ESP-NOW: две платы без роутера

Теплица стоит в пятистах метрах от дома, и тянуть туда роутер я не стал: счётчик воды и дисплей в мастерской общаются напрямую, по радио, протоколом ESP-NOW. Суть простая: две платы знают MAC-адреса друг друга и шлют кадры минус роутер, DHCP и IP-стек — обмен точка-точка между ESP32 и ESP8266, как его описывает документация Arduino. Задержка доставки в квартире — единицы миллисекунд, полезная нагрузка — до 250 байт на ESP32 и 200 на ESP8266: для показаний и команд за глаза. Моя пара честно держит связь через теплицу и огород, где ни одного роутера и в помине нет — и не будет.

Пейринг, печать своего MAC через WiFi.macAddress(), лимиты и дальность в цифрах уже разобраны в уроке про пару плат — пересказывать не буду. Здесь то, что превращает «привет» в протокол: пара зеркальных структур, одинаковых на обеих платах байт в байт, колбэки отправки и приёма с регистрацией через esp_now_register_send_cb и esp_now_register_recv_cb, счётчик seq в самом пакете и канальная дисциплина, на которой пары чаще всего и ломаются. MAC второй платы я после первого же проекта подписываю маркером прямо на корпусе: экран в мониторе забывается, а надпись — нет.

Когда выбор стоит между ESP-NOW и MQTT, я рассуждаю так. Есть роутер и брокер, данные едут в дом и в облако — беру MQTT: топики, retained-сообщения и QoS стоят возни с настройкой. Сети нет — дача, гараж, подвал — или нужна команда с задержкой в единицы мс — беру ESP-NOW. Полное сравнение — в таблице ниже, а батарейный узел, который просыпается, шлёт кадр и засыпает, дружит с ESP-NOW особенно хорошо: бюджет такого сна я считал в уроке про deep sleep.

Ядро протокола на прикладном уровне — структура, одинаковая в обоих скетчах: struct Paket { float temp; int vlazh; unsigned int seq; }. Отправитель кладёт в неё данные и зовёт esp_now_send(macB, (uint8_t *)&pk, sizeof(pk)) — радио уносит байты как есть. Приёмник в колбэке делает memcpy в свою копию. Всё держится на одном условии: раскладка полей совпадает байт в байт. Добавите поле только с одной стороны — смещения поедут, и приёмник будет уверенно читать мусор, не подозревая о подмене.

В структуру — только фиксированные типы: uint8_t, int16_t, float и char-массивы заданной длины. String живёт указателем в куче отправителя и на приёмнике указывает в никуда — эта грабля с разбором лежит в уроке про пару плат. Мой пакет термометра весит двенадцать байт, и потолок в 250 вмещает десятки полей с запасом; суточный архив графиков в один кадр не влезет и не должен — одно событие на один пакет, архивы собирает шлюз или приёмник с картой памяти.

seq — счётчик отправок внутри самой структуры, один беззнаковый int. Приёмник печатает его рядом с показаниями и сразу видит пропуски: после 38 пришёл 41 — два кадра не доехали, эфир деградирует раньше, чем вы это заметите глазами. Тот же счётчик ловит дубли: колбэк доставки не гарантирует отсутствие повторов на прикладном уровне, а кадр-двойник отличается по seq за секунду.

Про раскладку — одна привычка, которая экономит часы. Float на ESP32 занимает четыре байта, int и unsigned int — тоже по четыре, и компилятор вправе проложить между полями выравнивающие байты: если держать поля в порядке убывания размера и не смешивать однобайтовые с четырёхбайтовыми вперемешку, паддинга не будет. А чтобы не гадать, в setup обеих плат я вписываю Serial.println(sizeof(Paket)): напечатали одинаково — раскладка совпала, разъехались — сначала чиним структуру, потом ищем, почему приёмник читает мусор.

esp_now_register_send_cb(otpravlen) подписывает функцию, которую радио вызовет после каждой попытки отправки — со статусом ESP_NOW_SEND_SUCCESS или FAIL. Читаю её честно: SUCCESS значит «кадр ушёл в радио и сосед его услышал», но не «насос включился». Дошло ли дело до дела — знает только логика приёмника; для критичных команд я вешаю на приёмник короткую квитанцию тем же ESP-NOW, и seq помогает связать команду с ответом — колбэку на отправителе остаётся роль детектора мёртвого соседа.

Про шифрование: по умолчанию кадры летят открытым текстом, и любой сосед с ESP32 и сканером их прочитает. Для показаний температуры мне всё равно, а для команды на реле калитки я включаю peer.encrypt = true с общим LMK-ключом на обеих платах: цена — пара десятков микросекунд на шифрование и запись ключа в таблицу пиров, а шифрованных пиров у пары меньше, чем открытых, — для пары из двух плат ограничения не видно вовсе.

Адрес пира до send живёт в таблице: esp_now_add_peer(&peer) с MAC второй платы и encrypt=false для старта. MAC печатает сама вторая плата через WiFi.macAddress() в собственном setup — я подписываю его маркером на корпусе. Для broadcast-адресации есть зарезервированный MAC из шести 0xFF: команда улетает всем в эфире, и таблицу пиров заполнять не надо, — я пользуюсь им для «световой сигнал по всему дому», а в паре всё же честный адрес соседа. А вот поле channel в таблице пира — не «какой-нибудь»: ноль означает «текущий канал», и здесь начинается самая тихая ловушка протокола, у которой ниже отдельный разбор.

esp_now_register_recv_cb(prinyal) подписывает функцию, которую стек зовёт на каждый входящий кадр с указателем на данные и длиной. Внутри — дисциплина: сверить len с sizeof(Paket), скопировать байты в глобальную копию, поднять volatile-флаг, выйти. Печать в Serial и щелчок реле — в loop() по флагу: колбэк живёт в контексте WiFi-задачи, и долгая работа там подвешивает весь стек. В ядре 3.x подпись колбэка другая — данные приходят в структуре esp_now_recv_info_t, а MAC отправителя лежит в info->src_addr; байты и длина те же, поэтому memcpy и сверка размера не меняются.

Указатель из колбэка — временный: буфер валиден только внутри функции, после выхода из неё данные стек перезапишет. Поэтому скопировать байты надо там же, немедленно, — как в скетче выше, — и только потом флагом будить loop(): попытка сохранить указатель и разобрать кадр в loop() даёт порой правильные числа, порой мусор, и баг этот ловится днями. Volatile на флаге — той же природы: колбэк и loop живут в разных контекстах, и без volatile компилятор вправе закэшировать переменную в регистре.

Пока обе платы в WIFI_STA и ни одна не подключена к роутеру, они живут на канале 1 — совпадение бесплатно. Как только одна из пары подключается к роутеру, её канал становится роутерным — скажем, шестым, — и кадры летят в пустоту: пара молчит при идеальном коде. Диагностика в одну строку: WiFi.channel() на обеих платах, цифры обязаны совпадать. Сеть из многих узлов с шлюзом, который совмещает ESP-NOW и роутер, — отдельная история в уроке про ESP-NOW-сеть.

Радио и структур движок не умеет, поэтому эфир изображает Serial: отправитель печатает кадр из четырёх чисел — температура, влажность, seq, сумма, — приёмник его разбирает. Структуру заменяет массив int paket[4]: в реальном скетче это та самая структура из двенадцати байт. Контрольная сумма — байт-чекер по модулю 256: приёмник пересчитывает её из трёх полей и сравнивает с четвёртым числом; не сошлось — кадр отброшен, светодиод-исполнитель не щёлкает. Обе стороны живут в одном скетче-модели и разделены только пометками [tx], [ether] и [rx] — на живой паре это два разных устройства в двух разных корпусах.

Честная оговорка про реальность: на радио-уровне ESP-NOW битые кадры молча выкидывает CRC самого WiFi, поэтому поверх чистой пары сумму никто не гоняет. Она нужна, когда кадр едет дальше приёмника — через шлюз в Serial-мост или по цепочке узлов: сумма в структуре ловит то, что теряется после радио. В симе «помеха» портит каждый четвёртый кадр; пришлите в Serial число 0 — помехи выключатся, число от 2 до 10 — станут чаще. Ползунок A0 — датчик температуры: крутите, и она поедет в кадре. Понаблюдайте за счётчиками в строках «ok» — со включённой помехой брошенных кадров будет четверть, без неё — ноль.