通信协议

[English]

通信层级结构

终端

手机/PC

ESP-Drone

应用层

APP

飞控固件

协议层

CRTP

CRTP

传输层

UDP

UDP

物理层

Wi-Fi STA (Station)

Wi-Fi AP (Access Point)

Wi-Fi 通信

Wi-Fi 性能

ESP32 Wi-Fi 性能

项目

参数

模式

STA 模式、AP 模式、共存模式

协议

IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、802.11 LR（乐鑫）支持软件切换

安全性

WPA、WPA2、WPA2-Enterprise、WPS

主要特性

AMPDU、HT40、QoS

支持距离

乐鑫专属协议下 1 km

传输速率

20 Mbit/s TCP 吞吐量、30 Mbit/s UDP

其它参数见 ESP32 Wi-Fi 特性列表。

ESP32-S2 Wi-Fi 性能

项目

参数

模式

STA 模式、AP 模式、共存模式

协议

IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n 支持软件切换

安全性

WPA、WPA2、WPA2-Enterprise、WPS

主要特性

AMPDU、HT40、QoS

支持距离

乐鑫专属协议下 1 km

传输速率

20 Mbit/s TCP 吞吐量、30 Mbit/s UDP

其他参数见 ESP32-S2 Wi-Fi 特性列表。

Wi-Fi 编程框架

基于 ESP-IDF 的 Wi-Fi 编程框架：

Wi-Fi 编程模型

Wi-Fi 编程模型

一般使用过程如下：

  1. 应用层调用 Wi-Fi 驱动 API，进行 Wi-Fi 初始化。

  2. Wi-Fi 驱动对开发人员透明。事件发生，则 Wi-Fi 驱动向默认事件循环：default event loop 发布 event。应用程序可根据需求编写 handle 程序，进行注册。

  3. 网络接口组件 esp_netif 提供了一系列 handle 程序，与 Wi-Fi 驱动 event 默认关联。例如 ESP32 作为 AP，当有用户接入时，esp_netif 将自动启动 DHCP 服务。

具体的使用过程，可查阅代码 \components\drivers\general\wifi\wifi_esp32.c。

注解

Wi-Fi 初始化之前应使用 WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT 获取初始化配置结构体，对该结构体进行个性化配置，然后进行初始化工作。请注意防范结构体成员未初始化导致的问题，在 ESP-IDF 更新添加了新的结构体成员时，应尤其特别注意这一问题。

AP 模式工作状态图：

Sample Wi-Fi Event Scenarios in AP Mode

AP 模式下 Wi-Fi Event 示例

提高 Wi-Fi 通信距离

依次进入：Component config>>PHY>>Max WiFi TX power (dBm)，将 Max WiFi TX power 改为 20。该项配置将提高 PHY 增益，提高 Wi-Fi 通信距离。

UDP 通信

UDP 端口号

App

方向

ESP-Drone

192.168.43.42::2399

TX/RX

192.168.43.42::2390

UDP 包结构

/* Frame format:
 * +=============+-----+-----+
 * | CRTP                      |   CKSUM   |
 * +=============+-----+-----+
 */

  • UDP 传输的数据包为：CRTP + 校验信息。

  • CRTP：按照 CRTP 包结构定义，包含 Header + Data，具体参考 CRTP 协议部分。

  • CKSUM：为校验信息，大小为 1 byte，将 CRTP 包按照 byte 累加即可。

CKSUM 计算方法

#python为例：计算 raw 的 cksum，并将其添加到包尾
 raw = (pk.header,) + pk.datat
 cksum = 0
 for i in raw:
        cksum += i
 cksum %= 256
 raw = raw + (cksum,)

CRTP 协议

ESP-Drone 项目继承 Crazyflie 项目使用的 CRTP 协议，用于飞行指令发送、飞行数据回传、参数设置等。

CRTP 实现了无状态设计，不需要握手步骤。任何命令均可在任意时刻发送，但对于一些 log/param/mem 命令，需下载 TOC (目录)，协助主机正确发送信息。已经实现的 Python API (cflib) 实现下载 param/log/mem TOC，确保能够使用所有功能。

CRTP 包结构

CRTP 包大小为 32 字节，其中包含一个字节的 Header，31 个字节的 Payload。Header 记录端口（4 位）、通道（2 位）、及保留位（2 位）。

  7   6   5   4   3   2   1   0
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|     Port      |  Res. | Chan. |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|            DATA 0             |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
:   :   :   :   :   :   :   :   :
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|            DATA 30            |
+---+---+---+---+---+---+---+---+

字段

字节

位

描述

Header

0

0 ~ 1

目标数据通道

0

2 ~ 3

保留，用于传输层

0

4 ~ 7

目标数据端口

Data

1 ~ 31

0 ~ 7

数据包中的数据

端口分配

端口号

数据端口

用途

0

Console

Console 使用 consoleprintf 函数将调试信息输出到 PC 端。

2

Parameters

读写 Crazyflie 参数。参数可在源码中用宏表示。

3

Commander

发送 roll/pitch/yaw/thrust 控制指令。

4

Memory access

访问非易失性存储，如 1 线访问和 I2C 访问。仅支持 Crazyflie 2.0

5

Log

设置日志变量。日志变量将定期发送至 Crazyflie，日志变量在 Crazyflie 源码中用宏表示。

6

Localization

本地化相关包

7

Generic Setpoint

运行发送定位点和控制模式

13

Platform

用于 misc platform 控制，如调试和掉电等

14

Client-side debugging

用于调试 PC 端 UI 界面程序，只针对 Crazyflie Python API。

15

Link layer

用于控制和访问通信链路层。

固件中大部分连接到端口的模块，以任务的方式实现。如果有传入的 CRTP 包在信息传递队列中传递，则任务在队列中阻塞。启动时，每个任务及其它模块需要在通信链路层为预定义的端口注册。

各个端口使用详情可参考：CRTP - 与 Crazyflie 通信。

CRTP 协议支持包

cflib 是 CRTP 协议的 Python 支持包，提供了通信协议的应用层接口，可用于构建上位机，与 Crazyflie 和 Crazyflie 2.0 四轴飞行器通信并控制飞行器。固件中每一个使用 CRTP 协议的组件，在 cflib 中都有一个脚本与其对应。

基于 CRTP 协议的应用开发

各个平台工程模板

  1. crazyflie2-ios-client

  2. crazyflie2-windows-uap-client

  3. crazyflie-android-client

  4. 安卓版本使用指南

  5. 安卓版本开发指南

cfclient

cfclient 是 Crazeflie 源工程的上位机，完全实现了 CRTP 协议中定义的功能，可以加快飞机的调试过程。ESP-Drone 项目对该上位机进行裁剪和调整，满足功能设计需求。

cfclient控制台界面

cfclient控制台界面

cfclient 具体使用说明可查阅：cfclient。