ESP-NOW: две платы говорят без роутера

Теплица от мастерской в двадцати метрах отделялась парой грядок и одной стеной, роутера там не было и не предвиделось, а показания термометра видеть хотелось. Я перепробовал всё по возрастанию боли: провод через окно, ретранслятор WiFi за тысячу рублей, и наконец наткнулся на ESP-NOW — фирменный протокол Espressif, при котором две платы обмениваются пакетами напрямую, по радиоканалу, без сети вообще. Ни роутера, ни IP-адресов, ни DHCP: пакет летит с MAC-адреса на MAC-адрес за единицы миллисекунд.

В этом уроке — вся механика пары: пейринг по MAC, честная проверка доставки через колбэк, лимиты протокола с цифрами дальности — от академических замеров до моей теплицы. Радио движок симулятора не эмулирует, поэтому обмен двух плат рисуется моделью в Serial с честной пометкой. Сетью без роутера мы уже занимались в уроке про точку доступа — там плата поднимала собственную сеть WiFi; ESP-NOW идёт дальше и не поднимает даже её.

ESP-NOW живёт поверх того же WiFi-радио чипа, но мимо всего, что делает WiFi сетью: нет ассоциации с точкой доступа, нет TCP, нет заголовков HTTP. Отправка — esp_now_send с адресом получателя и указателем на байты; приём — колбэк, в который система кладёт MAC отправителя и содержимое пакета. Накладные расходы оттого копеечные, а задержка на моих платах — единицы миллисекунд: HTTP-запрос через роутер даже в локальной сети занимает десятки и сотни.

Требований к паре два, и оба про совпадение. Первое: у каждой платы известен MAC — свой печатает WiFi.macAddress(), я делаю это в setup каждого скетча и подписываю маркером на корпусе. Второе: обе платы сидят на одном канале радио. Пока обе в WIFI_STA и ни одна не подключена к роутеру, они живут на канале 1 — совпадение получается бесплатно. Как только одна из пары подключается к роутеру, её канал становится роутерным, и пара замолкает: этой канальной дисциплине посвящён третий урок кластера.

Экономика радио — отдельный плюс. На отправку пакета радиомодуль просыпается на единицы миллисекунд и сразу засыпает: ни ассоциации с точкой доступа, ни служебных маяков, ни DTIM-окон, которыми дышит WiFi-клиент. Для батарейного узла это означает, что сам обмен почти ничего не стоит — весь расход определяется сном между отправками, и именно поэтому ESP-NOW у меня первый кандидат на роль канала для узла, который просыпается по таймеру раз в минуту и говорит три слова.

Разбор по узлам. Возврат esp_now_send — это «пакет поставлен в очередь», не «дошёл»: у радиопротокола нет повторов и квитанций TCP, поэтому правда о доставке приходит позже, отдельным вызовом колбэка отправки со статусом SUCCESS или FAIL. Если адресат обесточен или ушёл за дальность, вернётся FAIL — у меня это повод поднять счётчик промахов, а не паниковать. В колбэке не затевайте тяжёлого: он срабатывает из системного контекста, поэтому у меня там только запись статуса в переменную, а вся печать — в loop. Расписание отправки держу на millis, без delay: принципы того же millis-каркаса.

Приёмник симметричен: в колбэк приходит указатель на байты и длина, я сравниваю длину с sizeof(Paket) и копирую memcpy в структуру той же раскладки. Проверка длины — страховка от чужих устройств в эфире: пакет другого формата просто отбрасывается. И честное предупреждение: в свежих версиях ядра сигнатуры колбэков поменялись — приём получает структуру-описатель, где сидит и RSSI этого пакета. Если компилятор ругается на типы колбэка, вы попали в новый API: поправьте сигнатуру по подсказке компилятора, логика не меняется. Силу сигнала в целом я диагностирую отдельно — RSSI в Serial.

Отладка пары — это два Serial-монитора: у каждой платы свой порт, и я пишу префиксы [A] и [B] прямо в строки печати. Ночь, когда пара «не работает», чаще всего оказывалась ночью с выключенной второй платой: я смотрел в пустое окно монитора и грешил на радио. Печать из колбэка в свежих версиях ядра допустима, но до первой необходимости не тащите её туда — статус через переменную в loop, как в скетче выше, а в колбэке только самый лёгкий код.

Содержание пакета — вопрос уже не радио, а дисциплины. Один пакет — одно событие: показание, команда, статус; суточный архив в двадцать байт не влезет и в двадцать раз больший лимит, да и не его это работа. Частота у моих узлов — раз в две секунды в бодром режиме и раз в минуту в дежурном; при плотном потоке драйвер может отбрасывать пакеты, поэтому честный потолок пары — единицы пакетов в секунду, а не сотни. И держите в пакете счётчик отправок, как в скетче выше: приёмник сразу видит пропуски — на деградацию эфира это указывает раньше, чем RSSI и раньше FAIL.

Теперь потолки. Классическая версия протокола кладёт в один пакет до 250 байт полезной нагрузки — для показаний, состояний и команд этого хватает с избытком: мой пакет термометра весит меньше десятка. В свежих версиях ESP-IDF появился формат v2 с потолком 1470 байт, но ардуино-ядро исторически везёт классику — проверьте свою версию, прежде чем заталкивать большие кадры. Адресатов в таблице пиров держат около двадцати, шифрованных меньше: для пары это не ограничение вовсе, для сети — уже вопрос архитектуры, и он разобран в третьем уроке кластера.

Дальность в цифрах, как она есть. Академический замер в помещении даёт порядка пятнадцати метров, на открытом воздухе — до девяноста; обзоры с прямой видимостью и штатными антеннами обещают 220-400 метров, а в дальнобойном LR-режиме энтузиасты добирали и до пятисот. Моя теплица честно держит связь через одну стену и двадцать метров огорода; внутри железобетонного дома две стены съедают половину запаса. Цифры у вас будут своими — антенны, этажи, стены; меряйте на месте. А в проекте, где платы меняются, адреса соседей удобнее держать не в скетче, а в хранилище — как я устроил настройки в Preferences.

Сценарии пары, которые у меня прижились: пульт и реле на калитке, звонок у двери и тихий пьезоизлучатель в мастерской, счётчик импульсов воды и дисплей в доме. Во всех случаях одна сторона — источник события, вторая — исполнитель, и обе знают MAC друг друга наизусть. Как только источников становится три и больше, пара дорастает до звезды — сюжета третьего урока, где появится шлюз с роутером на борту.

Итог: ESP-NOW — радиоканал точка-точка без всякой сети, где от вас требуют совпадения канала, записанного в таблицу пиров MAC-адреса и честного отношения к лимитам: 250 байт на пакет, около двадцати адресатов, доставка подтверждается колбэком, а не возвратом send. Задержка в единицы миллисекунд и ноль инфраструктуры делают его первым выбором для парных устройств: пульт-выключатель, репитер показаний, дверь и звонок.

Домашнее задание: соберите пару из двух плат, распечатайте визитки MAC, прошейте скетч из урока на обе и поиграйте расстоянием, глядя на статусы колбэка. Когда пара заработает, добавьте пульту команды из монитора: разбор чисел из Serial вам пригодится сразу, вместе с таймаутами parseInt — они разобраны в уроке про чтение чисел.