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想象一下，在一些智能家居场合或者工业控制场合，如果需要在很多设备之间满足两两可以互联互通的通信要求，你有什么比较好的通信方案么？当然我们可以用线缆将它们连接在一起，但是这样做不仅距离限制比较多，而且可能需要重新施工布线，成本比较大！
今天的课程，我们将向您介绍 ESP-MESH 组网技术，不仅可以大大降低距离的限制，而且可以方便地实现多设备之间互联互通的要求，在实现难度上也会大大降低。
ESP-MESH 简介
ESP-MESH 是一套建立在 Wi-Fi 协议之上的网络协议。ESP-MESH 允许分布在大范围区域内（室内和室外）的大量设备（下文称节点）在同一个 WLAN（无线局域网）中相互连接。ESP-MESH 具有自组网和自修复的特性，也就是说 mesh 网络可以自主地构建和维护。
传统基础设施 Wi-Fi 网络是一个“单点对多点”的网络。这种网络架构的中心节点为接入点 (AP)，其他节点 (Station) 均与 AP 直接相连。其中，AP 负责各个 Station 之间的仲裁和转发，一些 AP 还会通过路由器与外部 IP 网络交换数据。在传统 Wi-Fi 网络架构中，1）由于所有 Station 均需与 AP 直接相连，不能距离 AP 太远，因此覆盖区域相对有限；2）受到 AP 容量的限制，因此网络中允许的 station 数量相对有限，很容易超载。
ESP-MESH 与传统 Wi-Fi 网络的不同之处在于：网络中的节点不需要连接到中心节点，而是可以与相邻节点连接。各节点均负责相连节点的数据中继。由于无需受限于距离中心节点的位置，所有节点仍可互连，因此 ESP-MESH 网络的覆盖区域更广。类似地，由于不再受限于中心节点的容量限制，ESP-MESH 允许更多节点接入，也不易于超载。
准备工作
我们使用 Arduino 软件来编写本项目的程序，使用 ESP32 与 ESP8266 开发板。至于如何在 Arduino 中配置 ESP32 与 ESP8266 的开发环境，请查看 ESP32 概述与 Arduino 软件准备章节。
要完成本课程的项目，需准备如下材料：
- ESP32 主控板 × 2；
- ESP8266 主控板 × 1；
- LED 灯 × 1；
- 人体红外传感器 × 1；
- DHT11 温湿度传感器 × 1；
安装 painlessMesh 库
要在 Arduino IDE 中使用 ESP-MESH，我们需要先安装一个库来支持 ESP-MESH 组网程序的编写，这个库的名称就是：painlessMesh。根据这个库的官方介绍，这个库可以简化 ESP-MESH 的程序编写，让你更加专注于功能的实现，而不必关心 ESP-MESH 网络架设与管理的细节。
painlessMesh is a library that takes care of the particulars of creating a simple mesh network using esp8266 and esp32 hardware. The goal is to allow the programmer to work with a mesh network without having to worry about how the network is structured or managed.
安装这个库也很简单，只需要打开 Arduino 软件的库管理器，搜索 painlessMesh，即可选择对应的版本进行安装。这里推荐安装最新版。
在安装 painlessMesh 库的时候，如果提示你需要安装其他依赖库，选择同意安装全部库就行。
安装完库，就可以开始 ESP-MESH 组网编程了。
ESP-MESH 基础讲解
先打开 painlessMesh 库的基础示例：basic.ino 程序，来了解一下这个库的基本使用方法。basic 示例程序路径如下：Arduino IDE → 文件 → Painless Mesh → basic，如下图所示。
basic.ino 程序如下：
#include "painlessMesh.h"
#define MESH_PREFIX "whateverYouLike"
#define MESH_PASSWORD "somethingSneaky"
#define MESH_PORT 5555
painlessMesh mesh;
Scheduler userScheduler;
void sendMessage();
Task taskSendMessage( TASK_SECOND * 1 , TASK_FOREVER, &sendMessage );
void sendMessage() {
String msg = "Hello from node ";
msg += mesh.getNodeId();
mesh.sendBroadcast( msg );
taskSendMessage.setInterval( random( TASK_SECOND * 1, TASK_SECOND * 5 ));
}
void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) {
Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str());
}
void newConnectionCallback(uint32_t nodeId) {
Serial.printf("--> startHere: New Connection, nodeId = %u\n", nodeId);
}
void changedConnectionCallback() {
Serial.printf("Changed connections\n");
}
void nodeTimeAdjustedCallback(int32_t offset) {
Serial.printf("Adjusted time %u. Offset = %d\n", mesh.getNodeTime(),offset);
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
mesh.setDebugMsgTypes( ERROR | STARTUP );
mesh.init( MESH_PREFIX, MESH_PASSWORD, &userScheduler, MESH_PORT );
mesh.onReceive(&receivedCallback);
mesh.onNewConnection(&newConnectionCallback);
mesh.onChangedConnections(&changedConnectionCallback);
mesh.onNodeTimeAdjusted(&nodeTimeAdjustedCallback);
userScheduler.addTask( taskSendMessage );
taskSendMessage.enable();
}
void loop() {
mesh.update();
}
程序只有短短 50 几行，可见要实现 ESP-MESH 组网非常简单。接下来我们对这个程序进行讲解。
MESH 鉴权信息
首先在程序的开头，我们引入了 painlessMesh 这个库，以便后续程序可以使用这个库的相关功能：
#include "painlessMesh.h"
接着对 ESP-MESH 组网的一些鉴权信息进行设定，以便具有相同鉴权信息的设备，可以互相组网。其中，MESH_PREFIX 可以理解为 ESP-MESH 网络的账号，MESH_PASSWORD 则是 ESP-MESH 网络的密码，MESH_PORT 为ESP-MESH 网络的端口号。这 3 个信息可以根据你的需要随便修改，只要互相 MESH 组网的设备之间这 3 个信息相同即可。设置完这些信息之后，就可以实例化一个 mesh 对象，用来处理后续的各种信息收发。
#define MESH_PREFIX "whateverYouLike"
#define MESH_PASSWORD "somethingSneaky"
#define MESH_PORT 5555
painlessMesh mesh;
MESH 设备发送信息
然后实例化一个 Scheduler 任务管理器 userScheduler，帮助ESP- MESH 网络设备调度他们的任务，比如说定时更新传感器相关的信息，然后将数据发送给其他设备等。Scheduler 任务管理也是 painlessMesh 库推荐使用的方式，因为在 ESP-MESH 网络中要尽量避免延时 delay() 相关的代码。实例化 userScheduler 之后，再来创建一个任务 taskSendMessage，并且调用 sendMessage() 函数，这个函数就是负责向其他设备发送信息的。
Scheduler userScheduler;
void sendMessage();
Task taskSendMessage( TASK_SECOND * 1 , TASK_FOREVER, &sendMessage );
sendMessage() 函数的具体内容如下，在这个函数中，实现了向其他节点设备发送了一句打招呼的语句。如果我们要向其他设备发送传感器信息或者数据，只要去修改这个函数中的内容即可。
void sendMessage() {
String msg = "Hello from node ";
msg += mesh.getNodeId();
mesh.sendBroadcast( msg );
taskSendMessage.setInterval( random( TASK_SECOND * 1, TASK_SECOND * 5 ));
}
MESH 网络回调函数
接下来是几个 painlessMesh 库必备的回调函数实现。
receivedCallback() 函数：负责将从其他设备接收到的信息在串口监视器中打印出来；newConnectionCallback() 函数：负责通知有没有新设备接入到 ESP-MESH 网络中；changedConnectionCallback() 函数：负责通知 ESP-MESH 网络连接出现变化，比如有设备离线或有新设备加入等；nodeTimeAdjustedCallback() 函数：负责打印时间同步信息，以确保 ESP-MESH 网络中所有设备的时间是同步的。
void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) {
Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str());
}
void newConnectionCallback(uint32_t nodeId) {
Serial.printf("--> startHere: New Connection, nodeId = %u\n", nodeId);
}
void changedConnectionCallback() {
Serial.printf("Changed connections\n");
}
void nodeTimeAdjustedCallback(int32_t offset) {
Serial.printf("Adjusted time %u. Offset = %d\n", mesh.getNodeTime(),offset);
}
setup() 初始化设置
在 setup() 初始化程序中，先初始化串口，方便后面打印信息。
Serial.begin(115200);
然后是对 ESP-MESH 网络进行相关初始化设置：
- 设置打印的调试信息类型为 ERROR 与 STARTUP 等级；
- 然后根据 MESH_PREFIX、MESH_PASSWORD、userScheduler、MESH_PORT 等信息初始化 MESH 网络；
- 借着分别设置
onReceive（接收到消息时）、onNewConnection（有新的设备连接时）、onChangedConnections（连接的设备发生变化时）、onNodeTimeAdjusted（节点设备时间调整并同步时）的回调函数，用来处理 ESP-MESH 网络事件。
mesh.setDebugMsgTypes( ERROR | STARTUP );
mesh.init( MESH_PREFIX, MESH_PASSWORD, &userScheduler, MESH_PORT );
mesh.onReceive(&receivedCallback);
mesh.onNewConnection(&newConnectionCallback);
mesh.onChangedConnections(&changedConnectionCallback);
mesh.onNodeTimeAdjusted(&nodeTimeAdjustedCallback);
最后在 setup() 中设置定时发送消息任务，以及对任务使能。
userScheduler.addTask( taskSendMessage );
taskSendMessage.enable();
loop() 重复运行
loop() 程序非常简单，只要不断去更新 ESP-MESH 网络即可：
mesh.update();
程序测试
分别将程序上传到 2 块以上的 ESP32 开发板中（或者 ESP8266 开发板也可以），然后分别打开不同的串口监视器，可以看到从其他 ESP-MESH 网络设备上发来的信息，以及一些网络状态变更的信息。
将所有 ESP32（或 ESP8266）设备上电，打开其中一块板子的串口监视器，可以看到从其他不同节点 ID 对应的设备发送过来的消息。
偶尔也会打印出时间同步的消息：
当拔下其中某一块开发板的电源之后，可以看到连接发生变化的消息被打印出来。
当有新的设备上电加入 ESP-MESH 网络时，也可以在串口监视器中看到新设备加入的信息。
这些信息充分说明了 ESP-MESH 具有自组网和自修复的特性，可以自主地构建和维护。
ESP-MESH 智能家居组网实例
上面初步学习了 ESP-MESH 网络的编程，下面我们修改 basic 程序，接入各种传感器，来实现一个简单的智能家居设备组网实例。
假设房间中有 3 套设备：人体感应器（设备 1 或节点 1）、智能灯（设备 2 或 节点 2）、温湿度传感器（设备 3 或节点 3），这 3 套设备安装在房间的不同位置，考虑到设备可以随时移动，所以采用 ESP-MESH 组网的方式，对这 3 套设备进行互联互通，设备之间可以互相首发信息，可以根据读取到的信息，进行相应的控制，比如开关灯等。这 3 套设备的主控芯片为 ESP32 或者 ESP8266。
电路图
这 3 套设备的电路图分别如下：
人体感应器（设备 1 或节点 1）：ESP8266 主控板 GPIO16 引脚连接人体红外感应传感器，用于检测房间内是否有人：
智能灯（设备 2 或 节点 2）：ESP32 主控板 GPIO12 引脚连接 LED 灯，用于控制房间内的智能灯：
温湿度传感器（设备 3 或节点 3）：ESP32 主控板 GPIO33 引脚连接 DHT11 温湿度传感器，用于读取房间内的温湿度信息。
设备 1 程序修改（人体感应）
在前面讲解的 basic 程序的基础之上，我们只需要修改 sendMessage() 函数即可：通过人体红外感应传感器检测房间内是否有人，如果有人的话，发送“Light on”信息，没人的话，发送“Light off”信息给其他设备。
#define PIR_PIN 16
void sendMessage() {
pinMode(PIR_PIN, INPUT);
String msg = "Message from node PIR: ";
if ( digitalRead(PIR_PIN) ) {
msg += "Light on.";
} else {
msg += "Light off.";
}
mesh.sendBroadcast( msg );
}
其余代码不再赘述，完整代码请参考附件 esp_mesh_pir 程序。
设备 2 程序修改（LED 灯控制）
在前面讲解的 basic 程序的基础之上，我们只需要修改 receivedCallback() 函数即可：如果从其他设备中接收到的信息包含“Light on”命令，就打开 LED 灯，否则熄灭 LED 灯。
#define LED_PIN 12
void receivedCallback( uint32_t from, String &msg ) {
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
Serial.printf("startHere: Received from %u msg=%s\n", from, msg.c_str());
if (msg.indexOf("Light on") > 0) {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
} else {
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
}
}
其余代码不再赘述，完整代码请参考附件 esp_mesh_led 程序。
设备 3 程序修改（温湿度读取）
读取 DHT11 温湿度传感器要做一些额外的设置，首先在程序开头引入 DHT 库文件：
#include <DHT.h>
然后对 DHT 温湿度传感器的引脚、类型进行设置：
#define DHTPIN 33
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
在 setup() 中开启传感器：
dht.begin();
最后在前面讲解的 basic 程序的基础之上，需要修改 sendMessage() 函数：定时地将温度和湿度的数据发送给其他设备。
void sendMessage() {
String msg = "Message from node DHT.";
msg = msg + " Temperature: " + String(dht.readTemperature());
msg = msg + " Humidity: " + String(dht.readHumidity());
mesh.sendBroadcast( msg );
}
其余代码不再赘述，完整代码请参考附件 esp_mesh_dht 程序。
效果展示
将上述代码分别上传到指定的设备节点中。打开其中一个设备 1（节点 1：人体感应）的串口监视器，可以看到另外两个设备发送过来的信息，其中就包含了温度和湿度的值。
再打开设备 3（节点 3：温湿度读取）的串口监视器，同样可以看到另外两个设备发送过来的信息，其中就包括是否开关灯的命令。
最后再查看一下设备 2（节点 2：LED 灯控制）的反馈情况：当设备 1 检测到附近有人活动时，设备 2 上的 LED 灯就会被点亮，否则熄灭。
所有设备按照我们预期的情况运行，智能家居组网实验成功！
总结
ESP-MESH 是一种非常好用的组网方式，摆脱了 WiFi 网络距离的限制，同时组网又非常方便，可以应用在很多智能家居或者工程项目中，方便地进行数据交互与传送。由于本项目只是一个简单的演示，所以并没有对发送的信息或者数据进行包装，后续可以改进数据发送的格式，比如采用 JSON 格式，就可以发送与解码更加丰富的信息了。
以上就是本教程的全部内容，我是铁熊，下期再见！
代码下载
关注公众号“铁熊玩创客”，后台回复“ESP-MESH”，就可以获取本次课程的全部源码下载链接。
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