5.15 WiFi

这一节教程中，我们将初步体验BlueFi的WiFi。

BlueFi的名字从何而来？Blue(Tooth-Wi)Fi，真正地实现蓝牙和WiFi同时共存的单板机。在蓝牙键盘那一节中我们已经体验过BlueFi的蓝牙的便捷性， 然而蓝牙仅仅局限于10米以内的无线电波通讯解决方案，而且近几年发展起来的低功耗蓝牙(BLE)技术使得蓝牙耳机拥有百亿级市场， 这也是我们以非常慎重的态度来增强BlueFi的蓝牙技术的缘由。

最近的IoT设备是NFC(近场通讯)技术(只能解决2厘米以内的无线电波通讯)，IoT的最后几米是蓝牙，那么IoT的最后几十米是WiFi。 据业内人士的专业预测，新兴的WiFi6技术将与5G技术将分庭抗争室外和室内的无线电波通讯技术应用领域，各自都会有巨大的市场潜力。 近两年的4G资费急剧下降，室外的甚至部分室内的无线电波通讯方案已经让我们可以放弃WiFi， 但是室内尤其非工业现场的住宅和办公区域仍是WiFi的天下，WiFi6是非常有竞争力的方案。

目前，WiFi是几十米到数百米距离内的无线电波通讯技术的最佳选择，虽然还有其他的选择，但综合考虑设备、流量和资费等成本， WiFi的确是无可争议的无线电波通讯方案。那么WiFi的工作原理是啥样？从本节开始， 我们通过一系列的教程帮助你逐步理解这一重要的IoT技术原理和实现方法。

5.15.1 扫描WiFi热点

本小节先使用BlueFi的WiFi通道让你初步体验“scan周围WiFi热点”，任何WiFi设备，只要具备交互能力，scan周围热点是其最重要的基础功能之一。

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import time
from hiibot_bluefi.wifi import WIFI
from hiibot_bluefi.basedio import NeoPixel
wifi = WIFI()
pixels = NeoPixel()
pixels.fillPixels( (255,0,0) )
if wifi.esp.status != 0xFF:
    pixels.fillPixels( (0,255,0) )
    print("WiFi be found and in idle mode")

print("MAC addr:", [hex(i) for i in wifi.esp.MAC_address])

for ap in wifi.esp.scan_networks():
    print("\t%s  RSSI: %d" % (str(ap['ssid'], 'utf-8'), ap['rssi']))

pixels.fillPixels( (0,0,255) )
wifi.esp.reset()
print("Program Done!")

while True:
    pass

本示例程序只实现BlueFi发现周围的WiFi热点，并按信号强度有高到低的顺序列出来。 请将本示例程序保存到BlueFi的 /CIRCUITPY/code.py文件中，BlueFi将开启内部WiFi通道，在LCD屏幕上显示自己的MAC地址， 并开始扫描周围WiFi热点，最后把scan到的热点按信号强度顺序地列出来，程序结束。

WiFi单元属于BlueFi上功率最大的组件，当我们使用WiFi完毕后，应使用“wifi.esp.reset()”关闭WiFi功能以达到节能之目的。

5.15.2 联网获取本地时间

前一小节中我们已经认识了BlueFi的WiFi，并启动WiFi扫描周围AP(WiFi热点)。这一小节中将介绍如何让BlueFi的WiFi连接到周围的一个可用的AP， 如果这个AP与互联网是连通的，我们就可以使用网络时间服务校准本地的日期和时间。

所谓可用的AP，是指BlueFi必须能够扫描到而且知道这个AP的密码。网络时间服务是一种公益性的网络服务，我国已经建有十余个开放性的网络时间服务器。 网络时间服务器使用网络时间服务协议(NTP, Network Time Protocol)向服务请求方提供标准的时间校准服务。 NTP的诞生完全是为网络设备提供时间同步服务，传统的计时器需要定期手工校准时间，譬如利用电台的半点或整点报时来手工校准， 今天的大多数智能设备都能够连接到互联网，并使用NTP服务器自动校准时间。

本小节的目的是回答两个问题：1) 如何让BlueFi连接到互联网？2) 如何使用NTP服务器校准本地计时器？

1. 让BlueFi接入互联网

电脑、Pad、手机等设备可以通过WiFi与无线路由器连接，并通过无线路由器连接到互联网， 我们就可以使用搜索引擎找到自己需要的信息或者观看视频等。BlueFi几乎与智能手机或平板有完全相同的联网和使用网络的方法， 因为BlueFi也有一个内置的“无线网络设备/网卡”。

根据前一个小节的经验，如果BlueFi的WiFi能够扫描到周围的一些AP，而且你已经知道其中某些AP的密码， 我们下一步就是将这个AP的名称和密码告诉BlueFi，并编程让BlueFi连接到这个AP。如果这个AP与互联网是连通的， 我们的BlueFi即可通过这个AP接入互联网。

如何将AP的名称(ssid)和密码(password)告诉BlueFi呢? 我们有两种方法：

  • 第1种方法是将这个AP的ssid和password两个字符串分别保存在“/CIRCUITPY/secrets.py”文件的对应位置，BlueFi需要联网时自动去这个文件中读取这些信息
  • 第2种方法是将这个AP的ssid和password两个字符串直接用Python程序接口传给BlueFi的网卡

虽然两种方法是等价的，我建议使用第1种方法，好处是，即便是你分享自己的代码给其他人时，你的AP信息也不会泄露给别人。 secrets.py文件的格式如下：

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secrets = {
        "ssid": "your AP name",
        "password": "your AP password",
    "timezone": "Asia/Shanghai",  # Check http://worldtimeapi.org/timezones
    "broker":'www.hiibotiot.com',
    'user':'',
    'pass':''
}

这是一个JSON格式化的文本型“key:value”信息对，也可以用Python字典型数据结构来访问。每一个“:”前的字符串是“key”，“:”后的字符串是这个“key” 对应的“value”。

下面我们先使用第2种方法设计一个让BlueFi连接到互联网的程序示例。程序代码如下：

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from hiibot_bluefi.wifi import WIFI
wifi=WIFI()

while not wifi.esp.is_connected:
    try:
        wifi.esp.connect_AP(b"your_ap_name", b"your_ap_password")
    except RuntimeError as e:
        print("could not connect to AP, retrying: ", e)
        continue
print("Connected to", str(wifi.wifi.ssid, "utf-8"), "\tRSSI: {}".format(wifi.wifi.signal_strength) )
print("My IP address is {}".format(wifi.wifi.ip_address()))

wifi.esp.reset()

while True:
    pass

本示例的前2行程序的作用分别是，从“/CIRCUITPY/lib/hiibot_bluefi/”文件夹的“wifi.py”模块种导入“WIFI”类Python接口， 并实例化为“wifi”名称。然后我们就可以引用“wifi”使用BlueFi的无线WiFi网卡。

第4～9行是一个条件循环，检测条件是“wifi.esp.is_connected”，当BlueFi的WiFi连接到AP后“wifi.esp.is_connected”被置为True。显然， 如果WiFi未连接到AP，这个条件是成立的，则执行第6行程序，即连接指定的AP(指定该AP的名称和密码)， 如果连接失败就用BlueFi的LCD显示屏和串口控制台输出“could not connect to AP, retrying: (‘Failed to connect to ssid’, b’your_ap_name’)”， 并再次返回第6行尝试再次连接，如此重复。如果你给的AP名称和密码有任何错误，将导致第4～9行程序成为一个死循环。根据提示信息， 你就可以掌握循环的次数。

一旦成功地连接到指定的AP，BlueFi将输出提示信息并输出自己的IP地址。

由于本示例仅仅是测试联网，当程序执行到第13行时，我们关闭BlueFi的WiFi以节电。相比较其他功能单元，BlueFi的WiFi属于高耗能， 使用之后应及时关闭。

与第1种设置WiFi名称和密码相比，第2种方法使用本示例第6行的Python接口程序将AP名称和密码作为参数直接传递给该接口。 如果你分享这个示例代码给别人时，你的AP名称和密码也同时泄露出去了。

下面我们采用第1种方法设置AP的名称和密码：

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from hiibot_bluefi.wifi import WIFI
wifi=WIFI()

try:
    from secrets import secrets
except ImportError:
    print("WiFi secrets are kept in secrets.py, please add them there!")
    raise

while not wifi.esp.is_connected:
    try:
        wifi.wifi.connect()
    except RuntimeError as e:
        print("could not connect to AP, retrying: ", e)
        continue
print("Connected to", str(wifi.wifi.ssid, "utf-8"), "\tRSSI: {}".format(wifi.wifi.signal_strength) )
print("My IP address is {}".format(wifi.wifi.ip_address()))

wifi.esp.reset()

while True:
    pass

与前一个示例相比，该示例的第13行代码，即用于连接AP的Python接口程序，我们并没有传递参数，执行该程序语句时会自动到“/CIRCUITPY/secrets.py”文件 中读取AP的名称和密码，并自动连接该AP。

如果你分享这个程序代码时，记得提醒代码使用者根据自己连接AP的账号和密码自行修改“/CIRCUITPY/secrets.py”文件中的“ssid”和“password”两个key的value。

2. 用互联网同步本地时间

当我们搞清楚如何让BlueFi的WiFi连接到互联网之后，我们就可以使用NTP服务校准/同步本地的日期和时间。什么是NTP?？ 请自行使用搜索引擎查阅相关资料，NTP是TCP/IP协议栈中的一种应用层协议。

下面我们使用国际时间NTP服务器(域名：http://worldtimeapi.org/)来校准本地时间，这个服务器提供多种NTP服务接口， 本示例使用“按照本地的IP地址返回当地的日期和时间信息”，这个NTP服务器的服务接口：

本示例程序的代码如下：

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import time
from hiibot_bluefi.wifi import WIFI
import rtc

print("we will get local time from a NTP")
TIME_API = "http://worldtimeapi.org/api/ip"

wifi = WIFI()
the_rtc = rtc.RTC()

response = None
while True:
    try:
        print("Fetching json from", TIME_API)
        response = wifi.wifi.get(TIME_API)
        break
    except (ValueError, RuntimeError) as e:
        print("Failed to get data, retrying\n", e)
        continue

wifi.esp.reset() # close wifi to save power

json = response.json()
current_time = json["datetime"]
the_date, the_time = current_time.split("T")
year, month, mday = [int(x) for x in the_date.split("-")]
the_time = the_time.split(".")[0]
hours, minutes, seconds = [int(x) for x in the_time.split(":")]

# We can also fill in these extra nice things
year_day = json["day_of_year"]
week_day = json["day_of_week"]
is_dst = json["dst"]

now = time.struct_time( (year, month, mday, hours, minutes, seconds, week_day, year_day, is_dst) )
print(now)
the_rtc.datetime = now

while True:
    str_date = "{}/{}/{} - Week {} ".format(the_rtc.datetime.tm_year, the_rtc.datetime.tm_mon, \
                                              the_rtc.datetime.tm_mday, the_rtc.datetime.tm_wday+1)
    str_time = "{}:{}:{} ".format(the_rtc.datetime.tm_hour, the_rtc.datetime.tm_min, the_rtc.datetime.tm_sec)
    print(str_date, str_time)
    time.sleep(1)

你首先将本示例代码保存到BlueFi的/CIRCUITPY/code.py文件中，务必记得修改secrets.py文件中的ssid和password两个选项的值， 当BlueFi执行本示例程序的第15行，即“response = wifi.wifi.get(TIME_API)”，自动使用secrets.py的信息连接指定的AP， 与AP成功连接后调用“http://worldtimeapi.org/”的时间服务接口，按BlueFi的本地IP获取当前日期和时间，并将返回结果保存在 response变量中。

如果你用web浏览器打开“http://worldtimeapi.org/”页面时，将会看到该服务的返回结果说明。根据说明我们可以知道， reponse是一个JSON格式化的文本字符串信息，本示例程序的第23～28行通过解析这个JSON格式化的信息流确定本地的日期和时间， 并分别保存在year、month、mday、hours、minutes、seconds这6个变量中，然后在第30和第31行中解析分别解析出当前是一年中的第几天、 本周当中的第几天，并分别保存到year_day和week_day变量中。

在第35行代码中，我们按照time类的struct_time成员变量结构将当前日期和时间信息组成一个系统内常用的日期和时间信息结构， 并保存到变量now中，第37行代码是将now更新到本地RTC。至此，BlueFi本地的RTC单元的日期和时间已经与国际时间保持一致了。

在本示例程序的最后一个程序块(无穷循环程序块)中，读取本地RTC(Real-Time Clock)的日期和时间，并格式化后输出到BlueFi的LCD屏幕和串口控制台上， 你会发现“秒”数据的在不断地变化。

你或许会问，这样的方法同步本地时间，是否存在误差？当然存在，受你的无线网络状况、执行NTP服务的CPU速度等因素影响， 这种方法校准的本地时间与国际时间会相差几十到几百毫秒。

如果这个误差太大，不能满足你的应用，你觉得如何减少这一误差呢？