WiFi与蓝牙

概述

WiFi和蓝牙是机器人最常用的无线通信方式。WiFi提供高带宽，适合图像传输和ROS2通信；BLE提供低功耗，适合遥控和状态监控；ESP-NOW提供低延迟的点对点通信。

ESP32 WiFi

WiFi模式

ESP32支持三种WiFi工作模式：

模式	说明	应用
Station（STA）	连接到路由器	机器人接入家庭/实验室网络
Access Point（AP）	自身作为热点	机器人自建WiFi，手机直连
STA+AP	同时两种模式	桥接/中继

Station模式

// ESP32 Station模式连接WiFi
#include <WiFi.h>

const char* ssid = "RobotLab_5G";
const char* password = "password123";

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    WiFi.mode(WIFI_STA);
    WiFi.begin(ssid, password);

    Serial.print("连接WiFi中");
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(500);
        Serial.print(".");
    }

    Serial.println();
    Serial.print("IP地址: ");
    Serial.println(WiFi.localIP());
    Serial.print("信号强度: ");
    Serial.print(WiFi.RSSI());
    Serial.println(" dBm");
}

AP模式

// ESP32 作为WiFi热点
#include <WiFi.h>

const char* ap_ssid = "MyRobot";
const char* ap_password = "robot123";

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    WiFi.mode(WIFI_AP);
    WiFi.softAP(ap_ssid, ap_password, 1, 0, 4);  // 信道1, 不隐藏, 最多4连接

    Serial.print("AP IP: ");
    Serial.println(WiFi.softAPIP());  // 默认192.168.4.1
}

WiFi参数

参数	2.4GHz	5GHz
频段	2.400-2.4835 GHz	5.150-5.825 GHz
信道数	13 (中国)	较多
穿墙能力	强	弱
干扰	严重（微波炉、蓝牙）	较少
带宽	72-150 Mbps (WiFi 4)	433-866 Mbps (WiFi 5)
延迟	1-10ms（典型）	1-5ms

ESP32 WiFi限制

ESP32仅支持2.4GHz WiFi。ESP32-S3同样如此。需要5GHz需使用外部WiFi模块或更高级的SoC。

WiFi UDP通信示例

// ESP32 UDP 发送传感器数据
#include <WiFi.h>
#include <WiFiUdp.h>

WiFiUDP udp;
const char* targetIP = "192.168.1.100";  // PC地址
const int targetPort = 8888;

void setup() {
    WiFi.begin("RobotLab", "password");
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) delay(100);
    udp.begin(8889);  // 本地端口
}

void loop() {
    // 发送IMU数据
    float ax = 0.1, ay = -0.05, az = 9.8;
    float gx = 0.01, gy = -0.02, gz = 0.005;

    uint8_t buf[24];
    memcpy(buf, &ax, 4);
    memcpy(buf+4, &ay, 4);
    memcpy(buf+8, &az, 4);
    memcpy(buf+12, &gx, 4);
    memcpy(buf+16, &gy, 4);
    memcpy(buf+20, &gz, 4);

    udp.beginPacket(targetIP, targetPort);
    udp.write(buf, 24);
    udp.endPacket();

    delay(10);  // 100Hz
}

ESP-NOW

概述

ESP-NOW是Espressif开发的低延迟、无连接的点对点通信协议：

特性	值
延迟	<5ms（典型1-2ms）
速率	1 Mbps
距离	~200m（室外空旷）
设备数	最多20个对端
加密	支持（CCMP）
需要路由器	不需要

优势

• 无需WiFi网络：两个ESP32即可直接通信
• 极低延迟：无需TCP/IP协议栈开销
• 快速配对：通过MAC地址识别对端
• 可与WiFi共存：ESP-NOW和WiFi STA模式可同时使用

代码示例

发送端（遥控器）：

#include <esp_now.h>
#include <WiFi.h>

// 接收端MAC地址
uint8_t peerMAC[] = {0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF};

// 控制数据结构
typedef struct {
    int16_t joystick_x;   // -512 ~ 512
    int16_t joystick_y;
    uint8_t button_a;
    uint8_t button_b;
} ControlData;

ControlData ctrl;

void onSent(const uint8_t *mac, esp_now_send_status_t status) {
    // 发送回调（可选）
}

void setup() {
    WiFi.mode(WIFI_STA);
    esp_now_init();
    esp_now_register_send_cb(onSent);

    esp_now_peer_info_t peer;
    memcpy(peer.peer_addr, peerMAC, 6);
    peer.channel = 0;
    peer.encrypt = false;
    esp_now_add_peer(&peer);
}

void loop() {
    ctrl.joystick_x = analogRead(34) - 2048;
    ctrl.joystick_y = analogRead(35) - 2048;
    ctrl.button_a = digitalRead(12);
    ctrl.button_b = digitalRead(13);

    esp_now_send(peerMAC, (uint8_t*)&ctrl, sizeof(ctrl));
    delay(20);  // 50Hz
}

接收端（机器人）：

#include <esp_now.h>
#include <WiFi.h>

typedef struct {
    int16_t joystick_x;
    int16_t joystick_y;
    uint8_t button_a;
    uint8_t button_b;
} ControlData;

ControlData ctrl;
volatile bool newData = false;

void onReceive(const uint8_t *mac, const uint8_t *data, int len) {
    memcpy(&ctrl, data, sizeof(ctrl));
    newData = true;
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.mode(WIFI_STA);
    esp_now_init();
    esp_now_register_recv_cb(onReceive);
}

void loop() {
    if (newData) {
        newData = false;
        Serial.printf("X=%d Y=%d A=%d B=%d\n",
            ctrl.joystick_x, ctrl.joystick_y,
            ctrl.button_a, ctrl.button_b);
        // 控制电机...
    }
}

BLE（低功耗蓝牙）

BLE 5.0特性

特性	BLE 4.2	BLE 5.0
速率	1 Mbps	2 Mbps
距离	~50m	~200m（远程模式）
广播数据量	31字节	255字节
功耗	极低	更低

GATT协议栈

BLE通信基于GATT（Generic Attribute Profile）模型：

                    GATT Server (机器人)
                    ┌─────────────────────┐
                    │ Service: Robot Control│
                    │ UUID: 0x1234         │
                    │ ┌─────────────────┐  │
                    │ │ Characteristic:  │  │
                    │ │ Speed Command    │  │
                    │ │ UUID: 0x1235     │  │
                    │ │ Properties: Write│  │
                    │ └─────────────────┘  │
                    │ ┌─────────────────┐  │
                    │ │ Characteristic:  │  │
                    │ │ Battery Level    │  │
                    │ │ UUID: 0x1236     │  │
                    │ │ Properties: Read,│  │
                    │ │            Notify│  │
                    │ └─────────────────┘  │
                    └─────────────────────┘

核心概念：

概念	说明
Server	提供数据的设备（通常是机器人）
Client	读写数据的设备（通常是手机/PC）
Service	功能组（如"电机控制"）
Characteristic	具体数据项（如"目标速度"）
Descriptor	特征的描述信息
Properties	Read/Write/Notify/Indicate

ESP32 BLE Server示例

#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLE2902.h>

#define SERVICE_UUID        "12345678-1234-1234-1234-123456789abc"
#define CHAR_COMMAND_UUID   "12345678-1234-1234-1234-123456789abd"
#define CHAR_STATUS_UUID    "12345678-1234-1234-1234-123456789abe"

BLECharacteristic *pStatusChar;
bool deviceConnected = false;

class MyServerCallbacks : public BLEServerCallbacks {
    void onConnect(BLEServer* pServer) { deviceConnected = true; }
    void onDisconnect(BLEServer* pServer) { deviceConnected = false; }
};

class CommandCallback : public BLECharacteristicCallbacks {
    void onWrite(BLECharacteristic *pChar) {
        std::string value = pChar->getValue();
        if (value.length() >= 2) {
            int16_t speed = (value[1] << 8) | value[0];
            Serial.printf("收到速度指令: %d\n", speed);
            // 控制电机...
        }
    }
};

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    BLEDevice::init("MyRobot");
    BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();
    pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());

    BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

    // 命令特征（手机写入）
    BLECharacteristic *pCmdChar = pService->createCharacteristic(
        CHAR_COMMAND_UUID,
        BLECharacteristic::PROPERTY_WRITE
    );
    pCmdChar->setCallbacks(new CommandCallback());

    // 状态特征（机器人通知）
    pStatusChar = pService->createCharacteristic(
        CHAR_STATUS_UUID,
        BLECharacteristic::PROPERTY_READ | BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
    );
    pStatusChar->addDescriptor(new BLE2902());

    pService->start();
    BLEAdvertising *pAdv = BLEDevice::getAdvertising();
    pAdv->addServiceUUID(SERVICE_UUID);
    pAdv->start();

    Serial.println("BLE已启动，等待连接...");
}

void loop() {
    if (deviceConnected) {
        // 发送电池电压
        float voltage = analogRead(34) * 3.3 / 4095 * 2;  // 分压
        uint16_t mv = (uint16_t)(voltage * 1000);
        pStatusChar->setValue((uint8_t*)&mv, 2);
        pStatusChar->notify();
    }
    delay(1000);
}

ROS2 DDS over WiFi

DDS QoS配置

ROS2使用DDS（Data Distribution Service）进行话题通信。WiFi环境下需要注意QoS配置：

QoS策略	实时控制	传感器数据	配置参数
Reliability	BEST_EFFORT	BEST_EFFORT	丢包可接受
Durability	VOLATILE	VOLATILE	不保存历史
History	KEEP_LAST(1)	KEEP_LAST(5)	保留最新
Deadline	10ms	100ms	超时检测

# ROS2 Python QoS配置
from rclpy.qos import QoSProfile, ReliabilityPolicy, HistoryPolicy

# 实时控制话题QoS
realtime_qos = QoSProfile(
    reliability=ReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
    history=HistoryPolicy.KEEP_LAST,
    depth=1
)

# 创建发布者
self.cmd_pub = self.create_publisher(Twist, '/cmd_vel', realtime_qos)

WiFi环境常见问题

问题	原因	对策
延迟波动	WiFi信道竞争	用5GHz频段，减少设备
丢包	信号弱/干扰	使用BEST_EFFORT QoS
DDS发现慢	多播不可靠	配置SIMPLE Discovery peers
带宽不足	图像数据大	压缩传输、降低帧率

WiFi优化建议

1. 使用5GHz频段：干扰少、带宽大
2. 固定IP地址：避免DHCP延迟
3. 独立路由器：机器人网络与办公网络分离
4. 减小MTU：降低单包丢失影响
5. 关闭电源管理：iwconfig wlan0 power off

WiFi 6（802.11ax）

机器人相关新特性

特性	说明	机器人价值
OFDMA	正交频分多址	多设备同时通信，降低延迟
MU-MIMO	多用户多输入多输出	多机器人同时传输
TWT	目标唤醒时间	低功耗设备省电
BSS Coloring	基本服务集着色	密集环境减少干扰
速率	1.2-9.6 Gbps	高带宽传感器流

Mesh网络

概述

Mesh（网状）网络允许多个节点互相转发数据，扩大覆盖范围：

    机器人A ←──→ 机器人B ←──→ 机器人C
       ↑              ↑
       └──────────────┘
            自动路由

ESP-MESH

ESP-IDF提供的Mesh方案：

• 最多1000个节点
• 自动组网和路由
• 树形拓扑，根节点连接WiFi
• 适合多机器人协作场景

通信方式对比

方式	带宽	延迟	功耗	距离	适用场景
WiFi STA	高	1-10ms	高	50m	图像传输、ROS2
ESP-NOW	1Mbps	1-2ms	低	200m	遥控、低延迟控制
BLE	2Mbps	10-30ms	极低	100m	手机遥控、状态监控
WiFi 6	极高	<1ms	中高	50m	高带宽实时场景
Mesh	中	变化	中	扩展	多机器人协作

小结

• ESP32 WiFi支持STA/AP/双模，是机器人无线通信的基础
• ESP-NOW提供无需路由器的低延迟点对点通信，适合遥控
• BLE 5.0功耗极低，GATT模型适合手机APP控制机器人
• ROS2 DDS over WiFi需要合理配置QoS避免延迟和丢包
• WiFi 6的OFDMA和MU-MIMO特性有望改善多机器人场景
• 实际项目中常根据需求组合使用多种无线方式

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