ESP-NOW

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概述

ESP-NOW 是一种由乐鑫公司定义的无连接 Wi-Fi 通信协议。在 ESP-NOW 中，应用程序数据被封装在各个供应商的动作帧中，然后在无连接的情况下，从一个 Wi-Fi 设备传输到另一个 Wi-Fi 设备。

CTR 与 CBC-MAC 协议 (CCMP) 可用来保护动作帧的安全。ESP-NOW 广泛应用于智能照明、远程控制、传感器等领域。

帧格式

ESP-NOW 使用供应商的动作帧传输数据，默认比特率为 1 Mbps。

目前 ESP-NOW 支持两个版本：v1.0 和 v2.0。v2.0 的设备支持的最大数据包长度为 1470 (ESP_NOW_MAX_DATA_LEN_V2) 字节；v1.0 的设备支持的最大数据包长度为 250 (ESP_NOW_MAX_DATA_LEN) 字节。

v2.0 设备可以接收来自 v2.0 和 v1.0 设备的数据包。v1.0 设备只能接收来自 v1.0 设备的数据包。

当然，v1.0 设备也可以接收长度不超过 250 (ESP_NOW_MAX_IE_DATA_LEN) 的 v2.0 数据包，只是如果长度超过此值，就只接收前 250 (ESP_NOW_MAX_IE_DATA_LEN) 字节，或是直接丢弃数据包。

具体行为请参考对应 IDF 版本中的文档。

供应商的动作帧格式为：

-----------------------------------------------------------------------------
|   MAC 报头   |  分类代码  |  组织标识符  |  随机值  |  供应商特定内容  |   FCS   |
-----------------------------------------------------------------------------
   24 字节        1 字节        3 字节      4 字节      7-x 字节       4 字节

  • 分类代码：分类代码字段可用于指示各个供应商的类别（比如 127）。

  • 组织标识符：组织标识符包含一个唯一标识符（比如 0x18fe34），为乐鑫指定的 MAC 地址的前三个字节。

  • 随机值：防止重放攻击。

  • 供应商特定内容：供应商特定内容包含若干个（大于等于1）特定供应商元素字段，对于 v2.0 版本，x = 1512(1470+6*7)；对于 v1.0 版本，x = 257(250+7)。

特定供应商元素的帧格式为：

ESP-NOW v1.0：
---------------------------------------------------------------------------
|  元素 ID  |  长度  |  组织标识符  |  类型  |  保留  |  版本    |     正文     |
---------------------------------------------------------------------------
                                          7~4 比特| 3~0 比特
   1 字节     1 字节     3 字节      1 字节       1 字节           0-250 字节

ESP-NOW v2.0：
-------------------------------------------------------------------------------------
|  元素 ID  |  长度  |  组织标识符  |  类型    |  保留  |更多数据 | 版本    |     正文     |
-------------------------------------------------------------------------------------
                                            7~5 比特 | 1 比特 | 3~0 比特
   1 字节     1 字节     3 字节      1 字节            1 字节               0-250 字节

  • 元素 ID：元素 ID 字段可用于指示特定于供应商的元素。

  • 长度：长度是组织标识符、类型、版本和正文的总长度，最大值为 255。

  • 组织标识符：组织标识符包含一个唯一标识符（比如 0x18fe34），为乐鑫指定的 MAC 地址的前三个字节。

  • 类型：类型字段设置为 4，代表 ESP-NOW。

  • 版本：版本字段设置为 ESP-NOW 的版本。

  • 正文：正文包含实际要发送的 ESP-NOW 数据。

由于 ESP-NOW 是无连接的，因此 MAC 报头与标准帧略有不同。FrameControl 字段的 FromDS 和 ToDS 位均为 0。第一个地址字段用于配置目标地址。第二个地址字段用于配置源地址。第三个地址字段用于配置广播地址 (0xff:0xff:0xff:0xff:0xff:0xff)。

安全

ESP-NOW 采用 CCMP 方法保护供应商特定动作帧的安全，具体可参考 IEEE Std. 802.11-2012。Wi-Fi 设备维护一个初始主密钥 (PMK) 和若干本地主密钥 (LMKs，每个配对设备拥有一个 LMK)，长度均为 16 个字节。

  • PMK 可使用 AES-128 算法加密 LMK。请调用 esp_now_set_pmk() 设置 PMK。如果未设置 PMK，将使用默认 PMK。

  • LMK 可通过 CCMP 方法对供应商特定的动作帧进行加密。如果未设置配对设备的 LMK，则动作帧不进行加密。

目前，不支持加密组播供应商特定的动作帧。

初始化和反初始化

调用 esp_now_init() 初始化 ESP-NOW，调用 esp_now_deinit() 反初始化 ESP-NOW。ESP-NOW 数据必须在 Wi-Fi 启动后传输，因此建议在初始化 ESP-NOW 之前启动 Wi-Fi，并在反初始化 ESP-NOW 之后停止 Wi-Fi。

当调用 esp_now_deinit() 时，配对设备的所有信息都将被删除。

添加配对设备

在将数据发送到其他设备之前，请先调用 esp_now_add_peer() 将其添加到配对设备列表中。如果启用了加密，则必须设置 LMK。

ESP-NOW 数据可以从 Station 或 SoftAP 接口发送。确保在发送 ESP-NOW 数据之前已启用该接口。

配对设备的信道范围是从 0 ~ 14。如果信道设置为 0，数据将在当前信道上发送。否则，必须使用本地设备所在的通道。

对于接收设备，调用 esp_now_add_peer() 不是必需的。如果没有添加配对设备，只能接收广播包和不加密的单播包。如果需要接收加密的单播包，则必须添加配对设备并设置相同的 LMK。

配对设备的最大数量是 20，其中加密设备的数量不超过 17，默认值是 7。如果想要修改加密设备的数量，在 Wi-Fi menuconfig 设置 CONFIG_ESP_WIFI_ESPNOW_MAX_ENCRYPT_NUM。

发送 ESP-NOW 数据

调用 esp_now_send() 发送 ESP-NOW 数据，调用 esp_now_register_send_cb() 注册发送回调函数。如果 MAC 层成功接收到数据，则该函数将返回 ESP_NOW_SEND_SUCCESS 事件。否则，它将返回 ESP_NOW_SEND_FAIL。ESP-NOW 数据发送失败可能有几种原因，比如目标设备不存在、设备的信道不相同、动作帧在传输过程中丢失等。应用层并不一定可以总能接收到数据。如果需要，应用层可在接收 ESP-NOW 数据时发回一个应答 (ACK) 数据。如果接收 ACK 数据超时，则将重新传输 ESP-NOW 数据。可以为 ESP-NOW 数据设置序列号，从而删除重复的数据。

如果有大量 ESP-NOW 数据要发送，调用 esp_now_send() 时需注意单次发送的数据不能超过最大数据包长（v1.0 是 250 bytes， v2.0 是 1470 字节）。请注意，两个 ESP-NOW 数据包的发送间隔太短可能导致回调函数返回混乱。因此，建议在等到上一次回调函数返回 ACK 后再发送下一个 ESP-NOW 数据。发送回调函数从高优先级的 Wi-Fi 任务中运行。因此，不要在回调函数中执行冗长的操作。相反，将必要的数据发布到队列，并交给优先级较低的任务处理。

接收 ESP-NOW 数据

调用 esp_now_register_recv_cb() 注册接收回调函数。当接收 ESP-NOW 数据时，需要调用接收回调函数。接收回调函数也在 Wi-Fi 任务任务中运行。因此，不要在回调函数中执行冗长的操作。 相反，将必要的数据发布到队列，并交给优先级较低的任务处理。

配置 ESP-NOW 速率

调用 esp_now_set_peer_rate_config() 配置指定 peer 的 ESP-NOW 速率。确保在配置速率之前添加 peer。这个 API 应该在 esp_wifi_start() 和 esp_now_add_peer() 之后调用。

备注

esp_wifi_config_espnow_rate() 已弃用，请使用 esp_now_set_peer_rate_config()

配置 ESP-NOW 功耗参数

当且仅当 ESP32-C6 配置为 STA 模式时，允许其进行休眠。

进行休眠时，调用 esp_now_set_wake_window() 为 ESP-NOW 收包配置 Window。默认情况下 Window 为最大值，将允许一直收包。

如果对 ESP-NOW 进功耗管理，也需要调用 esp_wifi_connectionless_module_set_wake_interval()。

请参考 非连接模块功耗管理 获取更多信息。

应用示例

  • wifi/espnow 演示了如何使用 ESP32-C6 的 Wi-Fi 的 ESPNOW 功能，包括启动 Wi-Fi、初始化 ESP-NOW、注册 ESP-NOW 发送或接收回调函数、添加 ESP-NOW 对等信息，以及在两台设备之间发送和接收 ESP-NOW 数据。

API 参考

Header File

  • components/esp_wifi/include/esp_now.h

  • This header file can be included with:

    #include "esp_now.h"

  • This header file is a part of the API provided by the esp_wifi component. To declare that your component depends on esp_wifi, add the following to your CMakeLists.txt:

    REQUIRES esp_wifi

    or

    PRIV_REQUIRES esp_wifi

Structures

struct esp_now_peer_info

ESPNOW peer information parameters.

Public Members

uint8_t peer_addr[ESP_NOW_ETH_ALEN]

ESPNOW peer MAC address that is also the MAC address of station or softap

uint8_t lmk[ESP_NOW_KEY_LEN]

ESPNOW peer local master key that is used to encrypt data

uint8_t channel

Wi-Fi channel that peer uses to send/receive ESPNOW data. If the value is 0, use the current channel which station or softap is on. Otherwise, it must be set as the channel that station or softap is on.

wifi_interface_t ifidx

Wi-Fi interface that peer uses to send/receive ESPNOW data

bool encrypt

ESPNOW data that this peer sends/receives is encrypted or not

void *priv

ESPNOW peer private data

struct esp_now_peer_num

Number of ESPNOW peers which exist currently.

Public Members

int total_num

Total number of ESPNOW peers, maximum value is ESP_NOW_MAX_TOTAL_PEER_NUM

int encrypt_num

Number of encrypted ESPNOW peers, maximum value is ESP_NOW_MAX_ENCRYPT_PEER_NUM

struct esp_now_recv_info

ESPNOW receive packet information.

Public Members

uint8_t *src_addr

Source address of ESPNOW packet

uint8_t *des_addr

Destination address of ESPNOW packet

wifi_pkt_rx_ctrl_t *rx_ctrl

Rx control info of ESPNOW packet

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