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智能硬件Wi-Fi 1秒配网的技术大揭秘-氦氪云技术连载

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发表于 2015-11-4 10:09:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 氦氪空间 于 2015-11-4 10:11 编辑

(物联网技术干货连载长文,亮点在最后,需要耐心看完)
自从物联网问世以来,如何使得物能够联网,有了很多的方式,目前运用非常广的是Wi-Fi,今天在这个方面抛砖引玉。在不能修改传统硬件设备外观的情况下,要让设备的Wi-Fi模块连接路由器通常有2种形式:
1. smartconfig (Wi-Fi一键配网)
2. AP 软路由模式

首先说明一下,因为在使用时有3个设备:
1. 路由器(R)
2. 手机APP(A)
3. 智能硬件家电设备(D)

我们需要通过手机APP (A)把家里面的路由器(R)密码和SSID发送给智能硬件(D),然后让智能硬件能够连接路由器(R),才能上网被所谓的云端控制管理。

最古老的一种方式是 AP软路由模式,就是让智能硬件(D),把自己变成路由器,类似iphone里面开启热点功能一样,这样用户手机APP(A)就可以直接连接智能硬件(D),连接了之后当然就是往智能硬件上面发送家里面路由器(R)的SSID和密码了。
但是这个过程中在APP上面操作是比较繁琐的,特别是苹果的IOS系统,因为它不允许调用系统API进行 Wi-Fi 切换,所以必须要用户切换到设置界面进行切换。
而安卓系统稍微好一点,安卓系统可以通过调用系统API进行切换。
所以这个过程通常需要3步:
1、切换Wi-Fi到智能硬件的AP热点
2、选择上级路由器的SSID 并填写好密码提交
3、切换回原来的路由器上面。

后来,TI发掘出了一种私密通讯技术,最早叫smartconfig,打破了上述繁琐的配置方式,让APP只需要填写好路由器密码即可连接上,后来又有公司移植到其他的模块芯片上面,笔者2014年初的时候还见到过广东有这样的公司卖SDK,一个要卖10W,真心坑。

OK 接下来咱们解说一下这个smartconfig就是所谓的一键配置到底是什么鬼?速度比AP模式快,为什么呢?

所谓的smartconfig就是首先WI-FI硬件模组会进入混杂模式,什么是混杂模式?这里先不说;先说一下Wi-Fi,Wi-Fi是无线网,无线数据是在空中传播的,也就是说咱们也可以接收所有的无线数据(当然接收了不一定能够看得到,因为有加密嘛)。
扯回来说一下这个混杂模式,混杂模式就是让硬件模组把所有的WIFI数据都接收回来。


好了,接收回来之后但是数据加密了看不了怎么办?嗯~!凉拌!
因此,TI的工程师们找啊找,发现在加密的空中(Wi-Fi)数据里面,也有内容是明文的,那就是数据包的长度;那么好了,长度是明文的,他们就想到一个奇技淫巧,把路由器密码和SSID编码在长度里面,而且打一个标记;
那么硬件模组只需要进入混杂模式,接收回来的数据发现这个标记的话就做解码动作,获取SSID和密码。

这里有2个谜题,在下文中会一一解答。
谜题1:智能设备连接了路由之后,怎么让手机知道他已经连接路由器了呢?
谜题2:智能设备可以上网连接云端,但是这个设备是谁的呢,怎么知道?

回头说一下现在很火很便宜的ESP8266 芯片:
官方的SDK提供3种连接方式,smartconfig  esptouch 微信airkiss
   
(1)smartconfig 采用UDP广播模式(UDP接收IP地址是255.255.255.255),esp8266先scan 下AP ,得到AP的相关信息,如工作的channel ,然后配置wifi芯片工作在刚才scan到的channel上去接收UDP包,如果没有接收到,继续配置ESP8266工作在另外的channel上,如此循环,直到收到UDP包为止,为什么要提前进行SCAN 下WIFI AP呢?就是为了提高配置效率。假设当前网络中只有两个AP,一个AP工作在CHANEL1,另外个ap工作在channel13,我们现在需要配置智能硬件连接到AP2,就是channel13上,如果不提前scan就需要从1--13轮询扫描,比较浪费时间。如果扫描了AP,芯片只需在channel1和channel13两个通道扫描,可加快获取到UDP包;
(2)
esptouch 采用UDP组播模式(UDP接收IP地址是234.1.1.1, 234.2.2.2,234.3.3.3 to 234.100.100.100
UDP广播模式跟组播的差异就不用说了,这是基本的TCP/IP东西,如果从安全角度看 UDP组播会安全点,当然目前 这方面还不需要考虑。
(3)airkiss呢?嘿嘿 微信的东西,自己去抓包研究一下,反正也不难,不过可惜不开放,无法直接使用。

而氦氪是一家有梦想有技术的公司,我们优先考虑客户的利益,我们考虑如果采用airkiss会被微信限制,如果采用esptouch则会被芯片公司自己的方式局限,smartconfig每家实现方式多多少少都不一样,这样使用smartconfig的企业会各种踩坑,因此氦氪推出了一种自己的配网方式hekrconfig,速度快的同时并且完全开放源代码给合作的企业。
高潮来了~!首先讲讲如何速度快?过往的配网方式是把数据编码在长度里面,而氦氪家的hekrconfig是另外一种方式,把数据编码在UDP数据包的地址中,不需要从众多的数据包中逐个逐个解码长度做判断,而是可以通过MAC地址过滤直接精准获取数据后直接解码,因此可以达到1秒内完成SSID和密码的传输
氦氪开源资料可以到github中查看:github.com/HEKR-Cloud/

还没完呢,干货再来了,记得上面的谜题1么?咱们来做一下解答,智能设备连接了路由器之后,怎么通知手机我已经完成了wifi配置?目前airkiss和esptouch的做法是:发一个广播包,如果手机收到了回复的广播包之后,就认为设备已经配网成功。
那谜题2呢?目前一般厂家的做法是做一个二维码(京东微连,微信等),然后让手机APP扫描二维码,APP告诉云端"那个设备是我的",然后云端做设备和用户之间的绑定,二维码里面就是设备的唯一ID,每个设备都不一样,这个扫码绑定看这很屌,但是他们完全想不到中小厂家生产之中的如何如何的麻烦,需要把设备的二维码打印出来,一个一个贴,成本提高了,出错也多了,如果一个标签贴错了会导致用户永远无法使用该设备,一个错了后面一批次产品都会出错,后果严重!

那么我们来讨论一下氦氪家是如何解决这样的问题的,再次强调一下,氦氪是物联网中的苹果和谷歌:苹果的理念,软硬结合;谷歌的技术,开放前沿。
干货来了,在标准的wifi配网完成之后,APP会给智能设备发送一个用户标识,告诉智能设备你是哪个用户的,你连接云端之后就是某个用户的所有资产,然后设备连接云端同时会带上加密的用户标识符。因此不需要扫码,对,就这么简单!
下面可以看几个配网速度测评视频:
    hekr-config配网5秒,外加设置用户标识0.5秒,总体5.5秒
     airkiss配网12秒多
     esptouch配网13秒
     以上测评均为同一个路由器,连接路由器时间大概3~5秒右,因为在发广播包的时候路由器压力导致连接会变慢。
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