1 背景介绍

物联网时代,各种各样的智能物联网设备正走进我们我们的生活,智能门锁、摄像头、猫眼门铃、扫地机、智能音箱、空气净化器、体脂秤等等。

 

这些物联网设备都有一个共同的特征,就是可以联网,通过配套的手机APP,可以实现对设备的监控和操作。

 

比如家用的无线监控摄像头,通过对应的手机APP可以实现视频的实时查看,以及反过来对摄像头的角度旋转控制。当然,要想使用这些功能,首先需要将买来的摄像头进行联网,也就是连接到自家的Wi-Fi路由器中,通过路由器连接互联网(细化的是指该设备对应的物联网云服务器,或称云平台)。

 

那这些物联网设备,具体是通过怎样的方式连接到Wi-Fi路由器上的呢?

 

2 Wi-Fi基础知识

 

2.1 STA模式与AP模式

首先介绍Wi-Fi的两种工作模式:STA模式与AP模式。

  • STA模式:Station,即Wi-FI工作在无线终端模式,通过连接AP热点连接到网络AP模式:Access Point,即Wi-Fi工作在热点模式,其它设备可以连接到此节点(AP热点)

 

怎么理解这两种模式呢,如下图,家里的Wi-Fi路由器,它的Wi-Fi就工作在AP模式,它就是一个无线热点,其它的设备,如无线摄像头,以及家里的电视、空调都要连接到这个路由器中,这些 “其它设备” ,连接路由器靠的也是自己的Wi-Fi,但这些联网设备的Wi-Fi通常工作于STA模式,也就是作为一个无线终端。

 

不过,这些 “其它设备” 不是始终工作在STA模式的,比无线摄像头,在刚买回来需要进行Wi-Fi配网时,它的Wi-Fi就会先工作于AP模式,即这个摄像头是一个无线热点,如下图,我们的手机可以连接到这个热点,可以给它发送家里的路由器的Wi-Fi名称与密码,这样摄像头就能实现联网了,即实现了设备的Wi-Fi配网。当然,这只是其中一种配网方式,还有许多其它方式可以实现物联网设备的Wi-Fi配网。

 

2.2 专业名词介绍

在正式介绍各种Wi-Fi配网方式之前,还需要了解一些其它名称,下面先列举一些本篇需要用到的名词:

Wi-Fi路由器:即家庭中常用的Wi-Fi路由器,家中的设备可共同连接到此节点形成局域网

SSID:Wi-Fi名称,其本意是Service Set Identifier,服务集标识

password:Wi-Fi密码

物联网设备:可以连接网络的智能设备,如智能音箱,智能插座,网络摄像头

待配网设备:物联网设备刚开箱或恢复了出厂设置,需要配网

已配网设备:已经连接Wi-FI的物联网设备

手机APP:即智能手机,通过安装物联网设备对应的APP软件,来更方便地使用设备

物联网平台:用于管理物联网设备的云端服务器

Wi-Fi模块:物联网设备上的Wi-Fi电子模块,用于连接互联网

 

3 物联网设备Wi-Fi配网方案

目前,有多种多样的配网方案,下面以无线网络摄像头这个物联网设备为例,讲解各种配网方式的基本工作原理。

 

3.1 设备热点配网

设备热点配网(dev-ap-config),是一种比较常用的配网方式,该方式在配网时,先让待配网的设备处于AP模式,让手机连接到此设备上,然后通过手机将配网设备发送给设备,然后设备就可以切换到STA模式,连接Wi-Fi路由器了。其具体的配网过程如下:

 

  • 待配网设备端的Wi-Fi模块首先工作在AP配网模式(如按下设备的配网键,设备进入配网模式),开启一个约定名称的AP热点。手机APP端扫描设备机身的二维码,获得设备ProductKey,并将手机连接到设备建立的热点中。连接建立后,即手机与设备建立了一个局域网。手机通过某种方式(如TCP或UDP传输)将Wi-Fi路由器的配网信息(SSID/password)发送给设备。设备得到配网信息后,切换到STA模式,即可连接到Wi-Fi。

 

将以上配网过程,画成时间序列图,则用户、APP、物联网设备、路由器这四者的交互关系为:

 

3.2 手机热点配网

手机热点配网(phone-ap-config),是设备热点配网的一个变种,热点不再由设备创建,而是由手机创建。其具体的配网过程如下:

  • 手机APP端启动一个预定义热点(如热点名为abc,密码为12345678)。待配网设备先连接到手机热点上,与手机构成一个局域网。手机将Wi-Fi路由器的配网信息(SSID/password)发送给设备端。设备得到配网信息后,断开手机的热点,进入STA模式,连接到Wi-Fi路由器。

 

将以上配网过程,画成时间序列图,则用户、APP、物联网设备、路由器这四者的交互关系为:

 

3.3 蓝牙配网

蓝牙配网(ble-config),这种方式与热点配网类似,它用BLE(低功耗蓝牙)替代了设备端或APP端的热点进行配网信息传输,当然这种方式就要求设备端和APP都支持BLE。其具体的配网过程如下:

 

  • 手机APP通过蓝牙连接到待配网的设备。手机通过BLE将Wi-Fi路由器的配网信息(SSID/password)发送给设备端。设备得到配网信息后,进入STA模式,即可连接到Wi-Fi。

 

将以上配网过程,画成时间序列图,则用户、APP、物联网设备、路由器这四者的交互关系为:

 

3.4 零配配网

零配配网(zero-config),这种方式不需要用户在手机APP端输入配网信息,而是利用已配网的设备对待配网的设备进行配网。该方式利用待配设备和主配设备的高权限优势的配网,直接使用802.11的管理帧(probe request/response)携带配网信息,从而实现高效配网(这种方式要求主配和待配设备的应用程序都能发送和接收802.11管理帧)。该方式的具体的配网过程如下:

 

  • 待配网设备向主配设备发送配网请求。已连接Wi-Fi的主配设备向物联网平台上报新设备。物联网平台向手机APP获取待配网设备的信息。手机APP将待配网设备的信息发送给平台。平台向已连接Wi-Fi设备下发对新设备的配网许可。已连接Wi-Fi的设备向待配网设备推送Wi-Fi的配网信息(SSID/password)。待配网设备进入STA模式,连接到Wi-Fi。

 

 

将以上配网过程,画成时间序列图,则用户、APP、物联网设备(主配+待配)、路由器、物联网云平台这六者的交互关系为:

3.5 一键配网

一键配网(smart-config),该方式只需要用户在APP中输入Wi-Fi配网信息即可,手机通过广播发送配网信息,待配网设备通过监听获取配网信息。其具体的配网过程如下:

 

  • 用户在手机APP上输入配网信息,手机将配网信息广播出去。待配网设备进入sniffer模式(混杂模式,即不过滤数据报文),监听环境中所有的802.11报文,设备需要在所支持的信道(通常1-13)上轮询监听(因设备不知道手机和路由器的信道)。待配网设备捕获到符合配网规则的数据报文后停止信道轮询,尝试在在此信道上接收完成所有报文。若当前的信道接收失败或超时重新回到sniffer模式进行监听。待配网设备在数据报文接收成功后关闭sniffer模式,开启STA模式即可连接到Wi-Fi。

 

将以上配网过程,画成时间序列图,则用户、APP、物联网设备、路由器这四者的交互关系为:

 

3.6 路由器配网

路由器配网(router-config),该方式的基本思路是,路由器在配网模式下开启一个特定的用于配网的热点,设备扫描到该热点后连接该热点,获取配网信息,然后路由器切换到常规热点,设备连接此常规热点实现联网:

 

用户按下设备的配网按钮,设备进入混杂模式,扫描周围热点。

用户按下路由器的配网按钮,路由器开启特定的热点。

设备先连接到这个路由器的特定热点,获取配网信息。

路由器再切换到常规热点。

设备即可连接到Wi-Fi的常规热点。

将以上配网过程,画成时间序列图,则用户、路由器、物联网设备这三者的交互关系为:

3.7 扫码配网

摄像头扫码配网(webcam-config),该方式需要待配网设备自带摄像头并具备二维码解码能力。

用户按下设备的配网按钮,设备进入配网模式,准备扫描二维码。

用户通过手机APP生成携带配网信息的二维码。

设备的摄像头扫描APP生成的二维码,解码出配网信息。

设备开启STA模式即可连接到Wi-Fi。

将以上配网过程,画成时间序列图,则用户、APP、物联网设备、路由器这四者的交互关系为:

4 总结归纳

本篇主要介绍了物联网设备的Wi-Fi配网方式,概括起来这几种方式的特点可以由这个表来表示:

 

配网方式 配网信息交互方式 特殊要求 成功率 通用性
设备热点配网 AP-STA链路通信 -
手机热点配网 AP-STA链路通信 -
蓝牙配网 BLE通信 设备要支持BLE
零配配网 管理帧广播 需要另外的主配设备
一键配网 手机广播 -
路由器配网 路由器广播 需要定制的路由器
扫码配网 二维码数据解析 设备要有能扫二维码的摄像头