ESP32S3网络编程学习笔记（1）—— Wi-Fi扫描实验

  • 开发
  • 37

前言

（1）如果有嵌入式企业需要招聘湖南区域日常实习生，任何区域的暑假Linux驱动/单片机/RTOS的实习岗位，可C站直接私聊，或者邮件：zhangyixu02@gmail.com，此消息至2025年1月1日前均有效
（2）学习本文之前，建议先学习：ESP32S3网络编程学习笔记（0）—— 计算机网络基础科普

实操

工程目录和CMakeList修改

（1）在main文件夹中创建APP文件夹，并且在APP文件夹中创建wifi.c和wifi.h两个文件。

在这里插入图片描述

（2）在main/CMakeLists.txt中修改为如下代码。

idf_component_register(SRC_DIRS "." "./app"
                    INCLUDE_DIRS "." "./app")

在这里插入图片描述

WIFI程序配置

wifi.c

（1）在wifi.c中补充如下代码。

/**
 ****************************************************************************************************
 * @file     led.c
 * @brief    正点原子ESP32S3开发板的WIFI扫描实验
 * @author   zhangyixu
 * @version  1.0.0
 * @date     2024-04-06
 * @Copyright (c) 仅供学习，如需商用，请邮件zhangyixu02@gmail.com
 ****************************************************************************************************
 * @attention
 * 
 * 个人博客：www.zyxbeyourself.blog.csdn.net
 * 本人邮件：zhangyixu02@gmail.com
 ****************************************************************************************************
 * @par Change Logs:
 * 
 * Date Author Notes
 * 2024-04-06 zhangyixu 初始版本
*/

#include "esp_log.h"
#include "esp_wifi.h"
#include "wifi.h"

/* 存储12个WIFI名称 */
#define DEFAULT_SCAN_LIST_SIZE  10

static const char *TAG = "WIFI";

void wifi_init(void)
{
    /*-------------- 1、Wi-Fi/LwIP 初始化阶段 --------------*/
    /* 1.1、网卡初始化,LWIP内核初始化 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());
    /* 1.2、创建新的事件循环 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
    /* 1.3、用户初始化STA模式 */
    esp_netif_t *sta_netif = esp_netif_create_default_wifi_sta();
    assert(sta_netif);
    /* wifi配置初始化 */
    wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&cfg));

    /*-------------- 2、Wi-Fi/LwIP 配置阶段 --------------*/
    /* 设置WIFI为STA模式 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA));

    /*-------------- 3、Wi-Fi/LwIP 启动阶段 --------------*/
    /* 启动WIFI */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());
}

void wifi_scan(void)
{
    uint16_t number = DEFAULT_SCAN_LIST_SIZE;
    uint16_t ap_count = 0;
    wifi_ap_record_t ap_info[DEFAULT_SCAN_LIST_SIZE] = {0};

    /* 开始扫描附件的WIFI */
    esp_wifi_scan_start(NULL, true);
    /* 获取上次扫描中找到的AP数量 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_scan_get_ap_num(&ap_count));
    ESP_LOGI(TAG, "Total APs scanned = %u", ap_count);
    /* 获取上次扫描中找到的AP列表 */
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_scan_get_ap_records(&number, ap_info));
    /* 下面是打印附件的WIFI信息 */
    for (int i = 0; (i < number) && (i < ap_count); i++)
    {
        ESP_LOGI(TAG, "NUM \t\t%d", i);
        ESP_LOGI(TAG, "SSID \t\t%s", ap_info[i].ssid);
        ESP_LOGI(TAG, "RSSI \t\t%d", ap_info[i].rssi);
        ESP_LOGI(TAG, "MAC \t\t%02X-%02X-%02X-%02X-%02X-%02X\n", ap_info[i].bssid[0], ap_info[i].bssid[1], ap_info[i].bssid[2], ap_info[i].bssid[3], ap_info[i].bssid[4], ap_info[i].bssid[5]);
    }
}

wifi.h

（1）在wifi.h中补充如下代码。

/**
 ****************************************************************************************************
 * @file     led.h
 * @brief    正点原子ESP32S3开发板的WIFI扫描实验
 * @author   zhangyixu
 * @version  1.0.0
 * @date     2024-04-06
 * @Copyright (c) 仅供学习，如需商用，请邮件zhangyixu02@gmail.com
 ****************************************************************************************************
 * @attention
 * 
 * 个人博客：www.zyxbeyourself.blog.csdn.net
 * 本人邮件：zhangyixu02@gmail.com
 ****************************************************************************************************
 * @par Change Logs:
 * Date Author Notes
 * 2024-04-06 zhangyixu 初始版本
*/

#ifndef __WIFI_H__
#define __WIFI_H__

    #ifdef __cplusplus
    extern "C" {
    #endif /* __cplusplus */
    /*============================ INCLUDES ======================================*/
    
    /*============================ MACROS ========================================*/
    
    /*============================ TYPES =========================================*/

    /*============================ GLOBAL VARIABLES ==============================*/

    /*============================ PROTOTYPES ====================================*/
    /**
     * @brief   将Wi-Fi初始化为sta并设置扫描方法
     *
     * @param   无
     *
     * @return  无
     */
    void wifi_init(void);
    /**
     * @brief   进行WIFI扫描
     *
     * @param   无
     *
     * @return  无
     */
    void wifi_scan(void);

    #ifdef __cplusplus
    }

    #endif /* __cplusplus */

#endif /* __WIFI_H__ */

main.c

（1）在main.c中补充如下代码。

/**
 ****************************************************************************************************
 * @file     led.c
 * @brief    正点原子ESP32S3开发板的WIFI扫描实验
 * @author   zhangyixu
 * @version  1.0.0
 * @date     2024-04-06
 * @Copyright (c) 仅供学习，如需商用，请邮件zhangyixu02@gmail.com
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 * @attention
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 * @par Change Logs:
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 * Date Author Notes
 * 2024-04-06 zhangyixu 初始版本
*/
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

#include "led.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "wifi.h"


void app_main(void)
{
    esp_err_t ret;

    ret = nvs_flash_init();             /* 初始化NVS */

    if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    {
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
        ret = nvs_flash_init();
    }
    led_init();             /* 初始化LED */
    wifi_init();
    wifi_scan();
    while(1)
    {
        led_toggle();
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));   /* 延时1s */
    }
}

运行结果

（1）烧录运行之后，能够一共扫描到多少个Wi-Fi，并且显示扫描到的前10个Wi-Fi名字，信号强度，MAC地址。

在这里插入图片描述

解析

为什么需要初始化NVS

（1）在esp_wifi_init()函数中，将会要使用到NVS相关内容，如果不先将NVS初始化，将无法成功读取到对应的内容，因此会导致初始化失败。
（2）如果我们不想使用NVS，可以打开menuconfig，按照下图关闭下图这个选项。

在这里插入图片描述

Wi-Fi配置初始化流程介绍

（1）在前面的计算机网络科普一文中我解释了AP和STA的区别，因为本次实验是Wi-Fi扫描实验，因此我们需要将ESP32S3配置为STA模式。现在我们看看乐鑫科技官方给出来的STA模式配置流程。
（2）下图为截取部分，我们只需要看红框里面的内容即可。这个时候有人会问了，为什么只要看前三步呢？原因很简单，因为我们这里只会进行WIFI扫描，并不会进行连接操作，因此只需要看前三步骤。

在这里插入图片描述

1.初始化阶段

（1）上图，先看1.1步，我们知道需要初始化LwIP。LwIP 是一个开源的 TCP/IP 协议栈，专门设计用于嵌入式系统。我们直接调用esp_netif_init()函数就可以将网卡和LwIP内核进行初始化。

/* 1.1、网卡初始化,LWIP内核初始化 */
ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());

（2）创建事件循环有两个函数esp_event_loop_create_default()和esp_event_loop_create()函数。esp_event_loop_create_default()其实就是对esp_event_loop_create()进行了一层封装，没有特殊需求，一般调用esp_event_loop_create_default()。
这个函数的调用是必要的，因为WIFI扫描实验需要在扫描过程中处理一些事件，例如扫描开始事件，扫描完成事件。如果没有创建事件循环，这些事件将无法被正确处理，导致Wi-Fi扫描实验无法正常进行。

/* 1.2、创建新的事件循环 */
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());

（3.1）前面说了，Wi-Fi扫描实验需要在扫描过程中处理一些事件。而这些事件由esp_netif_create_default_wifi_sta()函数创建。这个事件能够初始化Wi-Fi为STA模式，官方的解释是创建有 TCP/IP 堆栈的默认网络接口实例绑定 station。

/* 1.3、创建有 TCP/IP 堆栈的默认网络接口实例绑定 station */
esp_netif_t *sta_netif = esp_netif_create_default_wifi_sta();
assert(sta_netif);

（3.2）这一步和上一步同属于1.3步骤，这里是 创建 Wi-Fi 驱动程序任务，并初始化 Wi-Fi 驱动程序。

/* 1.3、创建 Wi-Fi 驱动程序任务，并初始化 Wi-Fi 驱动程序 */
wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&cfg));

（4）这个时候肯定就有同学有疑问了，怎么没有1.4创建应用程序任务呢？原因很简单，我们这里只是进行 Wi-Fi 扫描，并不会进行连接，因此这一步进行省略。

1.2配置阶段

（1）这句话就是将 Wi-Fi配置为STA模式。如果不是在中国，可能还需要调用esp_wifi_set_xxx ()进行更多的配置，例如：协议模式、国家代码、带宽等。

/* 2、设置 Wi-Fi为STA模式 */
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA));

1.3启动阶段

（1）因为我们不需要连接Wi-Fi，因此无需关心 WIFI_EVENT_STA_CONNECTED 事件。只需要调用如下代码即可。

/* 3.1、启动 Wi-Fi 驱动程序 */
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());

关键API介绍

esp_wifi_scan_start()

（1）这个函数表示开始扫描附近的Wi-Fi设备，我们先讲解一下esp_wifi_scan_start()第一个参数的作用。
<1>如果ssid不为NULL,则只扫描SSID与该值相同的AP。否则扫描所有SSID的AP。
注：ssid就是Wi-Fi的名字。AP表示热点或者说是Wi-Fi。
<2>如果bssid不为NULL,则只扫描MAC地址与该值相同的AP。
注：不了解MAC地址是什么意思的，请看上一篇计算机网络科普。
<3>如果channel为0，则进行全信道扫描。否则只扫描指定的信道。
<4>show_hidden如果为true则扫描时会包括隐藏SSID的AP。否则会忽略隐藏SSID的AP。
<5>scan_type如果为WIFI_SCAN_TYPE_ACTIVE，则进行主动扫描。如果是WIFI_SCAN_TYPE_PASSIVE，则进行被动扫描。如下为主动扫描和被动扫描的区别。通常情况下，移动设备会优先使用主动扫描，而固定设备则更倾向于使用被动扫描。

  • 主动扫描：客户端主动发送Probe Request帧,询问周围是否有AP。AP收到Probe Request后,会立即回复Probe Response帧,告知自己的信息。主动扫描速度更快,但会增加网络流量和功耗。
  • 被动扫描：客户端被动地监听AP周期性发送的Beacon帧。AP会定期广播Beacon帧,包含自身的SSID、安全性等信息。被动扫描速度较慢,但不会增加网络流量和功耗。
  • 区别：主动扫描可以发现隐藏SSID的AP,被动扫描无法发现。主动扫描可以更快地发现AP,但会增加功耗。被动扫描不会主动打扰AP,但可能会漏掉某些AP。

<6>scan_time用于控制每个信道的扫描时间。对于被动描，scan_time.passive字段指定每个信道的扫描时间。对于主动扫描,每个信道的扫描时间由scan_time.active.min和scan_time.active.max决定。
<7>home_chan_dwell_time用于控制在主信道上停留的时间。当进行快速扫描时,会优先在主信道上停留较长时间,以提高扫描效率。
（2）第二个参数就比较容易理解，如果是true那么需要等待Wi-Fi扫描完成之后才会进行esp_wifi_scan_start()下面的函数。如果是false，那么无需等待Wi-Fi扫描完成就会马上执行下面的任务。
（3）如果没有特殊需求，esp_wifi_scan_start()函数第一个参数一般填写NULL默认为主动扫描，扫描所有通道，扫描所有Wi-Fi，忽略隐藏Wi-Fi，主动扫描时间为0~120ms，主信道上停留的时间为360ms。

/**
 * @brief   扫描所有可用的 AP
 *
 * @param    config    扫描的配置设置，如果设置为 NULL 将使用默认设置，默认值为 show_hidden:false、scan_type:active、scan_time.active.min:0、scan_time.active.max:120 毫秒、scan_time.passive ：360 毫秒
 *          -block     如果true，此API将阻止调用者直到扫描完成，否则将立即返回
 *
 * @return   ESP_OK                    配置成功
 *         - ESP_ERR_WIFI_NOT_INIT     WiFi未由esp_wifi_init初始化
 *         - ESP_ERR_WIFI_NOT_STARTED  esp_wifi_start未启动WiFi
 *         - ESP_ERR_WIFI_TIMEOUT      阻塞扫描超时
 *         - ESP_ERR_WIFI_STATE        调用esp_wifi_scan_start时wifi仍在连接
 */
esp_err_t esp_wifi_scan_start(const wifi_scan_config_t *config, bool block);

/** @brief 每个通道的活动扫描时间范围 */
typedef struct {
    uint32_t min;  /**< 每个通道的最小活动扫描时间，单位:毫秒 */
    uint32_t max;  /**< 每个通道的最大活动扫描时间，单位:毫秒，超过1500ms可能导致工作站与AP断开连接，不建议使用。  */
} wifi_active_scan_time_t;

/** @brief 每个通道的主动和被动扫描时间的总和 */
typedef struct {
    wifi_active_scan_time_t active;  /**< 每个通道的主动扫描时间，单位:毫秒 */
    uint32_t passive;                /**< 每通道被动扫描时间，单位:毫秒，超过1500ms可能导致工作站与AP断开连接，不建议使用 */
} wifi_scan_time_t;

/** @brief SSID扫描参数 */
typedef struct {
    uint8_t *ssid;               /**< SSID of AP */
    uint8_t *bssid;              /**< MAC address of AP */
    uint8_t channel;             /**< 通道，扫描特定的通道 */
    bool show_hidden;            /**< 使能扫描SSID隐藏的AP */
    wifi_scan_type_t scan_type;  /**< 扫描类型，主动或被动 */
    wifi_scan_time_t scan_time;  /**< 每通道扫描时间 */
    uint8_t home_chan_dwell_time;/**< 在扫描连续通道之间花费的时间*/
} wifi_scan_config_t;

esp_wifi_scan_get_ap_num()

（1）当我们使用esp_wifi_scan_start()函数扫描完Wi-Fi之后，我们可以利用这个函数获取道扫描道的Wi-Fi数量。

/**
 * @brief   获取上次扫描中找到的Wi-Fi数量
 *
 * @param    number  存储上次扫描中找到的Wi-Fi数量
 *
 * @return   ESP_OK                    获取成功
 *         - ESP_ERR_WIFI_NOT_INIT     Wi-Fi未由esp_wifi_init初始化
 *         - ESP_ERR_WIFI_NOT_STARTED  esp_wifi_start未启动Wi-Fi
 *         - ESP_ERR_INVALID_ARG       无效参数
 */
esp_err_t esp_wifi_scan_get_ap_num(uint16_t *number);

esp_wifi_scan_get_ap_records()

（1）当我们调用esp_wifi_scan_start()函数

/**
 * @brief   获取上次扫描中找到的Wi-Fi列表
 *
 * @param    number      设置ap_records可以容纳的最大Wi-Fi数量，如果number为10，但是扫描到的Wi-Fi只有4个，此时number会变成4。
 *         - ap_records  保存找到的Wi-Fi
 *
 * @return   ESP_OK                    获取成功
 *         - ESP_ERR_WIFI_NOT_INIT     Wi-Fi未由esp_wifi_init初始化
 *         - ESP_ERR_WIFI_NOT_STARTED  esp_wifi_start未启动Wi-Fi
 *         - ESP_ERR_INVALID_ARG       无效参数
 *         - ESP_ERR_NO_MEM            内存不足
 */
esp_err_t esp_wifi_scan_get_ap_records(uint16_t *number, wifi_ap_record_t *ap_records);

Wi-Fi扫描流程介绍

（1）进行Wi-Fi扫描实验的前提是将ESP32设置为了STA模式，并且成功启动了Wi-Fi，否则无法进行Wi-Fi扫描实验。
（2）我们初始化完ESP32的Wi-Fi之后，就能够直接调用esp_wifi_scan_get_ap_num()函数进行扫描Wi-Fi了，需要注意的是，esp_wifi_scan_get_ap_num()的第二个参数需要配置为true，我们需要扫描完Wi-Fi之后再进行下一步操作。
（3）扫描到的Wi-Fi信息存储在wifi_ap_record_t结构体类型的数组里面，这个对于新手而言只需要关心三个参数：

  • ssid：Wi-Fi名字
  • rssi：一般来说，它是一个负数。RSSI值越大，表示信号强度越强，接近0的RSSI值表示非常好的信号强度，而接近于-100的RSSI值表示非常弱的信号强度。在某些情况下，如果使用的是其他类型的无线技术或者有特殊配置，RSSI值可能会是正数。但对于大多数情况下，尤其是WiFi和蓝牙等常见的无线通信，RSSI值通常是负数。
  • bssid：Wi-Fi的MAC地址

参考

（1）乐鑫官方文档：ESP32-S3 Wi-Fi station 一般情况
（2）B站：WIFI扫描 - 乐鑫 ESP32 物联网开发框架 ESP-IDF 开发入门 - 孤独的二进制出品
（3）飞书：【立创·实战派ESP32-C3】开发板文档教程

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