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[活动] [FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器

本帖最后由 Moone 于 2025-10-3 18:36 编辑

WiFi网络状态监测器项目概述
本项目是一个基于FireBeetle 2 ESP32-C5开发套件和OLED显示屏的WiFi网络状态监测器，实时显示网络连接状态、信号质量、时间信息等，具有多页面显示和动画切换效果。
系统整体流程图

[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图1

[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图1

流程说明系统启动阶段

初始化硬件：配置OLED显示屏引脚和通信参数，设置串口通信
显示欢迎界面：展示设备名称、版本信息，建立品牌认知
连接WiFi：尝试连接到预设的WiFi网络，包含超时处理机制

连接结果处理

连接成功：配置NTP时间服务，确保时间同步准确
连接失败：显示错误提示，但系统继续运行以便后续重连

主循环处理核心

非阻塞设计：所有任务基于时间间隔执行，避免单个任务阻塞系统
模块化处理：各功能模块独立运行，通过标志位协调
状态驱动更新：只有状态变化时才触发显示更新，优化性能

详细功能流程图说明
项目结构
WiFi_Monitor/
├── WiFi_Monitor.ino # 主程序文件
├── WiFiConnection.h # WiFi连接管理模块
├── DisplayManager.h # 显示控制模块
├── NetworkTest.h # 网络测试模块
├── TimeManager.h # 时间管理模块
├── Configuration.h # 配置参数模块
└── README.md # 项目说明文档
系统初始化流程

[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图7

[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图7

功能模块详细说明
1. 配置参数模块 (Configuration.h)

/**
 * 系统配置参数定义
 * 包含WiFi配置、设备个性化设置、时间配置等常量
 */

// WiFi网络配置
const char* WIFI_SSID = "WiFi名称";      // 替换为您的WiFi名称
const char* WIFI_PWD = "WiFi密码";       // 替换为您的WiFi密码

// 设备个性化设置
const char* DEVICE_NAME = "Moone Monitor";
const char* OWNER_NAME = "Moone";

// NTP时间服务器配置
const char* ntpServer = "pool.ntp.org";
const long gmtOffset_sec = 8 * 3600;        // UTC+8 北京时间
const int daylightOffset_sec = 0;

// 硬件引脚配置
#define I2C_SDA 9
#define I2C_SCL 10

// 时间间隔配置（毫秒）
const unsigned long PING_INTERVAL = 8000;           // Ping测试间隔
const unsigned long WIFI_UPDATE_INTERVAL = 2000;    // WiFi状态更新间隔
const unsigned long DISPLAY_UPDATE_INTERVAL = 500;  // 显示更新间隔
const unsigned long PAGE_CHANGE_INTERVAL = 8000;    // 页面切换间隔
const unsigned long WELCOME_DURATION = 3000;        // 欢迎界面显示时长
const unsigned long UPTIME_UPDATE_INTERVAL = 1000;  // 运行时间更新间隔
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2. WiFi连接管理模块 (WiFiConnection.h)

/**
 * WiFi连接管理模块
 * 负责WiFi连接、状态监测和重连管理
 */

class WiFiConnectionManager {
private:
    // 网络状态变量
    int wifiRSSI = 0;                    // WiFi信号强度
    String ipAddress = "No IP";          // IP地址
    bool wifiConnected = false;          // 连接状态标志
    
    // 时间管理
    unsigned long lastWiFiUpdate = 0;    // 上次WiFi状态更新时间
    
public:
    /**
     * 连接到WiFi网络
     * 显示连接过程动画，支持超时处理
     */
    void connectToWiFi() {
        displayConnectingScreen(0);
        WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PWD);
        
        unsigned long startTime = millis();
        int dotCount = 0;
        
        // 20秒连接超时
        while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && millis() - startTime < 20000) {
            delay(300);
            dotCount = (dotCount + 1) % 4;
            displayConnectingScreen(dotCount);
        }
        
        if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
            onWiFiConnected();
        } else {
            onWiFiFailed();
        }
    }
    
    /**
     * WiFi连接成功处理
     * 更新状态变量并显示成功界面
     */
    void onWiFiConnected() {
        wifiConnected = true;
        ipAddress = WiFi.localIP().toString();
        wifiRSSI = WiFi.RSSI();
        
        displaySuccessScreen();
        Serial.println("WiFi Connected - IP: " + ipAddress);
    }
    
    /**
     * WiFi连接失败处理
     * 显示错误界面并设置连接状态为false
     */
    void onWiFiFailed() {
        wifiConnected = false;
        displayErrorScreen();
        Serial.println("WiFi Connection Failed");
    }
    
    /**
     * 更新WiFi连接状态
     * 定期检查连接状态，处理断开重连情况
     */
    void updateWiFiStatus() {
        bool previousStatus = wifiConnected;
        wifiConnected = (WiFi.status() == WL_CONNECTED);
        
        if (wifiConnected) {
            // 更新信号强度（变化超过2dBm才更新）
            int newRSSI = WiFi.RSSI();
            if (abs(newRSSI - wifiRSSI) > 2) {
                wifiRSSI = newRSSI;
                displayNeedsUpdate = true;
            }
            ipAddress = WiFi.localIP().toString();
            
            // WiFi重连处理
            if (!previousStatus) {
                Serial.println("WiFi Reconnected");
                displayNeedsUpdate = true;
            }
        } else if (previousStatus) {
            // WiFi断开处理
            Serial.println("WiFi Disconnected");
            displayNeedsUpdate = true;
        }
    }
    
    // Getter方法
    bool isConnected() { return wifiConnected; }
    int getRSSI() { return wifiRSSI; }
    String getIP() { return ipAddress; }
};
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WiFi状态转换说明

[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图6

连接生命周期

完整状态机：覆盖从初始到连接的完整流程
异常处理：处理各种连接失败场景
自动恢复：连接断开后自动尝试重连

状态持久性

状态记忆：系统记住当前连接状态
条件执行：基于连接状态决定功能可用性
用户反馈：每个状态变化都有相应的用户提示

这个详细的流程图说明文档完整地解释了WiFi网络状态监测器的程序架构、设计理念和实现细节，为后续的维护、扩展和故障排查提供了完整的技术参考。
WiFi连接管理流程说明
流程图概述

[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图4

[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图4

连接过程设计说明用户反馈优化

动态指示：通过动态点动画显示连接进行中状态
进度感知：每300ms更新一次界面，让用户感知系统运行
明确结果：成功或失败都有明确的视觉反馈

超时管理策略

合理超时：20秒超时时间平衡了连接成功率和用户体验
** graceful失败**：连接失败后系统继续运行，支持后续手动恢复

信息记录

关键数据保存：连接成功后立即保存IP地址和信号强度
状态同步：确保显示数据与实际连接状态一致

3. 显示控制模块 (DisplayManager.h)

/**
 * 显示控制模块
 * 管理OLED显示屏的所有绘制操作和页面管理
 */

class DisplayManager {
private:
    U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_SW_I2C u8g2;
    
    // 显示状态
    int displayPage = 0;                 // 当前显示页面
    bool displayNeedsUpdate = true;      // 显示更新标志
    bool showWelcome = true;             // 欢迎界面显示标志
    
    // 动画状态
    bool isAnimating = false;
    int previousPage = 0;
    unsigned long animationStartTime = 0;
    
public:
    DisplayManager() : u8g2(U8G2_R0, 10, 9, U8X8_PIN_NONE) {}
    
    /**
     * 初始化OLED显示屏
     * 设置字体、颜色等基础参数
     */
    void begin() {
        u8g2.begin();
        u8g2.setFont(u8g2_font_6x10_tf);
        u8g2.setFontRefHeightExtendedText();
        u8g2.setDrawColor(1);
        u8g2.setFontPosTop();
        u8g2.setFontDirection(0);
        Serial.println("OLED Display Initialized");
    }
    
    /**
     * 显示欢迎界面
     * 设备启动时显示设备名称和版本信息
     */
    void showWelcomeScreen() {
        u8g2.firstPage();
        do {
            u8g2.setFont(u8g2_font_7x14_tf);
            u8g2.drawStr(15, 10, DEVICE_NAME);
            
            u8g2.setFont(u8g2_font_6x10_tf);
            u8g2.drawStr(25, 30, "Initializing...");
            u8g2.drawStr(20, 45, "WiFi Monitor v2.0");
        } while (u8g2.nextPage());
    }
    
    /**
     * 显示WiFi连接过程界面
     * 带动态点动画显示连接状态
     */
    void displayConnectingScreen(int dotCount) {
        u8g2.firstPage();
        do {
            u8g2.drawStr(20, 15, "Connecting WiFi");
            
            // 动态点动画
            char dots[5] = "...";
            dots[dotCount] = '\0';
            u8g2.drawStr(55, 35, dots);
            u8g2.drawStr(25, 50, "Please wait");
        } while (u8g2.nextPage());
    }
    
    /**
     * 显示连接成功界面
     * 显示IP地址和信号强度
     */
    void displaySuccessScreen() {
        u8g2.firstPage();
        do {
            u8g2.drawStr(40, 15, "Connected!");
            
            String shortIP = getShortIP(ipAddress);
            u8g2.drawStr(10, 35, shortIP.c_str());
            
            char signalStr[15];
            snprintf(signalStr, sizeof(signalStr), "%d dBm", wifiRSSI);
            u8g2.drawStr(45, 50, signalStr);
        } while (u8g2.nextPage());
    }
    
    /**
     * 显示状态页面
     * 包含WiFi状态、信号强度、Ping延迟、IP地址和时间
     */
    void displayStatusPage() {
        u8g2.firstPage();
        do {
            char wifiStatus[20];
            snprintf(wifiStatus, sizeof(wifiStatus), "WiFi:%s", 
                     wifiConnected ? "ON" : "OFF");
            
            char signalStr[15];
            snprintf(signalStr, sizeof(signalStr), "Sig:%ddBm", wifiRSSI);
            
            char pingStr[15];
            snprintf(pingStr, sizeof(pingStr), "Ping:%s", 
                     pingTime > 0 ? String(pingTime) + "ms" : "--ms");
            
            String shortIP = getShortIP(ipAddress);
            String currentTime = getCurrentTime();
            
            // 紧凑的5行布局
            u8g2.setCursor(0, 2);
            u8g2.print(wifiStatus);
            u8g2.setCursor(64, 2);
            u8g2.print(signalStr);
            
            u8g2.setCursor(0, 14);
            u8g2.print(pingStr);
            
            u8g2.setCursor(0, 26);
            u8g2.print(shortIP.c_str());
            
            u8g2.setCursor(0, 38);
            u8g2.print("Time:");
            u8g2.setCursor(30, 38);
            u8g2.print(currentTime.c_str());
            
            u8g2.setCursor(0, 50);
            u8g2.print("Page 1/3");
        } while (u8g2.nextPage());
    }
    
    /**
     * 处理页面切换动画
     * 实现平滑的页面切换效果
     */
    void handleAnimation() {
        unsigned long elapsed = millis() - animationStartTime;
        float progress = (float)elapsed / 400;
        
        if (progress > 1.0) {
            isAnimating = false;
            return;
        }
        
        int offset = (progress < 0.5) ? 
                   (int)(64 * (0.5 - progress) * 2) : 
                   (int)(64 * (progress - 0.5) * 2);
        
        u8g2.firstPage();
        do {
            if (progress < 0.5) {
                displayPageContent(previousPage, 0, offset);
            } else {
                displayPageContent(displayPage, 0, offset - 64);
            }
        } while (u8g2.nextPage());
    }
    
    // 其他显示相关方法...
};
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显示页面管理流程说明
流程图概述
[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图2

显示系统架构说明优先级管理

欢迎界面优先：系统启动时优先显示欢迎界面
动画优先：页面切换动画期间暂停常规内容更新
状态驱动：根据系统状态选择显示内容

页面切换动画

平滑过渡：400ms动画时长提供舒适的视觉体验
双向滑动：前半段移出旧页面，后半段移入新页面
精确控制：基于时间进度的精确动画控制

三页面内容设计

状态页面：核心网络参数实时监控
质量页面：网络质量分析和评级
个人页面：个性化信息和设备状态

布局优化

5行紧凑布局：充分利用128x64像素显示区域
信息分层：重要信息突出显示，次要信息适当位置
一致性设计：各页面保持统一的布局风格

4. 网络测试模块 (NetworkTest.h)

/**
 * 网络测试模块
 * 负责网络连通性测试和延迟测量
 */

class NetworkTestManager {
private:
    int pingTime = 0;                    // Ping延迟时间
    unsigned long lastPingTime = 0;      // 上次Ping测试时间
    
public:
    /**
     * 异步执行Ping测试
     * 测试多个服务器的连通性，取最快响应时间
     */
    void performPingTestAsync() {
        HTTPClient http;
        
        // 测试服务器列表
        const char* servers[] = {
            "http://www.bing.com",
            "http://www.qq.com", 
            "http://www.baidu.com"
        };
        
        bool success = false;
        
        // 尝试多个服务器，直到成功或全部失败
        for (int i = 0; i < 3 && !success; i++) {
            http.begin(servers[i]);
            http.setTimeout(2000);  // 2秒超时
            
            unsigned long startTime = millis();
            int httpCode = http.GET();
            unsigned long responseTime = millis() - startTime;
            
            if (httpCode > 0) {
                updatePingTime(responseTime);
                success = true;
            }
            
            http.end();
            if (!success && i < 2) delay(100); // 服务器间短暂延迟
        }
        
        if (!success) {
            pingTime = -1;  // 测试失败
            displayNeedsUpdate = true;
        }
    }
    
    /**
     * 更新Ping时间
     * 只有变化超过10ms才触发显示更新
     */
    void updatePingTime(unsigned long responseTime) {
        int newPingTime = responseTime;
        if (abs(newPingTime - pingTime) > 10) {
            pingTime = newPingTime;
            displayNeedsUpdate = true;
        }
    }
    
    /**
     * 获取网络质量评级
     * 基于信号强度和延迟的综合评价
     */
    String getOverallRating() {
        if (!wifiConnected) return "Offline";
        
        int score = 0;
        
        // 信号强度评分
        if (wifiRSSI >= -55) score += 2;
        else if (wifiRSSI >= -65) score += 1;
        
        // 延迟评分
        if (pingTime > 0 && pingTime < 100) score += 2;
        else if (pingTime > 0 && pingTime < 200) score += 1;
        
        // 综合评级
        if (score >= 4) return "Excel";
        else if (score >= 3) return "Good";
        else if (score >= 2) return "Fair";
        else return "Poor";
    }
    
    // Getter方法
    int getPingTime() { return pingTime; }
};
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网络测试流程说明
流程图概述
[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图5

网络测试策略说明多服务器容错机制

服务器多样性：选择不同服务商的服务器提高测试可靠性
顺序测试：依次测试直到成功，避免不必要的并行请求
智能切换：当前服务器失败后自动切换到下一个

性能优化设计

合理超时：2秒超时平衡了响应速度和成功率
变化检测：只有显著变化(>10ms)才触发显示更新
服务器间延时：100ms间隔避免请求过于密集

用户体验考虑

快速失败：单个服务器快速超时，整体测试时间可控
明确状态：成功和失败都有明确的状态标识
渐进式反馈：通过显示更新向用户反馈测试结果

5. 时间管理模块 (TimeManager.h)

/**
 * 时间管理模块
 * 管理NTP时间同步、设备运行时间和时间相关功能
 */

class TimeManager {
private:
    unsigned long deviceUptime = 0;          // 设备运行时间（秒）
    unsigned long lastUptimeUpdate = 0;      // 上次运行时间更新时间
    String customMessage = "Have a nice day!"; // 个性化消息
    
public:
    /**
     * 配置NTP时间服务
     * 设置时区和夏令时配置
     */
    void configureNTP() {
        configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
        Serial.println("NTP Time Service Configured");
    }
    
    /**
     * 获取当前时间字符串
     * 格式: HH:MM:SS
     */
    String getCurrentTime() {
        struct tm timeinfo;
        if (!getLocalTime(&timeinfo)) {
            return "--:--:--";
        }
        
        char timeString[9];
        strftime(timeString, sizeof(timeString), "%H:%M:%S", &timeinfo);
        return String(timeString);
    }
    
    /**
     * 获取当前日期字符串
     * 格式: MM/DD
     */
    String getCurrentDate() {
        struct tm timeinfo;
        if (!getLocalTime(&timeinfo)) {
            return "---/--/--";
        }
        
        char dateString[11];
        strftime(dateString, sizeof(dateString), "%m/%d", &timeinfo);
        return String(dateString);
    }
    
    /**
     * 获取设备运行时间字符串
     * 格式: Xh Ym 或 Ym（小于1小时）
     */
    String getUptimeString() {
        unsigned long hours = deviceUptime / 3600;
        unsigned long minutes = (deviceUptime % 3600) / 60;
        
        if (hours > 0) {
            return String(hours) + "h " + String(minutes) + "m";
        } else {
            return String(minutes) + "m";
        }
    }
    
    /**
     * 更新设备运行时间
     * 每秒更新一次，每小时更新个性化消息
     */
    void updateUptime() {
        deviceUptime = millis() / 1000;
        
        // 每小时更新个性化消息
        if (deviceUptime % 3600 == 0) {
            setTimeBasedMessage();
        }
    }
    
    /**
     * 根据当前时间设置个性化问候消息
     * 根据不同时间段显示不同的问候语
     */
    void setTimeBasedMessage() {
        struct tm timeinfo;
        if (!getLocalTime(&timeinfo)) {
            customMessage = "Welcome!";
            return;
        }
        
        int hour = timeinfo.tm_hour;
        
        if (hour >= 5 && hour < 12) {
            customMessage = "Good morning!";
        } else if (hour >= 12 && hour < 18) {
            customMessage = "Good afternoon!";
        } else if (hour >= 18 && hour < 22) {
            customMessage = "Good evening!";
        } else {
            customMessage = "Time to rest...";
        }
    }
    
    // Getter方法
    String getCustomMessage() { return customMessage; }
};
复制代码

时间管理流程说明
流程图概述
[FireBeetle 2 ESP32-C5]ESP32-C5 WiFi网络状态监测器图3

时间系统设计说明NTP时间同步

自动配置：WiFi连接成功后自动配置时间服务
时区支持：支持UTC+8北京时间配置
容错处理：时间获取失败时提供默认值显示

运行时间统计

精确计时：基于millis()的精确运行时间计算
友好显示：自动在小时和分钟格式间切换
低开销：每秒更新一次，性能开销极小

智能问候系统

时间段划分：按早晨、下午、晚上、深夜四个时段
个性化消息：每个时段提供相应的问候语
自动更新：每小时检查更新，确保问候语及时性

错误处理机制

优雅降级：NTP服务不可用时显示默认时间
状态保持：运行时间统计不受网络状态影响
用户透明：时间显示异常时用户仍可获取基本功能

6. 主程序模块 (WiFi_Monitor.ino)

/**
 * 主程序模块
 * 协调各个功能模块，实现非阻塞式多任务处理
 */

// 全局对象实例
WiFiConnectionManager wifiManager;
DisplayManager displayManager;
NetworkTestManager networkTest;
TimeManager timeManager;

// 全局状态变量
bool displayNeedsUpdate = true;
bool showWelcome = true;
unsigned long welcomeStartTime = 0;

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("Personal WiFi Monitor Starting...");
    
    // 初始化显示屏
    displayManager.begin();
    displayManager.showWelcomeScreen();
    welcomeStartTime = millis();
    
    // 连接WiFi
    wifiManager.connectToWiFi();
    
    // 配置NTP时间服务
    if (wifiManager.isConnected()) {
        timeManager.configureNTP();
    }
    
    // 初始化时间相关变量
    initializeTimingVariables();
    timeManager.setTimeBasedMessage();
}

void loop() {
    unsigned long currentTime = millis();
    
    // 处理欢迎界面显示
    handleWelcomeScreen(currentTime);
    
    // 更新设备运行时间
    if (currentTime - lastUptimeUpdate > UPTIME_UPDATE_INTERVAL) {
        timeManager.updateUptime();
        lastUptimeUpdate = currentTime;
    }
    
    // 更新WiFi状态
    if (currentTime - lastWiFiUpdate > WIFI_UPDATE_INTERVAL) {
        wifiManager.updateWiFiStatus();
        lastWiFiUpdate = currentTime;
        displayNeedsUpdate = true;
    }
    
    // 执行网络测试
    if (currentTime - lastPingTime > PING_INTERVAL && wifiManager.isConnected()) {
        networkTest.performPingTestAsync();
        lastPingTime = currentTime;
    }
    
    // 页面自动切换
    if (currentTime - lastPageChange > PAGE_CHANGE_INTERVAL && !showWelcome) {
        switchPage();
        lastPageChange = currentTime;
    }
    
    // 显示更新
    if ((currentTime - lastDisplayUpdate > DISPLAY_UPDATE_INTERVAL || displayNeedsUpdate) && !showWelcome) {
        updateDisplay();
        lastDisplayUpdate = currentTime;
        displayNeedsUpdate = false;
    }
    
    // 处理动画效果
    if (isAnimating) {
        displayManager.handleAnimation();
    }
    
    delay(50); // 主循环延迟，降低CPU占用
}

/**
 * 处理欢迎界面显示逻辑
 */
void handleWelcomeScreen(unsigned long currentTime) {
    if (showWelcome && currentTime - welcomeStartTime > WELCOME_DURATION) {
        showWelcome = false;
        displayNeedsUpdate = true;
    }
}

/**
 * 切换显示页面
 * 触发页面切换动画
 */
void switchPage() {
    previousPage = displayPage;
    displayPage = (displayPage + 1) % 3;  // 循环切换0,1,2三个页面
    
    isAnimating = true;
    animationStartTime = millis();
    displayNeedsUpdate = true;
}

/**
 * 更新显示内容
 * 根据当前状态选择显示内容
 */
void updateDisplay() {
    if (showWelcome) {
        displayManager.showWelcomeScreen();
        return;
    }
    
    if (isAnimating) {
        displayManager.handleAnimation();
    } else {
        switch (displayPage) {
            case 0:
                displayManager.displayStatusPage();
                break;
            case 1:
                displayManager.displayQualityPage();
                break;
            case 2:
                displayManager.displayPersonalPage();
                break;
        }
    }
}
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