# Wi-Fi Cafe: Локальное оповещение через IEEE 802.11 Beacon-кадры на ESP32

> Научно-исследовательский проект Бабчука Георгия Владимировича (2026). Система односторонней передачи данных в системное меню сетей Wi-Fi смартфона без подключения к точке доступа и без установки приложений (Zero-App).

- DOI: [10.5281/zenodo.22865566](https://doi.org/10.5281/zenodo.22865566)
- Автор: Бабчук Георгий Владимирович (ГУО «Гимназия г. Иваново», 11 «А» класс)
- ORCID: [0009-0000-2505-2841](https://orcid.org/0009-0000-2505-2841)
- Исходный код: [https://github.com/egraich/wifi-cafe](https://github.com/egraich/wifi-cafe)
- Видеодемонстрация: [https://youtu.be/sZdIltr857k](https://youtu.be/sZdIltr857k)
- Полная версия статьи и технической документации: [/llms-full.txt](/llms-full.txt)

## Краткое содержание работы (Abstract)

Традиционные системы очередей (аппаратные пейджеры, QR-коды с веб-страницами) создают барьеры: требуют сотового интернета, закупки специализированного оборудования и открытия браузера на прикладном уровне (L7 OSI).

В исследовании предложен переход на канальный уровень (L2 OSI). Микроконтроллер ESP32 генерирует сырые управляющие кадры-маяки стандарта IEEE 802.11 (Beacon frames), циклически транслируя статус готовности заказов прямо в поле SSID (например, `Alex: 40%`, `Заказ #7: 100%`). Гость видит свой заказ прямо в штатном системном меню Wi-Fi своего смартфона без подключения к сети и без расхода интернет-трафика.

## Ключевое научное открытие: Android vs iOS

Гипотеза об универсальности отображения подтверждена частично из-за принципиальных различий сетевых стеков мобильных ОС:

1. **Google Android — Пассивное сканирование (Passive Scanning)**:
   - Радиомодуль смартфона переключается по каналам и слушает радиоэфир.
   - Приняв Beacon-кадр, ОС считывает поле SSID (Tag 0) и сразу выводит сеть в системный список.
   - Работает на 100% «из коробки», не требует обратной связи.

2. **Apple iOS (iPhone) — Активное сканирование (Active Scanning) с антиспуфингом**:
   - iOS отправляет широковещательные запросы `Probe Request` и строго ожидает ответа `Probe Response` от точки доступа.
   - Поскольку ESP32 осуществлял только одностороннюю инъекцию Beacon и не имел конечного автомата (State Machine) для обработки входящих запросов, iOS отфильтровывает такие сети как неподтвержденные.
   - Решение: реализация State Machine на микроконтроллере для генерации ответных кадров `Probe Response`.

## Аппаратно-программная архитектура

- **Микроконтроллер**: Espressif ESP32 (Single RF Transceiver, 2.4 GHz).
- **Режим работы**: Двойной интерфейс `WIFI_AP_STA`:
  - `STA (Station)`: подключение к Wi-Fi роутеру заведения, опрос Telegram Bot API по технологии Long Polling (`FastBot`). Бариста управляет заказами кнопками `/new`, `+20%`, `-20%`, `Delete`.
  - `SoftAP`: циклическая инъекция сырых 802.11 Beacon кадров через функцию `esp_wifi_80211_tx` каждые 100 мс.
- **Обход аппаратного лимита одного SSID**:
  - Для каждого заказа программно генерируется уникальный локальный MAC-адрес (байт `0x02` + 5 случайных байт).
  - Смартфон воспринимает каждый заказ как отдельную точку доступа.
- **Синхронизация радиоканала**:
  - Из-за единого радиомодуля интерфейсы STA и SoftAP зафиксированы на одном и том же канале (Channel 7 / 2442 MHz) для исключения частотных скачков (radio hopping) и падений watchdog.

## Структура кадра 802.11 Beacon

- **Размер заголовка MAC**: 36 байт (Frame Control `0x8000`, Duration, Broadcast DA `FF:FF:FF:FF:FF:FF`, SA Virtual MAC, BSSID, Sequence Control, Timestamp 8B, Beacon Interval 100 TU / ~102.4 ms, Capability Info `0x0104`).
- **Tag 0 (SSID)**: ID `0x00`, длина, полезная нагрузка. Ограничена 32 байтами (IEEE 802.11).
- **Tag 1 (Supported Rates)**: 1, 2, 5.5, 11, 18, 24, 36, 54 Mbps.
- **Tag 3 (DS Parameter Set)**: Номер рабочего радиоканала (1 байт).

## Экспериментальные метрики

- **Интервал рассылки маяков**: 100 мс (10 пакетов/сек на заказ).
- **Задержка сквозного обновления (End-to-End Latency)**: 150–250 мс от нажатия кнопки в Telegram до смены SSID в эфире.
- **Дальность радиоприема в помещении**: 35–50 метров со штатной PCB-антенной ESP32.
- **Расход оперативной памяти**: ~48 байт на один заказ в структуре `std::vector<Order>`.
- **Энергопотребление и автономность**: ~150–180 мА (5V), свыше 36 часов непрерывной работы от стандартного аккумулятора 10 000 мА·ч.

## Дорожная карта развития (Future Work)

1. **State Machine для Probe Response**: полная поддержка Apple iOS.
2. **Энергонезависимая память (NVM)**: сохранение активной очереди во flash-память (`LittleFS` / `Preferences`) для защиты от внезапного обесточивания.
3. **Captive Portal**: локальная HTML-страница при нажатии на готовую сеть `Alex: 100%` с приглашением подойти к кассе.
4. **Offline Web Server**: резервный локальный веб-интерфейс на `192.168.4.1` для фестивалей без интернета и Telegram.
5. **Миграция на FastBot2**: оптимизация взаимодействия с Telegram API через постоянное соединение HTTP Keep-Alive.

## Библиографическая ссылка (ГОСТ 7.0.5)

Бабчук, Г. В. Разработка системы локального оповещения «Wi-Fi Cafe» посредством программной генерации 802.11 Beacon-кадров на базе микроконтроллера ESP32 // ГУО «Гимназия г. Иваново», 2026. DOI: 10.5281/zenodo.22865566.

## BibTeX

```bibtex
@misc{babchuk2026wificafe,
  author       = {Babchuk, Heorhi},
  title        = {Wi-Fi Cafe: Zero-App Queue Management via 802.11 Beacon Frames on ESP32},
  year         = {2026},
  publisher    = {Zenodo},
  doi          = {10.5281/zenodo.22865566},
  url          = {https://github.com/egraich/wifi-cafe}
}
```