NUCLEO-F302R8 wifi over uart

tags: stm32 arm esp32

NUCLEO-F302R8でwifi通信することが目標です。

NUCLEO-F302R8にwifiの機能はありません。ESP32-WROOM-32-DevKitCをUARTで繋ぎ、wifi機能を使用して通信をします。

これまではESP32単体でwifiとuartの動作確認を行いました。

wifi送受信

UART送受信

今回はSTM32でuartを経由してwifiアクセスポイントと通信ができること確認します。

通信はDHCPv6を試します。

リファレンス

STM32

ESP32

HW構成

HW構成

Uartを経由したデータの送受信

あまり安定しないです。要改善です。

Uartのデータフォーマット

Tag: 2byte Data Length: 2byte Data: Data Length
  • Tag: データの種類を示します。
    • Ack: 応答を示します。Data LengthとDataはなしです。
    • Data: データ(ペイロード)です。Data LengthとDataが続きます。
  • Data Length: データ長を示します。
  • Data: データです。

送信

sequenceDiagram
    %% participant
    participant STM32
    participant ESP32
    participant Wi-Fi AP
    %% main
      STM32->>+ESP32: Tag: 2byte
      STM32->>+ESP32: Data Length: 2byte
      STM32->>+ESP32: Data: Data Length
      ESP32->>+Wi-Fi AP: Data Frame

受信

sequenceDiagram
    %% participant
    participant STM32
    participant ESP32
    participant Wi-Fi AP
    %% main
      Wi-Fi AP->>+ESP32: Data Frame
      ESP32->>+STM32: Tag: 2byte
      ESP32->>+STM32: Data Length: 2byte
      ESP32->>+STM32: Data: Data Length

初期化

IPTask起動

IPTaskの起動とNetworkInterface Taskを起動するまでのシーケンスです。

sequenceDiagram
    %% participant
    participant main
    participant FreeRTOS-Plus-TCP
    participant NetworkInterface
    %% main
    main->>+NetworkInterface: FillInterfaceDescriptor
    NetworkInterface->>FreeRTOS-Plus-TCP: FreeRTOS_AddNetworkInterface
    main->>FreeRTOS-Plus-TCP: FreeRTOS_IPInit_Multi
    FreeRTOS-Plus-TCP->>FreeRTOS-Plus-TCP: xTaskCreate(prvIPTask) 
    main->>FreeRTOS-Plus-TCP: vTaskStartScheduler 
    %% task wakeup
    FreeRTOS-Plus-TCP->>+FreeRTOS-Plus-TCP: prvIPTask
    FreeRTOS-Plus-TCP->>NetworkInterface: xNetworkInterfaceInitialise
    NetworkInterface->>NetworkInterface: initialize uart driver
    NetworkInterface->>NetworkInterface: vWaitEspInit
    NetworkInterface->>FreeRTOS-Plus-TCP: xTaskCreate(NetworkInterface task)
    FreeRTOS-Plus-TCP->>-FreeRTOS-Plus-TCP: Task Blocked
    NetworkInterface->>+NetworkInterface: NetworkInterface task
    NetworkInterface->>NetworkInterface: FreeRTOS_FillEndPoint_IPv6
    NetworkInterface->>-NetworkInterface: Task Blocked

FreeRTOS_FillEndPoint_IPv6でIPアドレスの初期値を設定します。DHCPで設定されるまで、またはDHCPが失敗したときのIPアドレスになります。

シーケンス中のvWaitEspInitについて説明します。

vWaitEspInit

ESP32の初期化が完了するまで待ちます。

ESP32の起動が完了していると無限ループになります。

以下はSTM32側のシーケンスですが、ESP32もSTM32からAckを受信するまで無限ループします。どちらかをリセットすると片方もリセットが必要です。改善したいところです。

sequenceDiagram
    %% participant
    participant STM32
    participant ESP32
    %% main
    loop STM32 receive Ack from ESP32
      STM32->>+ESP32: Ack
      opt done initialize
          ESP32->>+STM32: Ack
      end
    end

DHCPv6 Stateless

DHCPv6 Statelessを動かしてみます。DHCPv6の解説は以下の記事を見てください。

https://www.infraexpert.com/study/ipv6z5.html#google_vignette

RS(Router Solicitation)をDHCPサーバ(Wi-Fi AP)に送信すると、DHCPサーバがRA(Router Advertisement)を返します。RAにIPアドレスを自動設定するための情報が含まれます。

シーケンス

RSの送信

sequenceDiagram
    %% participant
    participant FreeRTOS_IP
    participant FreeRTOS_RA
    participant NetworkInterface
    participant Uart
    %% main
    FreeRTOS_IP->>+FreeRTOS_IP: prvIPTask
    FreeRTOS_IP->>FreeRTOS_IP: prvProcessNetworkDownEvent
    FreeRTOS_IP->>FreeRTOS_RA: vRAProcess
    FreeRTOS_RA->>FreeRTOS_RA: vNDSendRouterSolicitation
    FreeRTOS_RA->>NetworkInterface: NetworkInterfaceOutput
    NetworkInterface->>Uart: Uart Transmit
    FreeRTOS_IP->>-FreeRTOS_IP: Task Blocked

RAの受信

sequenceDiagram
    %% participant
    participant FreeRTOS_IP
    participant FreeRTOS_RA
    participant NetworkInterface
    participant Uart
    %% main
    Uart->>+Uart: Interrupt Begin
    Uart->>NetworkInterface: Uart Receive and Push RxQueue
    Uart->>-Uart: Interrupt End
    NetworkInterface->>+NetworkInterface: NetworkInterface task
    NetworkInterface->>FreeRTOS_IP: xSendEventStructToIPTask
    NetworkInterface->>-NetworkInterface: NetworkInterface task
    FreeRTOS_IP->>+FreeRTOS_IP: prvIPTask
    FreeRTOS_IP->>FreeRTOS_IP: prvHandleEthernetPacket
    FreeRTOS_IP->>FreeRTOS_RA: vReceiveRA
    FreeRTOS_IP->>-FreeRTOS_IP: Task Blocked

ソースコード

動作確認

テスト用のアクセスポイント

私はwindows10のノートPCで開発しています。このノートPCでアクセスポイントを作成します。ネットワーク名(SSID)とパスワードはテスト用に変更してます。

アクセスポイントの作成

アクセスポイントを作成したらアクセスポイントがどのネットワークアダプターに接続されているかを確認してます。

ネットワークアダプターの確認1

Virtual Adapterと表示されているものがアクセスポイントのネットワークアダプターです。

ネットワークアダプターの確認2

ネットワークアダプターのIPアドレスを以下のように設定します。”ipconfig -all”の結果です。

ipconfig -all

設定のためのスクリプトです。※ IPv6は2002:db8::1だけ設定したのですが、ipconfigの結果のように別のIPv6アドレスが設定されています。

# アクセスポイントのネットワークアダプター名を設定します。
$netIfAlias = "ローカル エリア接続* 4"
# アクセスポイントのネットワークアダプターにIPv6アドレスを設定します。
New-NetIPAddress -InterFaceAlias $netIfAlias -IPAddress 2001:db8::1 -PrefixLength 64 -SkipAsSource $True -PolicyStore ActiveStore
# アクセスポイントのネットワークアダプターにRAを送信させる設定をします。
Set-NetIPInterface -InterFaceAlias $netIfAlias -AddressFamily IPv6 -Advertising Enabled -AdvertiseDefaultRoute Enabled -Forwarding Enabled
Set-NetRoute -InterFaceAlias $netIfAlias -AddressFamily IPv6 -Publish Yes

たまにアクセスポイントのネットワークアダプタにリンクローカルアドレスが設定されていないときがあります。その場合はRouter Advertisementを送信しなかったので、手動でリンクローカルアドレスを設定しないといけませんでした。スクリプトは以下になります。

New-NetIPAddress -InterFaceAlias $netIfAlias -IPAddress fe80::1 -PrefixLength 64 -SkipAsSource $True -PolicyStore ActiveStore

ESP32のアクセスポイント接続設定

ESP32にアクセスポイントのSSIDとパスワードを設定します。

idf.py menuconfigのExample Configrationから設定できます。

アクセスポイントの作成

Wireshark

Wiresharkで通信を確認します。

インストールについては以下の記事を参考にしました。

https://qiita.com/yasushi-jp/items/7cabe6089c760ad420

インストールが完了したらWiresharkを起動して先ほど確認したアクセスポイントのネットワークアダプターをモニタします。

Wiresharkのスタート画面

結果

Wiresharkのログです。STMがRouter Solicitationを送信していること、アクセスポイントがRouter Advertisementが確認できました。

  • No.51: STMがRouter Solicitationを送信しています。
  • No.52: アクセスポイントがRouter Advertisementを送信しています。
    • アクセスポイントに設定したIPv6のプレフィックスを送信しています。
    • ゲートウェイの情報は送信しませんでした。
  • No.54～: ND(Neighbor Discovery)を送信しています。RAで受信したプレフィックスを使用したアドレスを生成しています。このNDはIPv4のGARPのようなものです。

ARPの動作確認結果

以上

Info

Jekyll

webland

iot

Powershell

snipet

gocv

tool