物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi配網(wǎng)方式的設計

時間：2024-07-12 11:21:32

關鍵字：物聯(lián)網(wǎng) 配網(wǎng) Wi-Fi

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[導讀]有多種多樣的配網(wǎng)方案，下面以無線網(wǎng)絡攝像頭這個物聯(lián)網(wǎng)設備為例，講解各種配網(wǎng)方式的基本工作原理。

什么是配網(wǎng)?有哪些配網(wǎng)方式?物聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)技術為何魚龍混雜，互不相通?

目前，有多種多樣的配網(wǎng)方案，下面以無線網(wǎng)絡攝像頭這個物聯(lián)網(wǎng)設備為例，講解各種配網(wǎng)方式的基本工作原理。

設備熱點配網(wǎng)

設備熱點配網(wǎng)(dev-ap-config)，是一種比較常用的配網(wǎng)方式，該方式在配網(wǎng)時，先讓待配網(wǎng)的設備處于AP模式，讓手機連接到此設備上，然后通過手機將配網(wǎng)設備發(fā)送給設備，然后設備就可以切換到STA模式，連接Wi-Fi路由器了。其具體的配網(wǎng)過程如下：

待配網(wǎng)設備端的Wi-Fi模塊首先工作在AP配網(wǎng)模式(如按下設備的配網(wǎng)鍵，設備進入配網(wǎng)模式)，開啟一個約定名稱的AP熱點。

手機APP端掃描設備機身的二維碼，獲得設備ProductKey，并將手機連接到設備建立的熱點中。

連接建立后，即手機與設備建立了一個局域網(wǎng)。

手機通過某種方式(如TCP或UDP傳輸)將Wi-Fi路由器的配網(wǎng)信息(SSID/password)發(fā)送給設備。

設備得到配網(wǎng)信息后，切換到STA模式，即可連接到Wi-Fi。

一概要

Wi-Fi大家很早就接觸了，但是配網(wǎng)對很多人都比較陌生。因為早期的Wi-Fi設備基本都是帶屏幕和輸入設備的(如筆記本/手機/PDA等)，而配網(wǎng)只需要用戶直接輸入路由器的SSID/password即可，簡單到被人忽略。

但是隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，Wi-Fi被大量應用于沒有人機交互方式的設備中，如智能插座等物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品中，而Wi-Fi(IEEE802.11)標準在設計之初是沒有考慮這種無人機交互方式的配網(wǎng)的，也就是沒有官方標準。配網(wǎng)成了一種類似于黑客找漏洞的技術，這也就導致了市面上配網(wǎng)的方法多種多樣，且各家玩各家的，魚龍混雜，互不相通，整體體驗偏低。

幾個概念：

狹義配網(wǎng)：Wi-Fi設備獲取路由器信息(SSID,password等)并連接路由器的過程。

綁定：用戶手機APP賬號與被配網(wǎng)設備關聯(lián)的過程。

廣義配網(wǎng)：狹義配網(wǎng)+綁定。

本文討論的配網(wǎng)如未注明都指狹義配網(wǎng)，并省略云端參與流程。簡化示意圖如下：

那么市面上的配網(wǎng)技術有哪幾種呢?按原理分商用的主要有：

一鍵配網(wǎng)

廣播包長方式

組播地址方式

設備熱點配網(wǎng)

藍牙配網(wǎng)

手機熱點配網(wǎng)

路由器配網(wǎng)

零配

其他(如語音配網(wǎng)/攝像頭二維碼配網(wǎng)等)

阿里云IoT開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)AliOS Things支持上述1-6配網(wǎng)方式。

二詳細介紹

1 一鍵配網(wǎng)流程

一鍵配網(wǎng)(Smart Config)主要原理為：

1. 設備進入sniffer模式(又叫混雜模式，即不過濾數(shù)據(jù)報文)，監(jiān)聽環(huán)境中所有的802.11報文;

2. 設備需要在所支持的信道(通常1-13)上輪詢監(jiān)聽(因為設備不知道用戶手機和目標路由器的信道);

3. 捕獲到符合配網(wǎng)規(guī)則的數(shù)據(jù)報文后停止信道輪詢，嘗試在在此信道上接收完成所有報文;

4. 當前信道接收失敗或超時重新回到步驟2;

5. 數(shù)據(jù)報文接收完成則關閉sniffer模式，回到station模式并開始嘗試連接路由器，狹義的配網(wǎng)過程完成。

數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)的承載方式有兩種，一種廣播方式，另一種是組播方式。下面分別介紹。

設備在接入路由器之前，沒有獲得對應密鑰，無法解密路由器局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)報文(包括連接到目標路由器的用戶手機的報文)。

如下圖所示，設備在sniffer模式收到的數(shù)據(jù)報文主體即Frame Body部分是加密的，僅幀頭和整個報文長度是不加密的。要通過手機將配網(wǎng)信息傳給設備，那么就得考慮使用這些信息。

1)廣播包長方式

數(shù)據(jù)報文長度共2字節(jié)，且包頭和校驗和占掉了一部分字段故不能從0開始編碼，而太長會導致整個數(shù)據(jù)報文冗余數(shù)據(jù)急劇增加，如折中取11bit。

具體方式為：手機端通過發(fā)送不同長度的廣播報文，將配網(wǎng)信息編碼到報文長度信息中。——有點像藏頭詩吧?

2)組播地址方式

如果使用地址編碼，即使用下圖的DA編碼,那么就是組播方式。

ieee802.11將224.0.0.0 ~ 239.255.255.255劃定為組播保留地址，在以太網(wǎng)中，目的IP地址為組播保留地址的數(shù)據(jù)包，目的MAC地址需要做一個映射。具體做法是，MAC地址的3個高字節(jié)固定為01:00:5E，后三個字節(jié)依次為組地址的從高字節(jié)起的第二字節(jié)取低7位、組地址的第三字節(jié)和第四字節(jié)，例如組地址225.215.145.230對應的MAC地址為01:00:5E:57:91:E6。所以有23個bit可用戶編碼。

優(yōu)點：

用戶操作簡單，體驗好(成功時)。

缺點：

對手機，路由器都有嚴格的兼容性要求，比如有些路由器默認關閉廣播/組播報文轉(zhuǎn)發(fā)使得設備收不到路由器轉(zhuǎn)發(fā)的報文;手機以5G頻段連接到路由器，2.4G的設備壓根收不到包等，諸如此類不可控因素導致整體兼容性差，配網(wǎng)成功率低。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)剛興起時大多數(shù)廠商的默認選擇，在飽受用戶投訴之后慢慢被棄用。

2 設備熱點配網(wǎng)設備熱點配網(wǎng)很好理解：

1. 設備端Wi-Fi進入softAP模式，建立一個約定名稱的AP熱點;

2. APP端提示用戶手動將手機連接到1中設備建立的熱點;

3. 連接建立后，手機與設備建立局域網(wǎng);

4. 手機通過UDP/TCP將配網(wǎng)信息直接傳給設備;

5. 設備拿到配網(wǎng)信息后切換回station模式，開始連接路由器。

優(yōu)點：

成功率高，可靠。

缺點：

用戶操作相對一鍵配網(wǎng)復雜度略高(iphone用戶需要手動跳轉(zhuǎn)到無線局域網(wǎng)設置界面連接app界面提示的設備熱點)。

總結(jié)

中庸可靠是其取勝之道，在昔日霸主一鍵配網(wǎng)由于成功率不高被廣為吐槽后，設備熱點配網(wǎng)在市場上的占有率穩(wěn)定提升。

3 手機熱點配網(wǎng)這是熱點配網(wǎng)(softAP)的一個變種，熱點不由設備創(chuàng)建而是由手機創(chuàng)建。

優(yōu)點：

設備無需支持熱點模式，端上開發(fā)工作量較低;

可與一鍵配網(wǎng)共存(同時使能)，在阿里云IOT手機熱點配網(wǎng)中，手機熱點SSID固定為aha，這樣處在一鍵配網(wǎng)模式的設備一旦掃描到周圍存在aha熱點即嘗試連接aha。常用來做備用配網(wǎng)方案。

缺點：

用戶體驗不佳，尤其在ios設備上APP無法自動創(chuàng)建熱點，需要用戶跳轉(zhuǎn)設置界面手動改設備名并手動打開熱點。

總結(jié)

曾經(jīng)作為一個創(chuàng)新在阿里IoT中作為一鍵配網(wǎng)失敗后的替補方案，由于一鍵配網(wǎng)本身占比降低，替補的出場率也就更低了。

4 藍牙配網(wǎng)藍牙配網(wǎng)整體流程跟設備熱點配網(wǎng)差不多。只不過用ble替換了設備端的熱點，理論上還是一種基于點對點連接的配網(wǎng)方式。

物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi配網(wǎng)方式的設計

優(yōu)點：

兼容性較好，成功率高。

用戶體驗好。

缺點：

成本略高。相對與其他配網(wǎng)模式，需要額外增加藍牙硬件成本。

總結(jié)

適合與本身既有藍牙又有Wi-Fi的應用場景的設備，或者模組成本相對不是那么敏感的土豪設備。隨著低成本BLE的推行，其占有率逐漸提升。

5 路由器配網(wǎng)路由器配網(wǎng)的思路就是路由器在配網(wǎng)模式下開啟一個特定的用于配網(wǎng)的SSID，設備發(fā)現(xiàn)了這個熱點后連接這個熱點以獲取配網(wǎng)信息，流程跟手機熱點配網(wǎng)相似。

優(yōu)點：

用戶體驗較好。

缺點：

應用面窄，需滿足設備跟路由器都為同一方案的場景。

總結(jié)

適合端上整套生態(tài)打法的廠商。

6 零配這是一種充分利用待配設備/及主配設備的高權限優(yōu)勢的配網(wǎng)，要求主配和待配設備的應用程序都能發(fā)送和接收802.11管理幀。直接使用802.11 的管理幀(probe request/response)攜帶配網(wǎng)信息，從而實現(xiàn)高效配網(wǎng)。

優(yōu)點：

用戶體驗好，成功率高，如智能音響對智能設備配網(wǎng)即可使用此方式。

缺點：

應用面窄，需要滿足路由器下存在已經(jīng)配網(wǎng)的同方案設備的要求。

總結(jié)

設計上本身高效可靠，但是由于手機APP權限問題，無法通過第三方程序組裝或者接收Wi-Fi管理幀，限制了其在手機上的應用(手機不能當主配)，也就使得其只能成為一種輔助或者特定領域的配網(wǎng)方式。

三總結(jié)對比

通過一個表格對比各配網(wǎng)方式特點：

四發(fā)展方向

除了上面列出的配網(wǎng)方式外，還有其他一些方向供大家參考。

1. Wi-Fi P2P。使用Wi-Fi Direct技術直接將配網(wǎng)信息通過手機傳給設備。

缺點：無奈僅Android手機支持Wi-Fi Direct技術，IOS尚不支持。而且不是所有的安卓手機都支持，導致手機兼容性差，一條腿走路注定了無法普及。