【图解】物联网设备的N种Wi-Fi配网方式
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，如下图左，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，比如无线摄像头，在刚买回来进行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，网络摄像头等
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 | - | 高 | 高 |
| 手机热点配网 | AP-STA链路通信 | - | 中 | 中 |
| 蓝牙配网 | BLE通信 | 设备要支持BLE | 高 | 中 |
| 零配配网 | 管理帧广播 | 需要另外的主配设备 | 高 | 低 |
| 一键配网 | 手机广播 | - | 低 | 高 |
| 路由器配网 | 路由器广播 | 需要定制的路由器 | 高 | 低 |
| 扫码配网 | 二维码数据解析 | 设备要有能扫二维码的摄像头 | 高 | 低 |
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