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Wi-Fi 配网
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:link_to_translation:`en:[English]`
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概述
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该组件提供控制 Wi-Fi 配网服务的 API，可以通过 SoftAP 或低功耗蓝牙建立 :doc:`protocomm` 安全会话，接收和配置 Wi-Fi 凭证。通过一组 ``wifi_prov_mgr_`` API，可以快速实现配网服务，该服务具备必要功能、代码量少且足够灵活。
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.. _wifi-prov-mgr-init:
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初始化
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调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_init()` 可以配置和初始化配网管理器，因此在调用任何其他 ``wifi_prov_mgr_`` API 之前必须先调用此函数。请注意，该管理器依赖于 ESP-IDF 的其他组件，包括 NVS、TCP/IP、Event Loop 和 Wi-Fi，以及可选的 mDNS，因此在调用之前必须先初始化这些组件。调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_deinit()` 可以随时反初始化管理器。
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.. code-block:: c
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wifi_prov_mgr_config_t config = {
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.scheme = wifi_prov_scheme_ble,
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.scheme_event_handler = WIFI_PROV_SCHEME_BLE_EVENT_HANDLER_FREE_BTDM
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};
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ESP_ERROR_CHECK( wifi_prov_mgr_init(config) );
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以下配置结构体 :cpp:type:`wifi_prov_mgr_config_t` 里包含的部分字段可用于指定特定管理器行为:
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* :cpp:member:`wifi_prov_mgr_config_t::scheme` - 用于指定配网方案。每个方案对应一种 protocomm 支持的传输模式，因此支持三个选项：
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* ``wifi_prov_scheme_ble`` - 使用低功耗蓝牙传输和 GATT 服务器来处理配网命令。
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* ``wifi_prov_scheme_softap`` - 使用 Wi-Fi SoftAP 传输和 HTTP 服务器来处理配网命令。
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* ``wifi_prov_scheme_console`` - 使用串口传输和控制台来处理配网命令。
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* :cpp:member:`wifi_prov_mgr_config_t::scheme_event_handler` - 为方案定义的专属事件处理程序。选择适当方案后，其专属事件处理程序支持管理器自动处理特定事项。目前，该选项不适用于 SoftAP 或基于控制台的配网方案，但对于低功耗蓝牙配网方案来说非常方便。因为蓝牙需要相当多内存才能正常工作，所以配网完成后，主应用程序需要使用低功耗蓝牙或经典蓝牙时，可能需要回收配网所占的全部或部分内存。此外，未来每当配网设备重启时，都需要再次回收内存。为了便于使用 ``wifi_prov_scheme_ble`` 选项，各方案定义了专属处理程序。设备会根据所选处理程序，在反初始化配网管理器时自动释放低功耗蓝牙、经典蓝牙或蓝牙双模的内存。可用选项包括：
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* ``WIFI_PROV_SCHEME_BLE_EVENT_HANDLER_FREE_BTDM`` - 同时释放经典蓝牙和低功耗蓝牙或蓝牙双模的内存，可以在主应用程序不需要蓝牙时使用该选项。
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* ``WIFI_PROV_SCHEME_BLE_EVENT_HANDLER_FREE_BLE`` - 只释放低功耗蓝牙的内存，可以在主应用程序需要经典蓝牙时使用该选项。
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* ``WIFI_PROV_SCHEME_BLE_EVENT_HANDLER_FREE_BT`` - 仅释放经典蓝牙的内存，可以在主应用程序需要低功耗蓝牙时使用该选项，内存会在初始化管理器时立即释放。
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* ``WIFI_PROV_EVENT_HANDLER_NONE`` - 不使用任何特定方案的专属处理程序。以下情况可使用该选项：不使用低功耗蓝牙配网方案，即使用 SoftAP 或控制台方案；主应用程序需要自行回收内存；主应用程序需要同时使用低功耗蓝牙和经典蓝牙。
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* :cpp:member:`wifi_prov_mgr_config_t::app_event_handler` （不推荐）- 目前建议使用默认的事件循环处理程序捕获生成的 ``WIFI_PROV_EVENT``。关于配网服务生成事件的列表，请参阅 ``wifi_prov_cb_event_t`` 的定义。以下是配网事件示例摘录：
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.. code-block:: c
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static void event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base,
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int event_id, void* event_data)
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{
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if (event_base == WIFI_PROV_EVENT) {
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switch (event_id) {
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case WIFI_PROV_START:
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ESP_LOGI(TAG, "Provisioning started");
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break;
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case WIFI_PROV_CRED_RECV: {
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wifi_sta_config_t *wifi_sta_cfg = (wifi_sta_config_t *)event_data;
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ESP_LOGI(TAG, "Received Wi-Fi credentials"
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"\n\tSSID : %s\n\tPassword : %s",
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(const char *) wifi_sta_cfg->ssid,
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(const char *) wifi_sta_cfg->password);
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break;
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}
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case WIFI_PROV_CRED_FAIL: {
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wifi_prov_sta_fail_reason_t *reason = (wifi_prov_sta_fail_reason_t *)event_data;
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ESP_LOGE(TAG, "Provisioning failed!\n\tReason : %s"
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"\n\tPlease reset to factory and retry provisioning",
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(*reason == WIFI_PROV_STA_AUTH_ERROR) ?
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"Wi-Fi station authentication failed" : "Wi-Fi access-point not found");
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break;
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}
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case WIFI_PROV_CRED_SUCCESS:
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ESP_LOGI(TAG, "Provisioning successful");
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break;
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case WIFI_PROV_END:
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/*配网完成后，反初始化管理器。*/
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wifi_prov_mgr_deinit();
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break;
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default:
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break;
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}
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}
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}
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调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_deinit()` 可以随时反初始化管理器。
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.. _wifi-prov-check-state:
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检查配网状态
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在运行时，可以调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_is_provisioned()` 检查设备是否配网完成，该函数会在内部检查 Wi-Fi 凭据是否存储在 NVS 中。
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请注意，目前管理器并没有自己的 NVS 命名空间来存储 Wi-Fi 凭据，而是依赖 ``esp_wifi_`` API 来设置和获取存储在默认位置的 NVS 中的凭据。
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可以采用以下任一方法重置配网状态：
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* 手动擦除 NVS 分区的配网相关部分。
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* 主应用程序必须实现某种逻辑，以在运行时调用 ``esp_wifi_`` API 来擦除凭据。
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* 主应用程序必须实现某种逻辑，以在不考虑配网状态的情况下，强制启动配网。
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.. code-block:: c
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bool provisioned = false;
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ESP_ERROR_CHECK( wifi_prov_mgr_is_provisioned(&provisioned) );
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启动配网服务
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在启动配网服务时，需要指定服务名称和相应密钥，即：
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* 使用 ``wifi_prov_scheme_softap`` 方案时，服务名称对应 Wi-Fi SoftAP 的 SSID，密钥对应密码。
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* 使用 ``wifi_prov_scheme_ble`` 方案时，服务名称对应低功耗蓝牙设备名称，无需指定密钥。
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此外，由于管理器内部使用了 ``protocomm``，可以选择其提供的任一安全功能：
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* Security 1 是安全通信，该安全通信需要先握手，其中涉及 X25519 密钥交换和使用所有权证明 ``pop`` 完成身份验证，随后使用 AES-CTR 加密或解密后续消息。
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* Security 0 是纯文本通信，会直接忽略 ``pop``。
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关于安全功能的更多详情，请参阅 :doc:`provisioning`。
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.. highlight:: c
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::
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const char *service_name = "my_device";
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const char *service_key = "password";
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wifi_prov_security_t security = WIFI_PROV_SECURITY_1;
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const char *pop = "abcd1234";
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ESP_ERROR_CHECK( wifi_prov_mgr_start_provisioning(security, pop, service_name, service_key) );
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如果收到有效的 Wi-Fi AP 凭据，且设备成功连接到该 AP 并获取了 IP，配网服务会自动结束。此外，调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_stop_provisioning()` 可以随时停止配网服务。
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.. note::
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如果设备使用提供的凭据无法连接，则它不再接受新的凭据，但在设备重新启动前，配网服务仍然会继续运行，并向客户端传递连接失败的信息。设备重新启动后配网状态将变为已配网，因为在 NVS 中找到了凭据，但除非出现与凭据匹配的可用 AP，否则设备仍然无法使用原凭据进行连接。可以通过重置 NVS 中的凭据或强制启动配网服务来解决这个问题，详情请参阅上文 :ref:`wifi-prov-check-state`。
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等待配网完成
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主应用程序通常会等待配网服务完成，然后反初始化管理器以释放资源，最后开始执行自己的逻辑。
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有两种方法可以实现这一点，其中调用阻塞 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_wait()` 更为简单。
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.. code-block:: c
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// 启动配网服务
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ESP_ERROR_CHECK( wifi_prov_mgr_start_provisioning(security, pop, service_name, service_key) );
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// 等待服务完成
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wifi_prov_mgr_wait();
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// 最后反初始化管理器
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wifi_prov_mgr_deinit();
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另一种方法是使用默认的事件循环处理程序捕获 ``WIFI_PROV_EVENT`` 并在事件 ID 为 ``WIFI_PROV_END`` 时调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_deinit()`：
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.. code-block:: c
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static void event_handler(void* arg, esp_event_base_t event_base,
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int event_id, void* event_data)
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{
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if (event_base == WIFI_PROV_EVENT && event_id == WIFI_PROV_END) {
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/* 配网完成后反初始化管理器 */
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wifi_prov_mgr_deinit();
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}
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}
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用户端实现
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启动服务时，通过广播服务名称识别即将配网的设备。根据选择的传输方式，该服务名称为低功耗蓝牙设备的名称或 SoftAP SSID。
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使用 SoftAP 传输方式时，为便于服务发现，必须在启动配网之前初始化 mDNS。在这种情况下，应使用主应用程序设置的主机名，并且在内部将服务类型设置为 ``_esp_wifi_prov``。
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使用低功耗蓝牙传输方式时，应使用 :cpp:func:`wifi_prov_scheme_ble_set_service_uuid()` 设置一个自定义的 128 位 UUID。该 UUID 将包含在低功耗蓝牙广播中，并对应于提供配网端点作为 GATT 特征的主要服务。每个 GATT 特征都基于主要服务 UUID 形成，其中从第 0 个字节开始计数，第 12 和第 13 个字节为自动分配的不同字节。由于端点特征 UUID 自动分配，因此不应将其用于识别端点。客户端应用程序应通过读取每个特征的用户特征描述符 (``0x2901``) 来识别端点，该描述符包含特征的端点名称。例如，如果将服务 UUID 设置为 ``55cc035e-fb27-4f80-be02-3c60828b7451``，每个端点特征将分配到一个类似于 ``55cc____-fb27-4f80-be02-3c60828b7451`` 的 UUID，其中第 12 和第 13 个字节具有唯一值。
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连接设备后，可以通过以下方式识别与配网相关的 protocomm 端点：
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.. |br| raw:: html
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<br>
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.. list-table:: 配网服务提供的端点
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:widths: 35 35 30
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:header-rows: 1
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* - 端点名称 |br| 即低功耗蓝牙 + GATT 服务器
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- URI 即 SoftAP |br| + HTTP 服务器 + mDNS
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- 描述
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* - prov-session
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- http://<mdns-hostname>.local/prov-session
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- 用于建立会话的安全端点
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* - prov-scan
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- http://wifi-prov.local/prov-scan
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- 用于启动 Wi-Fi 扫描和接收扫描结果的端点
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* - prov-ctrl
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- http://wifi-prov.local/prov-ctrl
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- 用于控制 Wi-Fi 配网状态的端点
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* - prov-config
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- http://<mdns-hostname>.local/prov-config
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- 用于在设备上配置 Wi-Fi 凭据的端点
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* - proto-ver
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- http://<mdns-hostname>.local/proto-ver
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- 用于获取版本信息的端点
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连接后，客户端应用程序可以立即从 ``proto-ver`` 端点获取版本或属性信息。所有与此端点的通信均未加密，因此在建立安全会话前，可以检索相关必要信息，确保会话兼容。响应结果以 JSON 格式返回，格式类似于 ``prov: { ver: v1.1, cap: [no_pop] }, my_app: { ver: 1.345, cap: [cloud, local_ctrl] },....``。其中 ``prov`` 标签提供了配网服务的版本 ``ver`` 和属性 ``cap``。目前仅支持 ``no_pop`` 属性，表示该服务不需要验证所有权证明。任何与应用程序相关的版本或属性将由其他标签给出，如本示例中的 ``my_app``。使用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_set_app_info()` 可以设置这些附加字段。
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用户端应用程序需要根据所配置的安全方案实现签名握手，以建立和认证 protocomm 安全会话。当管理器配置为使用 protocomm security 0 时，则不需要实现签名握手。
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关于安全握手和加密的详情，请参阅 :doc:`provisioning`。应用程序必须使用 :component:`protocomm/proto` 中的 ``.proto`` 文件。``.proto`` 文件定义了 ``prov-session`` 端点支持的 protobuf 消息结构。
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建立会话后，以下 ``wifi_config`` 命令集可用于配置 Wi-Fi 凭据，这些命令会被序列化为 protobuf 消息，对应的 ``.proto`` 文件存放在 :component:`wifi_provisioning/proto` 中。
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* ``get_status`` - 用于查询 Wi-Fi 连接状态。设备响应状态为连接中、已连接或已断开。如果状态为已断开，则还会包含断开原因。
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* ``set_config`` - 用于设置 Wi-Fi 连接凭据。
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* ``apply_config`` - 用于应用先前保存的凭据，即由 ``set_config`` 设置的凭据，并启动 Wi-Fi 站点。
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建立会话后，客户端还可以从设备请求 Wi-Fi 扫描结果。返回结果为 AP SSID 的列表，按信号强度降序排序。由此，客户端应用程序可以在设备配网时显示附近的 AP，并且用户可以选择其中一个 SSID 并提供密码，然后使用上述 ``wifi_config`` 命令发送密码。``wifi_scan`` 端点支持以下 protobuf 命令：
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* ``scan_start`` - 启动 Wi-Fi 扫描有多个选项，具体如下：
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* ``blocking`` （输入）- 如果参数为 true，则命令只会在扫描完成后返回。
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* ``passive`` （输入）- 如果参数为 true，则以被动模式启动扫描，扫描速度可能更慢。
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* ``group_channels`` （输入）- 该参数用于指定是否分组扫描。如果参数为 0，表示一次性扫描所有信道；如果参数为非零值，则表示分组扫描信道且参数值为每组中的信道数，每个连续组之间有 120 毫秒的延迟。分组扫描非常适用于使用 SoftAP 的传输模式，因为一次性扫描所有信道可能会导致 Wi-Fi 驱动没有足够时间发送信标，进而导致与部分站点断连。分组扫描时，管理器每扫描完一组信道，至少会等待 120 毫秒，确保驱动程序有足够时间发送信标。例如，假设共有 14 个 Wi-Fi 信道，将 ``group_channels`` 设置为 3 则将创建 5 个分组，每个分组包含 3 个信道，最后一个分组则为 14 除以 3 余下的 2 个信道。因此，扫描开始时，首先会扫描前 3 个信道，然后等待 120 毫秒，再继续扫描后 3 个信道，以此类推，直到扫描完 14 个信道。可以根据实际情况调整此参数，因为分组中信道数量过少可能会增加整体扫描时间，而信道数量过多则可能会导致连接再次断开。大多数情况下，将参数值设置为 4 即可。请注意，对于低功耗蓝牙等其他传输模式，可以放心将该参数设置为 0，从而在最短时间内完成扫描。
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* ``period_ms`` （输入）- 该扫描参数用于设置在每个信道上的等待时间。
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* ``scan_status`` - 可以返回扫描过程的状态：
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* ``scan_finished`` （输出）- 扫描完成时，该参数返回为 true。
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* ``result_count`` （输出）- 该参数返回到目前为止获取的结果总数。如果扫描仍在进行，该数字会不断更新。
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* ``scan_result`` - 用于获取扫描结果。即使扫描仍在进行，也可以调用此函数。
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* ``start_index`` （输入）- 从结果列表中获取条目的起始索引位置。
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* ``count`` （输入）- 从起始索引位置获取的条目数目。
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* ``entries`` （输出）- 返回条目的列表。每个条目包含 ``ssid``、``channel`` 和 ``rssi`` 信息。
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客户端还可以使用 ``wifi_ctrl`` 端点来控制设备的配网状态。``wifi_ctrl`` 端点支持的 protobuf 命令如下：
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* ``ctrl_reset`` - 仅在配网失败时，重置设备的内部状态机并清除已配置的凭据。
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* ``ctrl_reprov`` - 仅在设备已成功配网的前提下，设备需要重新配网获取新的凭据时，重置设备的内部状态机并清除已配置的凭据。
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附加端点
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如果用户想要根据自己的需求定制一些附加 protocomm 端点，可以通过两步完成。第一步是创建一个具有特定名称的端点，第二步是为该端点注册一个处理程序。关于端点处理程序的函数签名，请参阅 :doc:`protocomm`。自定义端点必须在初始化后、配网服务启动之前创建，但只能在配网服务启动后为该端点注册 protocomm 处理程序。注意在自定义端点处理程序的函数中，应使用堆来分配响应这些 protocomm 端点的内存，因为一旦传输层发送完毕，protocomm 层就会释放这部分内存。
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.. code-block:: c
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wifi_prov_mgr_init(config);
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wifi_prov_mgr_endpoint_create("custom-endpoint");
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wifi_prov_mgr_start_provisioning(security, pop, service_name, service_key);
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wifi_prov_mgr_endpoint_register("custom-endpoint", custom_ep_handler, custom_ep_data);
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配网服务停止时，端点会自动取消注册。
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在运行时，可以调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_endpoint_unregister()` 来手动停用某个端点。该函数也可以用于停用配网服务使用的内部端点。
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何时以及如何停止配网服务？
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当设备使用 ``apply_config`` 命令设置的 Wi-Fi 凭据成功连接，配网服务将默认停止，并在响应下一个 ``get_status`` 命令后自动关闭低功耗蓝牙或 softAP。如果设备没有收到 ``get_status`` 命令，配网服务将在超时 30 秒后停止。
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如果设备因 SSID 或密码不正确等原因无法使用 Wi-Fi 凭据成功连接，配网服务将继续运行，并通过 ``get_status`` 命令持续响应为断连状态，并提供断连原因。此时设备不会再接受任何新的 Wi-Fi 凭据。除非强制启动配网服务或擦除 NVS 存储，这些凭据将保留。
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可以调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_disable_auto_stop()` 来禁用默认设置。禁用后，只有在显式调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_stop_provisioning()` 之后，配网服务才会停止，且该函数会安排一个任务来停止配网服务，之后立即返回。配网服务将在一定延迟后停止，并触发 ``WIFI_PROV_END`` 事件。该延迟时间可以由 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_disable_auto_stop()` 的参数指定。
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如果需要在成功建立 Wi-Fi 连接后的某个时间再停止配网服务，应用程序可以采取定制行为。例如，如果应用程序需要设备连接到某个云服务并获取另一组凭证，继而通过自定义 protocomm 端点交换凭证，那么成功完成此操作后，可以在 protocomm 处理程序中调用 :cpp:func:`wifi_prov_mgr_stop_provisioning()` 来停止配网服务。设定适当的延迟时间可以确保 protocomm 处理程序的响应到达客户端应用程序后，才释放传输资源。
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应用程序示例
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关于完整实现示例，请参阅 :example:`provisioning/wifi_prov_mgr`。
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配网工具
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以下为各平台相应的配网应用程序，并附带源代码：
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* Android:
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* `Play Store 上的低功耗蓝牙配网应用程序 <https://play.google.com/store/apps/details?id=com.espressif.provble>`_。
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* `Play Store 上的 SoftAP 配网应用程序 <https://play.google.com/store/apps/details?id=com.espressif.provsoftap>`_。
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* GitHub 上的源代码： `esp-idf-provisioning-android <https://github.com/espressif/esp-idf-provisioning-android>`_。
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||
* iOS:
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||
* `App Store 上的低功耗蓝牙配网应用程序 <https://apps.apple.com/in/app/esp-ble-provisioning/id1473590141>`_。
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||
* `App Store 上的 SoftAP 配网应用程序 <https://apps.apple.com/in/app/esp-softap-provisioning/id1474040630>`_。
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* GitHub 上的源代码： `esp-idf-provisioning-ios <https://github.com/espressif/esp-idf-provisioning-ios>`_。
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* Linux/MacOS/Windows: 基于 Python 的命令行工具 :idf:`tools/esp_prov`，可用于设备配网。
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手机应用程序界面简洁，便于用户使用，而开发者可以使用命令行应用程序，便于调试。
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API 参考
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.. include-build-file:: inc/manager.inc
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.. include-build-file:: inc/scheme_ble.inc
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.. include-build-file:: inc/scheme_softap.inc
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.. include-build-file:: inc/scheme_console.inc
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||
.. include-build-file:: inc/wifi_config.inc
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