Viet Dev

Cover image for ESP8266 - Các chế độ cấu hình WiFi
Tuan for Unicloud Group

Posted on

ESP8266 - Các chế độ cấu hình WiFi

ESP8266 - Các chế độ cấu hình WiFi

Thông thường, khi bắt đầu kết nối wifi cho ESP8266, ta phải cấu hình cho
thiết bị các thông số của Access Point cũng như SSID và password nếu
mạng wifi được thiết lập các bảo mật như WEP/WPA/WPA2. Tuy nhiên, các
ứng dụng nhúng sử dụng Wi-fi thường ít chú trọng đến giao diện người
dùng (user interface), không có bàn phím hay touchscreen,.. để giao
tiếp. Vì thế, mỗi khi muốn kết nối thiết bị ESP với một Access Point nào
đó, bạn cần phải có một máy tính đã cài đặt sẵn phần mềm biên dịch, tiếp
theo là viết code cấu hình lại thông số wifi cho thiết bị, sau đó nạp
code cho thiết bị thông qua một cable USB.

Điều này làm cho việc kết nối wifi trở nên khá bất tiện và phức tạp. Do
vậy ESP8266 cung cấp các phương pháp thay thế khác giúp đơn giản hóa
việc kết nối trạm ESP (chế độ Station) với một điểm truy cập. Đó là kết
nối bằng SmartConfig, WPS hay Wifi Manager.

Smartconfig

Kiến thức

SmartConfig là một giao thức được tạo ra nhằm cấu hình cho các thiết bị
kết nối với mạng WiFi một cách dễ dàng nhất bằng smart phone. Nói một
cách đơn giản, để kết nối WiFi cho thiết bị ESP8266, ta chỉ cần cung cấp
thông tin mạng wifi (bao gồm SSID và password) cho ESP thông qua 1 ứng
dụng trên smart phone.

SmartConfig với<br>
ESP8266

Chúng ta nên biết rằng, khi 1 điện thoại thông minh đã kết nối vào mạng
WiFi có mật khẩu, thì toàn bộ dữ liệu trao đổi giữa Điện thoại và đầu
mối khác trong mạng sẽ được mã hóa. Nghĩa là các thiết bị chưa được kết
nối mạng và không có mật khẩu thì không thể giải mã được dữ liệu. Vậy
làm thế nào để Ứng dụng trên điện thoại gởi thông tin kết nối này đến 1
thiết bị khác chưa hề kết nối mạng. Để làm được điều này, thì nhờ vào 2
đặc điểm sau:

  • ESP8266 có khả năng lắng nghe tất cả các gói tin không dây WiFi
    xung quanh nó, bao gồm cả các gói tin đã được mã hóa.

  • Các gói tin gởi trong mạng WiFi được mã hóa và không thể đọc được
    nội dung, tuy nhiên độ dài gói tin là một hằng số. Ví dụ, gói tin A
    chưa mã hóa có chiều dài là x, khi mã hóa gói tin A thành gói tin
    B, thì gói tin B sẽ có chiều dài là x + n, thì n là hằng số.

Cách thức để giao thức ESPTOUCH thực hiện việc gởi thông tin SSID và mật
khầu cho thiết bị như sau:

  • ESP8266 sẽ vào chế độ lắng nghe, lần lượt từng kênh.

  • Điện thoại phải kết nối vào mạng WiFi được mã hóa.

  • Ứng dụng trên điện thoại sẽ tiến hành gởi các gói tin với nội dung
    bất kỳ, nhưng có độ dài n theo từng ký tự của SSID và mật khẩu.
    Ví dụ, ssid của mạng là mynetwork thì sẽ có ký tự m, với ký tự
    ascii = 109, Ứng dụng sẽ gởi gói tin có độ dài 109 với nội dung bất
    kỳ, và lặp lại cho đến hết ký tự k, cũng như mật khẩu, và các ký
    tự khác như CRC.

  • Có thể giao thức ESPTOUCH sẽ mã hóa cả các thông số gởi đi, nhưng
    vẫn giữ nguyên tắc như trên.

  • ESP8266 sẽ phát hiện ra các gói tin với độ dài thay đổi này và ghép
    nối lại thành SSIDpassword để kêt nối vào mạng.

  • Khi ESP8266 kết nối thành công đến mạng, ESP8266 sẽ kết nối đến IP
    của Điện thoại, được cung cấp thông qua ESPTOUCH, và gởi thông tin
    kết nối thành công đến ứng dụng trên điện thoại.

Gói tin<br>
UDP

Lưu ý:

  • Khoảng cách giữa thiết bị và router càng xa thì thời gian kết nối sẽ
    càng lâu.

  • Nếu thiết bị không thể kết nối với router trong khoảng thời gian quy
    định thì ứng dụng sẽ trả về thông báo cấu hình thất bại. Người dùng
    có thể cài đặt thời gian timeout này thông qua lệnh
    esptouch_set_timeout(uint8 time_s)

  • Trong quá trình cấu hình kết nối thiết bị bằng SmartConfig, thiết bị
    phải được cài đặt ở chế độ Station.

  • Người dùng có thể cấu hình cho nhiều thiết bị kết nối chung vào một
    router cùng lúc.

  • ESP Touch hiện nay hỗ trợ đối với Access Point chuẩn 802.11n 2.4Ghz

Thực hiện SmartConfig với ESP8266

Trong ví dụ dưới đây, chúng ta sẽ tiến hành kết nối wifi cho board
ESP8266 bằng SmartConfig. Sử dụng ứng dụng ESP8266 SmartConfig
(Android). Bạn có thể dễ dàng tìm thấy ứng dụng này cũng như các ứng
dụng tương tự trên Play Store (Android) hay iTunes (iOS) để thực hiện
việc kết nối bằng SmartConfig này.

Trước tiên, ta sẽ nạp chương trình cho ESP8266. Điểm mấu chốt trong
chương trình này chính là hàm WiFi.beginSmartConfig() được cung cấp
trong thư viện ESP8266WiFi. Hàm này cho phép thiết bị khởi động chế độ
SmartConfig, thu thập các thông tin từ các gói tin và giải mã chúng để
có thể kết nối vào mạng Wifi.

Sau khi nạp xong chương trình, ta nhấn giữ button (GPIO0) trong 3s để
thiết bị đi vào chế độ smartconfig. (Lúc này bạn sẽ thấy led trên board
nhấp nháy nhanh hơn). Dùng smart phone của bạn truy cập vào wifi muốn
kết nối, sau đó mở ứng dụng smartconfig và nhập các thông tin SSID và
PASSWORD (nếu có) của wifi. Nhấn CONFIRM để xác nhận.

Code

#include <Arduino.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <Ticker.h>
#include <time.h>

#define PIN_LED 16
#define PIN_BUTTON 0

#define LED_ON() digitalWrite(PIN_LED, HIGH)
#define LED_OFF() digitalWrite(PIN_LED, LOW)
#define LED_TOGGLE() digitalWrite(PIN_LED, digitalRead(PIN_LED) ^ 0x01)

Ticker ticker;

/* Hàm kiểm tra trạng thái của button*/
bool longPress()
{
  static int lastPress = 0;
  if (millis() - lastPress > 3000 && digitalRead(PIN_BUTTON) == 0) { // Nếu button được nhấn và giữ trong 3s thì
    return true;
  } else if (digitalRead(PIN_BUTTON) == 1) {                         // Nếu button không được nhấn và giữ đủ 3s thì
    lastPress = millis();                                            // gán biến lastPress bằng thời điểm khi gọi hàm
  }
  return false;
}

void tick()
{
  int state = digitalRead(PIN_LED); // Lấy trạng thái hiện tại của LED (GPIO16)
  digitalWrite(PIN_LED, !state);    // Đảo trạng thái LED.
}

bool in_smartconfig = false;        // Biến trạng thái kiểm tra thiết bị có đang trong chế độ smartconfig hay không.

/* Vào chế độ Smartconfig*/
void enter_smartconfig()
{
  if (in_smartconfig == false) {    // Kiểm tra tra biến trạng thái, nếu không ở chế độ smartconfig thì
    in_smartconfig = true;          // Gán biến trạng thái bằng "true", nghĩa là đang trong smartconfig
    ticker.attach(0.1, tick);       // Nhấp nháy led chu kì 0.1s.
    WiFi.mode(WIFI_STA);            // Thiết lập kết nối cho thiết bị ở chế độ Station mode
    WiFi.beginSmartConfig();        // Bắt đầu chế độ smartconfig
    Serial.println("Enter smartconfig");  // In thông báo "Enter smartconfig" ra màn hình
  }
}

/* Thoát chế độ smartconfig*/
void exit_smart()
{
  ticker.detach();                // Ngừng nháy led
  LED_ON();                       // Bật LED
  in_smartconfig = false;         // Gán biến trạng thái trở về ban đầu.
  Serial.println("Connected, Exit smartconfig");  // In thông báo ra màn hình.
}

/* Cài đặt các thông số ban đầu*/
void setup() {
  Serial.begin(115200);           // Tốc độ baud = 115200
  Serial.setDebugOutput(true);    // hiển thị các thông tin debug hệ thống lên màn hình qua serial

  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);       // Cấu hình GPIO cho các chân LED và button
  pinMode(PIN_BUTTON, INPUT);     // Chớp tắt led chu kì 1s
  Serial.println("Setup done");   // In thông báo đã cài đặt xong
}

/* Chương trình chính*/
void loop() {
  if (longPress()) {              // Gọi hàm longPress kiểm tra trạng thái button
    enter_smartconfig();          // Nếu button được nhấn giữ trong 3s thì vào trạng thái smartconfig
  }
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED && in_smartconfig && WiFi.smartConfigDone()) { //Kiểm tra trạng thái kết nối wifi,
                                  // các thông số cấu hình cũng như trạng thái smartconfig
    exit_smart();                 // khi thiết bị đã hết nối wifi thành công, thoát chế độ smartconfig
  }
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    //Chương trình của bạn khi thiết bị đã được kết nối wifi
  }
}
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

Nạp chương trình cho board NodeMCU.

WPS

WPS là gì?

Nếu đã từng cấu hình cho một router wifi, sẽ gặp qua các thuật ngữ WPS
trong các menu cấu hình của router. Hoặc từng nhìn thấy một nút nhấn
trên các router với chữ viết bên cạnh WPS. Vậy WPS là gì ? Quá trình
thực hiện kết nối như thế nào ? Cũng như thực hiện WPS với ESP8266, là
những những nội dung sẽ được nói đến ở phần này.

WPS là từ viết tắc của Wifi Protected Setup, một phương thức giúp việc
kết nối với mạng không dây giữa router và thiết bị kết nối không dây một
cách nhanh chóng và dễ dàng, thay vì làm một cách thủ công: tìm mạng
wifi cần kết nối và nhập mật khẩu để vào mạng wifi. WPS chỉ hoạt động
khi cả hai thiết bị là router và thiết bị cần kết nối đến router có hổ
trợ chuẩn bảo mật cá nhân WPA/WPA2.

WPS có ba chế độ hoạt động : chế độ kết nối với mã PIN, chế độ kết nối
bằng nút nhấn, và chế độ kết nối NFC - Near Field Communication (chưa
phổ biến). Một trong những chế độ phổ biến và sẽ thực hiện trong phần
này là chế độ kết nối bằng nút nhấn.

Ở chế độ kết nối bằng nút nhấn, điều trước tiên cần thực hiện :

  • Nhấn nút WPS trên router, để giúp router vào chế độ bảo mật đặc
    biệt, ở chế độ này router sẽ cho phép các yêu cầu kết nối đến router
    từ các thiết bị WPS (các thiết bị có hổ trợ WPS).

  • Tiếp theo là nhấn nút nhấn ở thiết bị WPS. Nút nhấn này giúp thiết
    bị WPS kết nối đến router, việc kết nối này có thể thất bại nếu quá
    thời gian. Thời gian này được nhà sản xuất các thiết bị hổ trợ chế
    độ này quy đinh, khoảng từ 1 phút đến 5 phút.

Nút nhấn WPS trên<br>
router

Thực hiện WPS với ESP8266

ESP8266 hổ trợ hàm WiFi.beginWPSConfig() trong thư viện ESP8266WiFi.
Với hàm này giúp ESP8266 vào chế độ cấu hình với WPS và kết nối đến mạng
wifi của router. Ví dụ này ESP8266 sẽ được đưa sẳn vào chế độ WPS, mà
không cần thêm nút nhấn nào.

- WPS chỉ có thể thực hiện khi ESP8266 ở chế độ STA (Station)
- Router phải ở trong chế độ WPS trước
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

Code

#include <ESP8266WiFi.h>

void setup()
{
  // Cài đặt các thông số ban đầu
  Serial.begin(115200);
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  // Kết nối với AP cũ đã vào trước đó, SSID và password được lưu trong bộ nhớ flash của thiết bị
  WiFi.begin("", "");
  delay(4000);

  // Kiểm tra xem wifi đã được kết nối chưa, nếu chưa, bắt đầu kết nối bằng WPS
  // Lưu ý, cần phải đảm bảo rằng Router của bạn đang ở trong trạng thái WPS.
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)
  {
    Serial.println("\nAttempting connection ...");
    WiFi.beginWPSConfig();
    delay(6000);
  }
  // Khi kết nối thành công, in thông báo ra màn hình cùng với các thông số của Wifi vừa kết nối.
  Serial.println("\nConnection already established.");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  Serial.println(WiFi.SSID());
  Serial.println(WiFi.macAddress());
}

void loop()
{
  // chương trình chính
}
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

Nạp chương trình cho board NodeMCU.

Wifi Manager

WifiManager là một thư viện cấu hình ESP8266 kết nối vào mạng WiFi cục
bộ sử dụng giao diện Web. Bằng cách khởi động 1 mạng WiFi riêng với
Captive Portal, ESP8266 sẽ cho phép các thiết bị khác như máy tính, điện
thoại thông minh kết nối vào, đồng thời chuyển hướng mọi kết nối đến
giao diện Web do ESP8266 tạo nên. Trên giao diện này, sẽ cung cấp các
trường để người dùng có thể dễ dàng quét mạng xung quanh, chọn mạng
WiFi, nhập mật khẩu, lưu cấu hình.

Hoạt động cơ bản WifiManager

  • Khi ESP8266 khởi động, ESP8266 sẽ vào chế độ STATION và sẽ tự động
    kết nối đến một Access Point với các thông tin kết nối đã được lưu
    vào ESP8266 ở lần kết nối thành công trước đó.

  • Nếu như kết nối không thành công (có thể là Access Point lần trước
    không còn nữa, hay sai mật khẩu, hoặc chưa có thông tin của bất cứ
    Access Point nào trong ESP8266 ), lúc này ESP8266 sẽ vào chế độ AP
    với một DNS trỏ về chính nó (có thể thiết lập DNS trỏ về địa chỉ
    khác) và khởi động Web Server (với địa chỉ mặc định là 192.168.4.1)

  • Sử dụng các thiết bị có hổ trợ wifi, và có trình duyệt web (điện
    thoại thông minh, laptop, máy tính bảng…​) để kết nối đến AP của
    ESP8266 vừa mới tạo ra. Có thể thấy một giao diện (với tên AP của
    ESP8266 là mặc định và không cài đặt mật khẩu cho ESP8266 AP) tương
    tự như sau :

kết nối bằng wifi<br>
manager

Giao diện wifi<br>
manager

  • Sau khi vào được giao diện option của ESP8266 AP ở địa chỉ 192.168.4.1, chọn mục cấu hình cho wifi cho ESP8266 (như ví dụ trên là Configure WiFi hoặc Configure WiFi (No Scan)), có thể sẽ thấy giao diện tiếp theo tương tự như sau :

Kết nối bằng wifi<br>
manager

  • Chọn mạng wifi cần kết nối và nhập mật khẩu để vào wifi.

  • Nếu ESP8266 kết nối thành công, ta sẽ không thấy tên của ESP8266 AP
    nữa. Nếu chưa thành công thì chỉ cần kết nối lại ESP8266 AP và cấu
    hình lại.

Chuẩn bị

Code

#include <ESP8266WiFi.h>          //https://github.com/esp8266/Arduino

//các thư viện cần thiết
#include <DNSServer.h>
#include <ESP8266WebServer.h>
#include "WiFiManager.h"          //https://github.com/tzapu/WiFiManager

void configModeCallback (WiFiManager *myWiFiManager)
{
  Serial.println("Entered config mode");
  Serial.println(WiFi.softAPIP());
  Serial.println(myWiFiManager->getConfigPortalSSID());
}

  // Cài đặt thông số ban đầu
void setup()
{
  Serial.begin(115200);

  //Khai báo wifiManager thuộc class WiFiManager, được quy định trong file WiFiManager.h
  WiFiManager wifiManager;
  //có thểreset các cài đặt cũ bằng cách gọi hàm:
  //wifiManager.resetSettings();

  //Cài đặt callback, khi kết nối với wifi cũ thất bại, thiết bị sẽ gọi hàm callback
  //và khởi động chế độ AP với SSID được cài tự động là "ESP+chipID"
  wifiManager.setAPCallback(configModeCallback);
  if (!wifiManager.autoConnect())
  {
    Serial.println("failed to connect and hit timeout");
  //Nếu kết nối thất bại, thử kết nối lại bằng cách reset thiết bị
    ESP.reset();
    delay(1000);
  }
  //Nếu kết nối wifi thành công, in thông báo ra màn hình
  Serial.println("connected...yeey :)");

}

void loop()
{
  // Chương trình chính
}
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

Nạp chương trình cho board NodeMCU.

Mở rộng

Ngoài các chế độ cơ bản, thì thư viện WiFiManager còn nhiều tính năng
hữu ích khác như startConfigPortal để khởi động cấu hình khi cần (ví
dụ nhấn nút để cấu hình), bổ sung các trường tùy chọn trên giao diện
Web, tùy chọn lại giao diện …​

Các thông tin API và ví dụ bạn có thể dễ dàng tìm thấy tại
github.com/tzapu/WiFiManager

Tổng kết

Để triển khai một ứng dụng IoT thực tế thì đòi hỏi rất nhiều vấn đề, một
trong số những điều quan trọng là dễ dùng, dễ cấu hình cho người sử dụng
và phải bảo mật trong quá trình cung cấp thông tin cho thiết bị. Tùy
thuộc vào nhu cầu phát triển sản phẩm và tính năng của sản phẩm mà bạn
có thể lựa chọn cho mình phương pháp cấu hình phù hợp. Ví dụ, nếu thiết
bị có nút nhấn và có phần mềm trên điện thoại, thì SmartConfig và WPS là
một sự lựa chọn. Nếu là 1 bóng đèn trống trơn không có gì cả, thì
WiFiManager lại hữu hiệu.

Oldest comments (0)