認識ESP-NOW協定 Part 4：雙向多對多架構

Posted By 黃東正 on 1 月 9, 2023 in ESP32, ESP8266, 教學文, 物聯網, 電子學 | 0 comments

作者：黃東正

繼上文介紹過『一對一單向架構』後，本文中將繼續介紹『雙向多對多傳輸』這個ESP-NOW中最複雜的拓樸結構的通信方式。

照理來說應該循序漸進從簡至繁陸續介紹其他各種ESP-NOW拓樸結構的通信方式，不過在設計『一對一雙向傳輸』這種拓樸架構的程式時發現，由於我們的發送端是以廣播的方式發送資料，也就是說只要是在電波信號可及的場域中，所有的ESPxx裝置都可以收到這些數據，這麼一來就等同於建構了『雙向多對多傳輸』這個拓樸結構的通信方式，既然這樣就乾脆一次到位，直接為大家介紹這種拓樸結構就好了。

ESP-NOW中最複雜的雙向多對多傳輸

發送端程式列表與說明

在這個範例中會示範多片的ESPxx(可混合使用ESP8266與ESP32兩種晶片)模組板互相通信傳輸資料的方法，其主要特點如下：

本範例程式可同時給ESP8266與ESP32兩種不同晶片的模組板使用，不必做任何的修改。
本範例程式可同時使用在發送與接收端的模組板，也就是說一個程式即可涵蓋所有的拓樸模式與主從角色，當然也不用再做任何的修改。
在這個範例中，我們將有兩塊 ESP8266 和一塊ESP32模組板作為整個系統的成員，每塊板ESPxx模組板都具有雙向通信的功能，而且它們發送資料的方式是以廣播的方為之，也就是其它的ESPxx模組板都會接收到任一發送裝置發送出去的資料。
每塊板ESPxx模組板都具有WiFi AP的腳色，它們的SSID名稱為其晶片的種類加上他的MAC位址，例如ESP8266晶片它的AP SSID名稱為「ESP8266_xxxxxxxxxxxx」，其中的12個’x’便是6個bytes的MAC位址值。當使用者用手機去掃描這些ESPxx模組的WiFi AP點時，便可由它們的SSID名稱得知其MAC位址。
在系統中所發送的範例資料和上一節一樣為一結構變數，其中包括了不同種類的變數型態，而其中的字串變數將改成該模組的SSID名稱，以作為辨識發送者的ID名稱之用。
發送的範例資料結構變數中的布林變數，可用來控制ESPxx模組板上接在GPIO 2上的LED亮滅之用，若值為true則會點亮LED，反之如果是false則會令LED熄滅。

下列程式即為此雙向多對多收發程式的列表：

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#ifdef ESP32
#include
#include
esp_now_peer_info_t peerInfo;
int LedOn=1;
int LedOff=0;
String ESPtype="ESP32_";
#else
#include
#include
int LedOn=0;
int LedOff=1;
String ESPtype="ESP8266_";
#endif

uint8_t macAddr[6],broadCastMacAddr[6]={0xff,0xFf,0xff,0xff,0xff,0xff};

String ESPmac="";

typedef struct message{
char a[32];
int b;
unsigned long bb;
float c;
bool d;
} message;

message myData;
String myMacSoftSSID="";
byte LED=2;
bool LedStatus=false;
unsigned int sendTimes=0;
unsigned long lastTime=0;
unsigned long timerDelay=10000;

void setup() {

Serial.begin(115200);
Serial.println();
pinMode(LED,OUTPUT);
WiFi.macAddress(macAddr);
for(int i=0;i<6;i++) {
if (macAddr[i] < 16) ESPmac+="0"; ESPmac+=String(macAddr[i],HEX); } myMacSoftSSID=ESPtype+ESPmac; Serial.print("ESP mac Addrres = "); Serial.println(ESPmac); // WiFi.softAP mac Address(macAddr); char MyMacSoftSSID[30]; WiFi.mode(WIFI_AP_STA); myMacSoftSSID.toCharArray(MyMacSoftSSID,myMacSoftSSID.length()+1); WiFi.softAP(MyMacSoftSSID); // Serial.print("WiFi 的 channel 號碼為: "); Serial.println(getWiFiChannel(ssid)); if(esp_now_init() !=0) { Serial.println("ESP-NOW!初始化失敗"); while(1) { digitalWrite(LED,0); delay(100); digitalWrite(LED,1); delay(100); } } #ifdef ESP32 esp_now_register_send_cb(onDataSent); memcpy(peerInfo.peer_addr, broadCastMacAddr, 6); peerInfo.channel = 0; peerInfo.encrypt = false; //Add peer if (esp_now_add_peer(&peerInfo) != ESP_OK){ Serial.println("Failed to add peer"); return; } #else esp_now_set_self_role(ESP_NOW_ROLE_COMBO); esp_now_register_send_cb(OnDataSent); esp_now_add_peer(broadCastMacAddr, ESP_NOW_ROLE_SLAVE,1, NULL, 0); #endif esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); lastTime=millis(); } void loop() { if((millis()-lastTime) > timerDelay)
{
lastTime=millis();
Serial.println("資料已發送完成!");
// strcpy(myData.a,"This is a Char");
myMacSoftSSID.toCharArray(myData.a,myMacSoftSSID.length()+1);
sendTimes++;
myData.bb=sendTimes;
myData.b=random(1,100);
myData.c=1.23;
LedStatus=!(LedStatus);
myData.d=LedStatus;
// Serial.println(myData.d);

esp_now_send(broadCastMacAddr,(uint8_t *)&myData,sizeof(myData));
}
}

// ESP 使用的資料發送callback 副程式:
#ifdef ESP32
// ESP32 使用的資料發送callback 副程式:
void onDataSent(const uint8_t *mac_addr, esp_now_send_status_t status) {
Serial.print("第 ");Serial.print(sendTimes);Serial.print(" 筆資料傳送狀況: ");
if (status == 0)
Serial.println("傳送成功!\n");
else
Serial.println("傳送失敗!\n");
}
#else
void OnDataSent(uint8_t *mac_addr, uint8_t sendStatus)
{
Serial.print("第 ");Serial.print(sendTimes);Serial.print(" 筆資料傳送狀況: ");
if (sendStatus == 0)
Serial.println("傳送成功!\n");
else
Serial.println("傳送失敗!\n");
}
#endif

// callback function that will be executed when data is received
#ifdef ESP32
void OnDataRecv(const uint8_t * mac_addr, const uint8_t *inComingData, int len) {
#else
void OnDataRecv(uint8_t *mac_addr, uint8_t *inComingData, uint8_t len) {
#endif
char macStr[18];
memcpy(&myData, inComingData, sizeof(myData));
Serial.print("接收到的位元組(bytes): "); Serial.println(len);
Serial.print("接收資料來源: "); Serial.println(myData.a);
Serial.print("接收的筆數: "); Serial.println(myData.bb);
Serial.print("整數: "); Serial.println(myData.b);
Serial.print("浮點數: "); Serial.println(myData.c);
Serial.print("布林數: "); Serial.println(myData.d);
if (myData.d == true)
{
Serial.println("LED點亮!");
digitalWrite(LED,LedOn);
}
else {
Serial.println("LED熄滅!");
digitalWrite(LED,LedOff);
}
Serial.println();
}

int32_t getWiFiChannel(const char *ssid) {
if (int32_t n = WiFi.scanNetworks()) {
for (uint8_t i=0; i<n; i++) {
if (!strcmp(ssid, WiFi.SSID(i).c_str())) {
return WiFi.channel(i);
}
}
}
return 0;
}

下列程式為雙向多對多收發程式前面的函式庫引入與變數定義部分，為了讓程式能同時使用在ESP8266與ESP32兩種模組上，因此在程式一開始的引入(include)部份我們就必須先處理所使用的相關函式庫及相關變數，基本上和前一節的範例大致相同。

前面說過本範例程式和一般在網路上所見最大的不同點，就是在程式中我們會令ESPxx裝置在WiFi功能中工作在AP+STA模式底下，且會啟動soft-AP功能，並設定一個SSID名稱，而這個AP的SSID名稱中將會包含了這顆ESPxx晶片的MAC位址訊息，並且是以該晶片種類的編號開頭，這就是「ESPtype」這個新字串變數的用途。

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#ifdef ESP32
#include
#include
esp_now_peer_info_t peerInfo;
int LedOn=1;
int LedOff=0;
String ESPtype="ESP32_";
#else
#include
#include
int LedOn=0;
int LedOff=1;
String ESPtype="ESP8266_";
#endif

為了避開必須先知道接收端的MAC位址才能發出資料的困擾，在此我們是使用廣播(Broadcast)的方式來傳送資料，也就是說發射端傳送的資料所有其他的模組板都會接收到，如果接收端要知道是誰發送，除了可以由發送者的MAC位址得知之外，也可以在發送的資料中包含一個發送板所賦予的ID編號去辨識。

下面所定義的變數中，這個六位元組內容都為0xff的「boardCastMacAddr」，便是ESP-NOW中用來標示為廣播用的MAC位址變數。

1	uint8_t macAddr[6],broadCastMacAddr[6]={0xff,0xFf,0xff,0xff,0xff,0xff};

接著的是程式的變數定義區，為了方便展示所能傳送的資料種類，在此我們定義了一可包括各種資料型態的結構變數「message」；在其中包括了整數(int)、長整數(long)、浮點數(float)、布林數(bool)及字串(char [])等變數型態，其內容如下面程式所示。至於後面的「myData」則是我們實際會傳送的型態為「message」的結構變數。

在前一節的範例中我們用了一個整數作為送發送板的ID編號變數，不過這個ID編號還是必須在燒錄程式時給定，但這樣一來程式就太沒有彈性了！在此為了能動態的自行配置這個ID，我們的程式將會自動把前面提過的包含了這顆ESPxx晶片中類和MAC位址訊息的AP SSID名稱字串變數指定給字串變數「char []」，作為發送端的ID，這樣接收端從ID編號的訊息便可以得知發送者是哪一塊模組板了。

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typedef struct message{
char a[32];
int b;
unsigned long bb;
float c;
bool d;
} message;

message myData;
String myMacSoftSSID="";
byte LED=2;
bool LedStatus=false;
unsigned int sendTimes=0;

unsigned long lastTime=0;
unsigned long timerDelay=10000;

至於下面的程式會先取得這顆ESPxx晶片的MAC位址訊息，並且與包含該晶片種類編號開頭的變數「ESPtype」組合後，得到「myMacSoftSSID」這個字串變數以作為模組板的AP SSID名稱。

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WiFi.macAddress(macAddr);
for(int i=0;i<6;i++) {
if (macAddr[i] < 16) ESPmac+="0"; ESPmac+=String(macAddr[i],HEX); } myMacSoftSSID=ESPtype+ESPmac; Serial.print("ESP mac Addrres = "); Serial.println(ESPmac);

在前面常說過，要初始化ESP-NOW之前必須先初始化Wi-Fi功能，因此在下面的程式中，我們先用『WiFi.mode(WIFI_AP_STA)』這行指令將ESPxx晶片進行Wi-Fi功能的初始化，而且設定為AP+STA模式。接著使用『WiFi.softAP(MyMacSoftSSID)』這個指令函數建立一個AP存取點，其名稱為「myMacSoftSSID」，以便外界可以得知這塊模組板的MAC位址值，好作為對特定MAC位址裝置傳送數據之用。

1	// WiFi.softAP mac Address(macAddr); char MyMacSoftSSID[30]; WiFi.mode(WIFI_AP_STA); myMacSoftSSID.toCharArray(MyMacSoftSSID,myMacSoftSSID.length()+1); WiFi.softAP(MyMacSoftSSID);

然後呼叫『esp_now_init()』這個ESP-NOW初始化用的指令函數，如果傳回來的結果是錯誤的，則會在Arduino IDE的監控視窗中顯示” ESP-NOW!初始化失敗!”這樣的錯誤提示訊息，而且會令ESPxx模組板上接在GPIO 2的LED進入一個快速閃爍的無窮迴圈，以提醒使用者ESP-NOW初始化錯誤！

1	if(esp_now_init() !=0) { Serial.println("ESP-NOW!初始化失敗"); while(1) { digitalWrite(LED,0); delay(100); digitalWrite(LED,1); delay(100); } }

在初始化完ESP-NOW之後，接下來的動作就是註冊一些回應函數，及添加對應的接收方設備的 MAC 地址，由於ESP32、ESP8266兩者對這些動作使用的指令及方法並不相同，所以在我們的範例程式中一樣的採用”#ifdef … #esle … #endif”的編譯前置指令去把它區分出來，以便可以相容使用在兩種晶片上。

對ESP32而來的，並不用先特別設定他的角色是發送端還是接收端，首先用『esp_now_register_send_cb』這個指令函數去註冊一個發送的回應函數「onDataSent」，然後再用『esp_now_add_peer』這個指令函數指定接收端的MAC位址「peefInfo」，不過我們必須先將廣播用的MAC位址「broadCastMacAddr」共6個bytes複製到「peefInfo」上，這部分跟上一節發送端部分的程式內容式相同的。

1	#ifdef ESP32 esp_now_register_send_cb(onDataSent); memcpy(peerInfo.peer_addr, broadCastMacAddr, 6); peerInfo.channel = 0; peerInfo.encrypt = false; //Add peer if (esp_now_add_peer(&peerInfo) != ESP_OK){ Serial.println("Failed to add peer"); return; }

對於ESP8266來說必須先定義自己的腳色，也就是雙向的收發裝置，在此使用『esp_now_set_self_role』這個指令函數去設定為雙向的收發功能的裝置，其參數值為「ESP_NOW_ROLE_CONTROLLER」；至於指定接收端MAC位址的指令函數『esp_now_add_peer』，它引用參數的方式與內容跟ESP32是不一樣的，這點還請讀者多注意！

註冊一個發送回應函數『onDataSent』則是一樣使用『esp_now_register_send_cb』這個指令函數。對於ESP32和ESP8266來說，對於接收部分的設定是相同的，因此共用了下面『esp_now_register_recv_cb』這個函數指令去登錄『OnDataRecv』為接收服務副程式。

1	#else esp_now_set_self_role(ESP_NOW_ROLE_COMBO); esp_now_register_send_cb(OnDataSent); esp_now_add_peer(broadCastMacAddr, ESP_NOW_ROLE_SLAVE,1, NULL, 0); #endif esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); lastTime=millis(); }

下面部分則是主迴圈(loop())部分的所有程式碼，內容很簡單，就是在固定的時間(在此改為timerDelay🡺10秒)發送一次資料(myData)，每發送一次「sendTimes」這個變數會加一，用以代表發送資料的筆數；在設定好「myData」這個資料結構變數的內容之後，最後呼叫『esp_now_send』這個指令函數把資料發送出去，這樣便完成一次ESP-NOW的資料傳輸動作。

「myData」這個資料結構變數的內容和上一節最大的不同之處，就是字串變數「char []」的內容改設定為包含了這顆ESPxx晶片種類及MAC位址訊息的AP SSID名稱變數「myMacSoftSSID」，作為發送端的ID；在此使用『myMacSoftSSID.toCharArray』這個延伸字串指令，把字串變數「myMacSoftSSID」轉換成「myData.a」這個字元陣列變數，以免變數型態不合編譯不過！

除此之外我們還把其中的布林數，也就是「myData.d」在接收端用來控制接在GPIO 2的LED亮滅，當接收值為”true”會點亮LED，反之則令LED熄滅。為了能讓LED能產生亮滅的效果，我們必須不斷改變這個布林數，在此每當發送事件啟動也就是10秒到了，會執行『LedStatus=!(LedStatus)』這行指令，讓該布林數值反相，以達到不斷交互改變的結果。

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void loop() { if((millis()-lastTime) > timerDelay)
{
lastTime=millis();
Serial.println("資料已發送完成!");
// strcpy(myData.a,"This is a Char");
myMacSoftSSID.toCharArray(myData.a,myMacSoftSSID.length()+1);
sendTimes++;
myData.bb=sendTimes;
myData.b=random(1,100);
myData.c=1.23;
LedStatus=!(LedStatus);
myData.d=LedStatus;
// Serial.println(myData.d);

esp_now_send(broadCastMacAddr,(uint8_t *)&myData,sizeof(myData));
}
}

下面的程式是發送回應副程式『onDataSent』的主體內容，同樣的因為ESP32、ESP8266兩者使用的程式指令及方法並不相同，所以在此我們一樣的採用”#ifdef … #esle … #endif”的編譯前置指令去把它區分出來，以便可以相容使用在兩種晶片上。其實兩者的主體程式部分內容是相同的，只有在呼叫時所配置的引數部分略有不同(第三個)，但也就是這點小差異造成兩種晶片無法共用同一個副程式。

在這個資料發送callback副程式中，同樣的都會在Arduino IDE的監控視窗中先顯示”第 ?? 筆資料傳送狀況：”的提示訊息，其中的”??”就是「sendTimes」這個變數的內容，如果發送成功，會顯示”傳送成功!”的提示訊息，否則將顯示”傳送失敗!”的錯誤提示訊息。

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// ESP 使用的資料發送callback 副程式:
#ifdef ESP32
// ESP32 使用的資料發送callback 副程式:
void onDataSent(const uint8_t *mac_addr, esp_now_send_status_t status) {
Serial.print("第 ");Serial.print(sendTimes);Serial.print(" 筆資料傳送狀況: ");
if (status == 0)
Serial.println("傳送成功!\n");
else
Serial.println("傳送失敗!\n");
}
#else
void OnDataSent(uint8_t *mac_addr, uint8_t sendStatus)
{
Serial.print("第 ");Serial.print(sendTimes);Serial.print(" 筆資料傳送狀況: ");
if (sendStatus == 0)
Serial.println("傳送成功!\n");
else
Serial.println("傳送失敗!\n");
}
#endif

再下來的程式是接收服務副程式『onDataRecv』的主體內容，同樣的因為ESP32、ESP8266兩者使用的程式指令及方法並不相同，所以在此我們一樣的採用”#ifdef … #esle … #endif”的編譯前置指令去把它區分出來，以便可以相容使用在兩種不同的晶片上。其實種兩種晶片的副程式差距很小，主要是在所使用的引數宣告的方式略有不同而已，至於程式主體的部分則是完全一樣。

當這個接收服務副程式因為裝置接收到數據被觸發之後，會從「inComingData」這個結構變數中把對應的數據萃取出來，然後顯示在Arduino IDE監控視窗中，並且把提示訊息都改用中文。這個結構變數的內容和上一節的範例大同小異，主要有兩個數據的功能不一樣，一是字元陣列「myData.a」也就是字串變數部分，顯示的是發送端晶片的種類及其MAC位址碼，再來就是布林數「myData.d」會被用來決定接在GPIO 2上的LED是點亮還是熄滅，並且會將結果顯示在Arduino IDE監控視窗上。

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// callback function that will be executed when data is received
#ifdef ESP32
void OnDataRecv(const uint8_t * mac_addr, const uint8_t *inComingData, int len) {
#else
void OnDataRecv(uint8_t *mac_addr, uint8_t *inComingData, uint8_t len) {
#endif
char macStr[18];
memcpy(&myData, inComingData, sizeof(myData));
Serial.print("接收到的位元組(bytes): "); Serial.println(len);
Serial.print("接收資料來源: "); Serial.println(myData.a);
Serial.print("接收的筆數: "); Serial.println(myData.bb);
Serial.print("整數: "); Serial.println(myData.b);
Serial.print("浮點數: "); Serial.println(myData.c);
Serial.print("布林數: "); Serial.println(myData.d);
if (myData.d == true)
{
Serial.println("LED點亮!");
digitalWrite(LED,LedOn);
}
else {
Serial.println("LED熄滅!");
digitalWrite(LED,LedOff);
}
Serial.println();
}

執行結果

當我們把本範例系統配置的三片EXPxx模組板(兩片ESP8266加一片ESP32)接電啟動之後，開啟手機Wi-Fi掃描功能，便可看到類似下面圖片畫面的訊息；其中標記１、２是代表兩片ESP8266模組板的MAC位址數值的AP存取點SSID名稱，而標記３則是ESP32模組板的訊息。

至於在Arduino IDE監控視窗上，對不同的ESPxx模組板來說會看到不同接收訊息，以下圖來說就是本次範例系統中ESP32所看到內容，除了他本身發送資料的訊息(標記５)之外共有兩筆資料，分別是來自MAC位址為「a0:20:a6:14:41:22」(標記１)與「2c:f4:32:17:83:50」(標記２)這兩塊ESP8266模組板的接收資料；而且當接收到的布林數為’0’時會出現”LED熄滅”的訊息 (標記３) ，若布林數為’1’時的訊息改為”LED點亮” (標記４)。

下面是本範例系統中MAC位址為「a0:20:a6:14:41:22」這塊ESP8266模組板在Arduino IDE監控視窗上所看到的畫面內容，除了他本身發送資料的訊息(標記５)之外共有兩筆資料，分別是來自ESP32 MAC位址為「24:6f:28:b1:77:28」(標記１)，與「2c:f4:32:17:83:50」(標記２)這塊ESP8266模組板的接收資料，而且當接收到的布林數為’1’時的訊息為”LED點亮” (標記３、４)。

至於下面是本範例系統中MAC位址為「2c:f4:32:17:83:50」這塊ESP8266模組板在Arduino IDE監控視窗上所看到的畫面內容，除了他本身發送資料的訊息(標記５)之外同樣有兩筆資料，分別是來自MAC位址為「a0:20:a6:14:41:22」(標記１)這塊ESP8266模組板，和MAC位址為「24:6f:28:b1:77:28」(標記２)的 ESP32模組板，而且同樣的當接收到的布林數為’1’時會出現” LED點亮”的訊息 (標記３) ，如果布林數為’0’時的訊息改為” LED熄滅” (標記４)。

經由前面說明讀者應該可以發現，雖然說本小節中所示範的『二、6雙向多對多傳輸』這個拓樸結構的通信方式是ESP-NOW中最複雜的，可是所示範的程式反而是比較簡單或者說單純，因為只有一個收發兩用程式而已，不像前一節的範例還必須分別去設計一個發送及接收的程式；此外在接收的資料中我們還示範如何傳送該ESPxx模組板的MAX位址，這樣接收到資料的裝置也可以利用該MAC位址單獨針對特定的發送端回應接收情形或處理的結果。

》認識ESP-NOW協定 Part 1：基本觀念介紹

》認識ESP-NOW協定 Part 2：拓樸架構介紹

（作者為本刊專欄作家，本文同步表於作者部落格，原文連結；責任編輯：謝嘉洵）