【ITニュース解説】Channel-hopping on the ESP32-C3 with ESP-Now

IoTデバイスと呼ばれる、インターネットにつながる小さな機器が日常生活に普及している。これらのデバイスの多くは、Wi-Fiを使って通信を行うが、特に2.4GHz帯のWi-Fiは非常に混雑している。多くの家電製品や他のデバイスが同じ帯域を使っているため、通信が不安定になったり、速度が遅くなったりする問題が発生する。この問題に対処するため、最近のWi-Fiルーターは「チャンネルホッピング」という技術を使うことが多い。これは、ルーターが定期的に周囲のWi-Fi状況を監視し、最も空いているチャンネル（周波数帯）に自動的に切り替える仕組みである。これにより、ルーターにつながるパソコンやスマートフォンは、意識することなく最適な通信環境を享受できる。

しかし、ESP32-C3のような比較的小型で低コストなIoTデバイスは、ルーターが行うチャンネルホッピングに自動で追従する機能を持っていない場合が多い。これらのデバイスはファームウェア（内蔵ソフトウェア）がシンプルで、ルーターのチャンネル変更を検知して自身のチャンネルを合わせるような複雑な処理は標準では備わっていないのだ。

ESP32シリーズにはいくつかの種類があり、一部のモデルは「デュアルラジオ」と呼ばれる2つの無線通信モジュールを内蔵している。これにより、Wi-Fiの接続（AP/STAインターフェース）と、ESP-Nowというデバイス間の直接通信プロトコルを、それぞれ異なるチャンネルで同時に動作させることが可能だ。この場合、ESP-Nowの通信はルーターのチャンネル変更に影響を受けにくく、チャンネルホッピングの必要性が低い。しかし、本記事で扱っているESP32-C3は、ESP8266の後継として位置づけられる、非常に小型で低コストなデバイスであり、「シングルラジオ」しか持たないという制約がある。つまり、ESP32-C3は一度に一つのWi-Fiチャンネルしか使えないため、ルーターがチャンネルを変更すると、ESP-Nowによる通信も途絶えてしまう。そのため、ESP32-C3のようなデバイスでは、アプリケーション側でルーターのチャンネル変更を検知し、自身のチャンネルも切り替える「チャンネルホッピング」の仕組みを実装する必要がある。

この解説の対象となっているシステムは、ESP32デバイスを「マスター」と「スレーブ」に分けたネットワーク構成を想定している。マスターデバイスはネットワークの中心として、複数のスレーブデバイスと通信を行う。スレーブデバイスはマスターからの指示を受けたり、データを送信したりする役割を担う。このシステムでは、マスターとスレーブ間の通信に「ESP-Now」というプロトコルを使用している。ESP-Nowは、Wi-Fiをベースにしながらも、より低消費電力で高速なデータ転送が可能な、デバイス間の直接通信に適した技術である。

この複雑なチャンネルホッピングの課題を解決するために、「Channels」という名前のクラスが設計されている。このクラスは、ネットワーク通信の管理を担当する「ESPComms」クラスや、SSID（Wi-Fiの名前）やパスワードなどのシステム設定を管理する「Config」クラスと連携しながら、ルーターやマスターデバイスのチャンネル変更に柔軟に対応する。Channelsクラスの主な役割は、利用可能なWi-Fiチャンネル（一般的に重なり合わないチャンネルとして1、6、11が使われることが多い）を管理し、必要に応じてデバイスのチャンネルを切り替えることである。

マスターデバイスは、ルーターに接続しているため、ルーターがチャンネルをいつ、どのチャンネルに切り替えるかを監視する必要がある。これを担当するのが、Channelsクラス内のcheckRouterChannel()という非同期メソッドである。このメソッドは、例えば5分おきといった定期的な間隔で実行される。実行されると、まず現在ルーターに接続している状態（STAインターフェース）を一時的に切断し、再度Wi-Fiルーターに接続し直す。この再接続の際に、ルーターが現在使用しているチャンネル情報を取得する。もし取得したチャンネルが、マスターデバイスが現在使用しているチャンネルと異なっていた場合、ルーターがチャンネルを変更したと判断する。その場合、マスターデバイスは自身を再起動（machine.reset()）させ、新しいチャンネルに合わせて初期化を行うことで、スムーズに通信を再開できるようにする。チャンネルが変わっていない場合は、ESP-Nowのシステムを再起動するだけで済む。

スレーブデバイスはルーターに直接接続しているわけではないため、マスターデバイスがどのチャンネルにいるのかを自力で探す必要がある。このために、以下の二つの主要な非同期メソッドが動作する。

まず、**起動時のマスター探索（findMyMaster()）**では、スレーブデバイスが起動した際、以前にマスターと通信していたチャンネルにまず設定を試みる。その後、マスターデバイスに対して「ping」メッセージを送信する。これは、マスターデバイスが存在し、通信可能であるかを確認するための簡単な問い合わせである。もしマスターから応答があれば、スレーブは正しいチャンネルを見つけたと判断し、通常の動作を開始する。しかし、応答がなければ、スレーブは現在設定されているチャンネルをあきらめ、hopToNextChannel()メソッドを使って次のチャンネルに切り替える。そして、デバイス全体を再起動し、この探索プロセスを最初からやり直す。このサイクルを繰り返すことで、最終的にマスターデバイスを見つけるまでチャンネルを順番に試していく。

次に、**稼働中のマスター接続維持（countMissingMessages()）**では、スレーブデバイスがマスターと通信を開始した後も、接続が維持されているかを監視し続ける必要がある。このメソッドは、デバイスがマスターからのメッセージを一定時間（例えば30秒）受信していない場合を検知する。メッセージが途絶えた場合、まずping()メソッドを使ってマスターがまだ同じチャンネルで活動しているかを確認する。もしpingに応答があれば、一時的な通信障害であったと判断し、カウンターをリセットして監視を続ける。しかし、pingにも応答がなかった場合、マスターデバイスがチャンネルを変更した可能性が高いと判断し、スレーブデバイスはhopToNextChannel()メソッドを使って次のチャンネルに切り替え、デバイスを再起動してfindMyMaster()のプロセスを再度開始する。これにより、マスターがチャンネルを変更しても、スレーブがそれに追従して通信を再開できるようになっている。

**pingメッセージの送信（ping()）**は、指定されたマスターデバイスに対して「ping」という短いメッセージを送信し、1秒以内に応答があるかを待つ。応答があればTrueを返し、そうでなければFalseを返すことで、相手が通信可能かどうかの確認に使われる。

**チャンネル切り替えの共通ロジック（hopToNextChannel()）**は、マスターとスレーブの両方で、チャンネルを変更する必要がある際に呼び出される。事前に定義されたチャンネルのリスト（例えば1、6、11）があり、現在のチャンネルの次のチャンネルへと切り替える。リストの最後（11）から切り替える場合は、先頭のチャンネル（1）に戻るように循環する仕組みになっている。チャンネルが切り替わったら、その新しいチャンネル情報をデバイスの設定に保存し、次回起動時にもそのチャンネルから探索を始められるようにする。チャンネル1、6、11が選ばれるのは、2.4GHz帯で他のチャンネルと重ならずに利用できる唯一の3つのチャンネルだからである。

このChannelsクラスは、ネットワーク通信の核となるESPCommsクラスや、各種設定情報を一元的に管理するConfigクラスと密接に連携している。特に、ESPCommsクラスがESP-Nowのメッセージ送受信などの基本的なネットワーク機能を提供し、Channelsクラスはその上にチャンネルホッピングのロジックを実装している。Configクラスは、SSIDやパスワード、現在のチャンネルなどの重要なデータを保持し、異なるモジュール間で共有するための中心的な役割を担っている。

このシステムは、ESP32-C3のような制約のあるデバイスでも、ルーターのチャンネル変更に柔軟に対応し、安定したマスター・スレーブネットワークを構築するための工夫が凝らされている。非同期処理（asyncio）を活用することで、複数の監視や探索タスクを効率的に並行して実行し、システムの応答性を高めている点も特徴である。