数据天线,否则是使能的天线 0。

有一些限制情况需要考虑:

  • 因为发送数据天线基于 WIFI_ANT_MODE_AUTO 类型的接收数据天线选择算法,只有接收数据的天线模式为 WIFI_ANT_MODE_AUTO 时,发送数据天线才能设置为 WIFI_ANT_MODE_AUTO。

  • 目前,Bluetooth® 不支持多根天线功能,请不要使用与多根天线有关的 API。

推荐在以下场景中使用多根天线:

  • Wi-Fi 模式 WIFI_MODE_STA 下,接收/发送数据的天线模式均配置为 WIFI_ANT_MODE_AUTO。Wi-Fi 驱动程序自动选择更好的接收/发送数据天线。

  • 接收数据天线模式配置为 WIFI_ANT_MODE_AUTO。发送数据的天线模式配置为 WIFI_ANT_MODE_ANT0 或 WIFI_ANT_MODE_ANT1。应用程序可以始终选择指定的天线用于发送数据,也可以执行自身发送数据天线选择算法,如根据信道切换信息选择发送数据的天线模式等。

  • 接收/发送数据的天线模式均配置为 WIFI_ANT_MODE_ANT0 或 WIFI_ANT_MODE_ANT1。

Wi-Fi 多根天线配置

通常,可以执行以下步骤来配置多根天线:

  • 配置 antenna_selects 连接哪些 GPIOs,例如,如果支持四根天线,且 GPIO20/GPIO21 连接到 antenna_select[0]/antenna_select[1],配置如下所示:

    wifi_ant_gpio_config_t config = {
        { .gpio_select = 1, .gpio_num = 20 },
        { .gpio_select = 1, .gpio_num = 21 }
    };
    
  • 配置使能哪些天线、以及接收/发送数据如何使用使能的天线,例如,如果使能了天线 1 和天线 3,接收数据需要自动选择较好的天线,并将天线 1 作为默认天线,发送数据始终选择天线 3。配置如下所示:

    wifi_ant_config_t config = {
        .rx_ant_mode = WIFI_ANT_MODE_AUTO,
        .rx_ant_default = WIFI_ANT_ANT0,
        .tx_ant_mode = WIFI_ANT_MODE_ANT1,
        .enabled_ant0 = 1,
        .enabled_ant1 = 3
    };
    

Wi-Fi 信道状态信息

信道状态信息 (CSI) 是指 Wi-Fi 连接的信道信息。ESP32-C3 中,CSI由子载波的信道频率响应组成,CSI从发送端接收数据包时开始估计。每个子载波信道频率响由两个字节的有符号字符记录,第一个字节是虚部,第二个字节是实部。根据接收数据包的类型,信道频率响应最多有三个字段。分别是 LLTF、HT-LTF 和 STBC-HT-LTF。对于在不同状态的信道上接收到的不同类型的数据包,CSI 的子载波索引和总字节数如下表所示。

信道

辅助信道

数据包信息

信号模式

非 HT

HT

非 HT

HT

非 HT

HT

信道带宽

20 MHz

20 MHz

20 MHz

20 MHz

40 MHz

20 MHz

20 MHz

40 MHz

STBC

非 STBC

非 STBC

STBC

非 STBC

非 STBC

STBC

非 STBC

STBC

非 STBC

非 STBC

STBC

非 STBC

STBC

子载波索引

LLTF

0~31,-32~-1

0~31,-32~-1

0~31,-32~-1

0~63

0~63

0~63

0~63

0~63

-64~-1

-64~-1

-64~-1

-64~-1

-64~-1

HT-LTF

0~31,-32~-1

0~31,-32~-1

0~63

0~62

0~63,-64~-1

0~60,-60~-1

-64~-1

-62~-1

0~63,-64~-1

0~60,-60~-1

STBC-HT-LTF

0~31,-32~-1

0~62

0~60,-60~-1

-62~-1

0~60,-60~-1

总字节数

128

256

384

128

256

380

384

612

128

256

376

384

612

表中的所有信息可以在 wifi_csi_info_t 结构中找到。

  • 辅助信道指 rx_ctrl 字段的 secondary_channel 字段。

  • 数据包的信号模式指 rx_ctrl 字段的 sig_mode 字段。

  • 信道带宽指 rx_ctrl 字段中的 cwb 字段。

  • STBC 指 rx_ctrl 字段的 stbc 字段。

  • 总字节数指 len 字段。

  • 每个长训练字段 (LTF) 类型对应的 CSI 数据存储在从 buf 字段开始的缓冲区中。每个元素以两个字节的形式存储:虚部和实部。每个元素的顺序与表中的子载波相同。LTF 的顺序是 LLTF、HT-LTF 和 STBC-HT-LTF。但是,根据信道和数据包的信息,3 个 LTF 可能都不存在(见上文)。

  • 如果 wifi_csi_info_t 的 first_word_invalid 字段为 true,表示由于 ESP32-C3 的硬件限制,CSI 数据的前四个字节无效。

  • 更多信息,如 RSSI,射频的噪声底,接收时间和天线 rx_ctrl 领域。

子载波的虚部和实部的使用请参考下表。

PHY 标准

子载波范围

导频子载波

子载波个数(总数/数据子载波)

802.11a/g

-26 to +26

-21, -7, +7, +21

52 total, 48 usable

802.11n, 20MHz

-28 to +28

-21, -7, +7, +21

56 total, 52 usable

802.11n, 40MHz

-57 to +57

-53, -25, -11, +11, +25, +53

114 total, 108 usable

备注

  • 对于 STBC 数据包,每个空时流都提供了 CSI,不会出现 CSD(循环移位延迟)。由于附加链上的每一次循环移位为 -200 ns,因为子载波 0 中没有信道频率响应,在 HT-LTF 和 STBC-HT-LTF 中只记录第一空时流的 CSD 角度。CSD[10:0] 是 11 位,范围从 -pi 到 pi。

  • 如果调用 API esp_wifi_set_csi_config() 没有使能 LLTF、HT-LTF 或 STBC-HT-LTF,则 CSI 数据的总字节数会比表中的少。例如,如果没有使能 LLTF 和 HT-LTF,而使能 STBC-HT-LTF,当接收到上述条件、HT、40 MHz 或 STBC 的数据包时,CSI 数据的总字节数为 244((61+60)*2+2=244,结果对齐为四个字节,最后两个字节无效)。

Wi-Fi 信道状态信息配置

要使用 Wi-Fi CSI,需要执行以下步骤。

CSI 接收回调函数从 Wi-Fi 任务中运行。因此,不要在回调函数中进行冗长的操作。可以将需要的数据发布到队列中,并从一个较低优先级的任务中处理。由于 station 在断开连接时不会收到任何数据包,只有在连接时才会收到来自 AP 的数据包,因此建议通过调用函数 esp_wifi_set_promiscuous() 使能 Sniffer 模式接收更多 CSI 数据。

Wi-Fi HT20/40

ESP32-C3 支持 Wi-Fi 带宽 HT20 或 HT40,不支持 HT20/40 共存,调用函数 esp_wifi_set_bandwidth() 可改变 station/AP 的默认带宽。ESP32-C3 station 和 AP 的默认带宽为 HT40。

station 模式下,实际带宽首先在 Wi-Fi 连接时协商。只有当 station 和所连 AP 都支持 HT40 时,带宽才为 HT40,否则为 HT20。如果所连的 AP 的带宽发生变化,则在不断开 Wi-Fi 连接的情况下再次协商实际带宽。

同样,在 AP 模式下,在 AP 与所连 station 协商实际带宽。如果 AP 和其中一个 station 支持 HT40, 则为 HT40, 否则为 HT20。

在 station/AP 共存模式下,station 和 AP 都可独立配置为 HT20/40。如果 station 和 AP 都协商为 HT40,由于 ESP32-C3 中,station 的优先级总高于 AP,HT40 信道是 station 的信道。例如,AP 的配置带宽为 HT40,配置的主信道为 6,配置的辅助信道为 10。如果,station 所连路由器的主信道为 6、辅助信道为 2,AP 的实际信道将自动更改为主 6 和辅 2。

理论上,HT40 可以获得更大的吞吐量,因为 HT40 的最大原始 PHY 数据速率为 150 Mbps,而 HT20 为 72 Mbps。但是,如果设备在某些特殊环境中使用,例如,ESP32-C3 周围其他 Wi-Fi 设备过多,HT40 的性能可能会降低。因此,如果应用程序需要支持相同或类似的情况,建议始终将带宽配置为 HT20。

Wi-Fi QoS

ESP32-C3 支持 WFA Wi-Fi QoS 认证所要求的所有必备功能。

Wi-Fi 协议中定义了四个 AC (访问类别),每个 AC 有各自的优先级访问 Wi-Fi 信道。此外,还定义了映射规则以映射其他协议的 QoS 优先级,例如 802.11D 或 TCP/IP 到 Wi-Fi AC。

下表描述 ESP32-C3 中 IP 优先级如何映射到 Wi-Fi AC,还指明此 AC 是否支持 AMPDU。该表按优先级降序排列,即 AC_VO 拥有最高优先级。

IP 优先级

Wi-Fi AC

是否支持 AMPDU

6, 7

AC_VO (Voice)

4, 5

AC_VI (Video)

3, 0

AC_BE (Best Effort)

1, 2

AC_BK (Background)

应用程序可以通过套接字选项 IP_TOS 配置 IP 优先级使用 QoS 功能。下面是使套接字使用 VI 队列的示例:

const int ip_precedence_vi = 4;
const int ip_precedence_offset = 5;
int priority = (ip_precedence_vi << ip_precedence_offset);
setsockopt(socket_id, IPPROTO_IP, IP_TOS, &priority, sizeof(priority));

理论上,高优先级的 AC 比低优先级 AC 具有更好的性能,但并非总是如此,下面是一些关于如何使用 Wi-Fi QoS 的建议:

  • 可以把一些真正重要的应用程序流量放到 AC_VO 队列中。避免通过 AC_VO 队列发送大流量。一方面,AC_VO 队列不支持 AMPDU,如果流量很大,性能不会优于其他队列。另一方面,可能会影响同样使用 AC_VO 队列的管理帧。

  • 避免使用 AMPDU 支持的、两个以上的不同优先级,比如 socket A 使用优先级 0,socket B 使用优先级 1,socket C 使用优先级 2。因为可能需要更多的内存,不是好的设计。具体来说,Wi-Fi 驱动程序可能会为每个优先级生成一个 Block Ack 会话,如果设置了 Block Ack 会话,则需要更多内存。

Wi-Fi AMSDU

ESP32-C3 支持接收和发送 AMSDU。

Wi-Fi 分片

ESP32-C3 支持 Wi-Fi 接收和发送分片。

WPS 注册

在 Wi-Fi 模式 WIFI_MODE_STA 或 WIFI_MODE_APSTA 下,ESP32-C3 支持 WPS 注册功能。目前,ESP32-C3 支持的 WPS enrollee 类型有 PBC 和 PIN。

Wi-Fi 缓冲区使用情况

本节只介绍动态缓冲区配置。

缓冲区配置的重要性

为了获得一个具有强健、高性能的系统,我们需要非常谨慎地考虑内存的使用或配置情况,因为:

  • ESP32-C3 的可用内存有限。

  • 目前,LwIP 和 Wi-Fi 驱动程序中默认的缓冲区类型是“动态”,意味着 LwIP 和 Wi-Fi 都与应用程序共享内存。程序员应该时刻牢记这一点,否则将面临如“堆内存耗尽”等的内存问题。

  • “堆耗尽”情况非常危险,会导致 ESP32-C3 出现“未定义行为”。因此,应该为应用程序预留足够的堆内存,防止耗尽。

  • Wi-Fi 的吞吐量很大程度上取决于与内存相关的配置,如 TCP 窗口大小、Wi-Fi 接收/发送数据动态缓冲区数量等。

  • ESP32-C3 LwIP/Wi-Fi 可能使用的堆内存峰值取决于许多因素,例如应用程序可能拥有的最大 TCP/UDP 连接等。

  • 在考虑内存配置时,应用程序所需的总内存也是一个重要因素。

由于这些原因,不存在一个适合所有应用程序的配置。相反,我们必须为每个不同的应用程序考虑不同的内存配置。

动态与静态缓冲区

Wi-Fi 驱动程序中默认的缓存类型是“动态”。大多数情况下,动态缓冲区可以极大地节省内存。但是因为应用程序需要考虑 Wi-Fi 的内存使用情况,会给应用程序编程造成一定的难度。

lwIP 还在 TCP/IP 层分配缓冲区,这种缓冲区分配也是动态的。具体内容,见 lwIP 文档内存使用和性能部分

Wi-Fi 动态缓冲区峰值

Wi-Fi 驱动程序支持多种类型的缓冲区(参考 Wi-Fi 缓冲区配置 )。但本节只介绍 Wi-Fi 动态缓冲的使用方法 Wi-Fi 使用的堆内存峰值是 Wi-Fi 驱动程序 理论上消耗的最大内存。通常,该内存峰值取决于:

  • 配置的动态接收数据缓冲区数:wifi_rx_dynamic_buf_num

  • 配置的动态发送数据缓冲区数:wifi_tx_dynamic_buf_num

  • Wi-Fi 驱动程序可以接收的最大数据包:wifi_rx_pkt_size_max

  • Wi-Fi 驱动程序可以发送的最大数据包:wifi_tx_pkt_size_max

因此,Wi-Fi 驱动程序消耗的内存峰值可以用下面的公式计算:

wifi_dynamic_peek_memory = (wifi_rx_dynamic_buf_num * wifi_rx_pkt_size_max) + (wifi_tx_dynamic_buf_num * wifi_tx_pkt_size_max)

一般情况下,不需要关心动态发送数据长缓冲区和超长缓冲区,因为它们是管理帧,对系统的影响很小。

如何提高 Wi-Fi 性能

ESP32-C3 Wi-Fi 的性能受许多参数的影响,各参数之间存在相互制约。如果配置地合理,不仅可以提高性能,还可以增加应用程序的可用内存,提高稳定性。

在本节中,我们将简单介绍 Wi-Fi/LWIP 协议栈的工作模式,并说明各个参数的作用。我们将推荐几种配置等级,您可以根据使用场景选择合适的等级。

协议栈工作模式

../_images/api-guides-WiFi-driver-how-to-improve-WiFi-performance.png

ESP32-C3 数据路径

ESP32-C3 协议栈分为四层,分别为应用层、LWIP 层、Wi-Fi 层和硬件层。

  • 在接收过程中,硬件将接收到的数据包放入 DMA 缓冲区,然后依次传送到 Wi-Fi 的接收数据缓冲区、LWIP 的接收数据缓冲区进行相关协议处理,最后传送到应用层。Wi-Fi 的接收数据缓冲区和 LWIP 的接收数据缓冲区默认共享同一个缓冲区。也就是说,Wi-Fi 默认将数据包转发到 LWIP 作为参考。

  • 在发送过程中,应用程序首先将要发送的消息复制到 LWIP 层的发送数据缓冲区,进行 TCP/IP 封装。然后将消息发送到 Wi-Fi 层的发送数据缓冲区进行 MAC 封装,最后等待发送。

参数

适当增加上述缓冲区的大小或数量,可以提高 Wi-Fi 性能,但同时,会减少应用程序的可用内存。下面我们将介绍您需要配置的参数:

接收数据方向:

发送数据方向:

  • CONFIG_ESP32_WIFI_TX_BUFFER

    该参数表示发送数据缓冲区的类型,建议配置为动态缓冲区,该配置可以充分利用内存。

  • CONFIG_ESP32_WIFI_DYNAMIC_TX_BUFFER_NUM

    该参数表示 Wi-Fi 层发送数据缓冲区数量。提高该参数可以增强数据包发送的性能。该参数值需要与 LWIP 层的发送数据缓冲区大小相匹配。

  • CONFIG_LWIP_TCP_SND_BUF_DEFAULT

    该参数表示 LWIP 层用于每个 TCP 流的的发送数据缓冲区大小,应配置为 WIFI_DYNAMIC_TX_BUFFER_NUM (KB) 的值,从而实现高稳定性能。在有多个流的情况下,应相应降低该参数值。

通过在 IRAM 中放置代码优化吞吐量:

备注

上述的缓冲区大小固定为 1.6 KB。

如何配置参数

ESP32-C3 的内存由协议栈和应用程序共享。

在这里,我们给出了几种配置等级。在大多数情况下,您应根据应用程序所占用内存的大小,选择合适的等级进行参数配置。

下表中未提及的参数应设置为默认值。

等级

Iperf

默认

最小

可用内存 (KB)

59

160

180

WIFI_STATIC_RX_BUFFER_NUM

20

8

3

WIFI_DYNAMIC_RX_BUFFER_NUM

40

16

6

WIFI_DYNAMIC_TX_BUFFER_NUM

40

16

6

WIFI_RX_BA_WIN

32

16

6

TCP_SND_BUF_DEFAULT (KB)

40

16

6

TCP_WND_DEFAULT (KB)

40

16

6

LWIP_IRAM_OPTIMIZATION

13

13

0

TCP 发送数据吞吐量 (Mbit/s)

38.1

27.2

20.4

TCP 接收数据吞吐量 (Mbit/s)

35.3

24.2

17.4

UDP 发送数据吞吐量 (Mbit/s)

40.6

38.9

34.1

UDP 接收数据吞吐量 (Mbit/s)

52.4

44.5

44.2

备注

以上结果使用华硕 RT-N66U 路由器,在屏蔽箱中进行单流测试得出。 ESP32-C3 的 CPU 为单核,频率为 160 MHz,flash 为 QIO 模式,频率为 80 MHz。

等级:

  • Iperf 等级

    ESP32-C3 极端性能等级,用于测试极端性能。

  • 默认等级

    ESP32-C3 的默认配置等级、兼顾可用内存和性能。

  • 最小等级

    ESP32-C3 的最小配置等级。协议栈只使用运行所需的内存。适用于对性能没有要求,而应用程序需要大量内存的场景。

Wi-Fi Menuconfig

Wi-Fi 缓冲区配置

如果您要修改默认的缓冲区数量或类型,最好也了解缓冲区在数据路径中是如何分配或释放的。下图显示了发送数据方向的这一过程。

TX Buffer Allocation

描述:

  • 应用程序分配需要发送的数据。

  • 应用程序调用 TCPIP 或套接字相关的 API 发送用户数据。这些 API 会分配一个在 LwIP 中使用的 PBUF,并复制用户数据。

  • 当 LwIP 调用 Wi-Fi API 发送 PBUF 时,Wi-Fi API 会分配一个“动态发送数据缓冲区”或“静态发送数据缓冲区”,并复制 LwIP PBUF,最后发送数据。

下图展示了如何在接收数据方向分配或释放缓冲区:

接收数据缓冲区分配

描述:

  • Wi-Fi 硬件在空中接收到数据包后,将数据包内容放到“静态接收数据缓冲区”,也就是“接收数据 DMA 缓冲区”。

  • Wi-Fi 驱动程序分配一个“动态接收数据缓冲区”、复制“静态接收数据缓冲区”,并将“静态接收数据缓冲区”返回给硬件。

  • Wi-Fi 驱动程序将数据包传送到上层 (LwIP),并分配一个 PBUF 用于存放“动态接收数据缓冲区”。

  • 应用程序从 LwIP 接收数据。

下表是 Wi-Fi 内部缓冲区的配置情况。

缓冲区类型

分配类型

默认

是否可配置

描述

静态接收数据缓冲区(硬件接收数据缓冲区)

静态

10 * 1600 Bytes

这是一种 DMA 内存,在函数 esp_wifi_init() 中初始化,在函数 esp_wifi_deinit() 中释放。 该缓冲区形成硬件接收列表。当通过空中接收到一个帧时,硬件将该帧写入缓冲区,并向 CPU 发起一个中断。然后,Wi-Fi 驱动程序从缓冲区中读取内容,并将缓冲区返回到列表中。

如果应用程序希望减少 Wi-Fi 静态分配的内存,可以将该值从 10 减少到 6, 从而节省 6400 Bytes 的内存。除非禁用 AMPDU 功能,否则不建议将该值降低到 6 以下。

动态接收数据缓冲区

动态

32

缓冲区的长度可变,取决于所接收帧的长度。当 Wi-Fi 驱动程序 从“硬件接收数据缓冲区”接收到一帧时,需要从堆中分配“动态接收数据缓冲区”。在 Menuconfig 中配置的“动态接收数据缓冲区” 数量用来限制未释放的“动态接收数据缓冲区”总数量。

动态发送数据缓冲区

动态

32

这是一种 DMA 内存,位于堆内存中。当上层 (LwIP) 向 Wi-Fi 驱动程序发送数据包时,该缓冲区首先分配一个“动态发送数据缓 冲区”,并复制上层缓冲区。

动态发送数据缓冲区和静态发送数据缓冲区相互排斥。

静态发送数据缓冲区

静态

16 * 1600 Bytes

这是一种 DMA 内存,在函数 esp_wifi_init() 中初始化,在函数 esp_wifi_deinit() 中释放。 当上层 (LwIP) 向 Wi-Fi 驱动程序发送数据包时,该缓冲区首先 分配一个“静态发送数据缓冲区”,并复制上层缓冲区。

动态发送数据缓冲区和静态发送数据缓冲区相互排斥。

由于发送数据缓冲区必须是 DMA 缓冲区,所以当使能 PSRAM 时,发送数据缓冲区必须是静态的。

管理短缓冲区

动态

8

Wi-Fi 驱动程序的内部缓冲区。

管理长缓冲区

动态

32

Wi-Fi 驱动程序的内部缓冲区。

管理超长缓冲区

动态

32

Wi-Fi 驱动程序的内部缓冲区。

Wi-Fi NVS Flash

如果使能 Wi-Fi NVS flash,所有通过 Wi-Fi API 设置的 Wi-Fi 配置都会被存储到 flash 中,Wi-Fi 驱动程序在下次开机或重启时将自动加载这些配置。但是,应用程序可视情况禁用 Wi-Fi NVS flash,例如:其配置信息不需要存储在非易失性内存中、其配置信息已安全备份,或仅出于某些调试原因等。

Wi-Fi AMPDU

ESP32-C3 同时支持接收和发送 AMPDU,AMPDU 可以大大提高 Wi-Fi 的吞吐量。

通常,应使能 AMPDU。禁用 AMPDU 通常用于调试目的。

故障排除

请见 乐鑫 Wireshark 使用指南