Описание микроконтроллера ESP32
Микроконтроллер ESP32, вышедший на рынок WiFi осенью 2015 года, представляет собой выдающееся устройство, и не только благодаря своей низкой цене. Espressif ESP32 — высокоинтегрированный, совмещённый (Wi-Fi + Bluetooth) чип, выполненный для решений, требующих минимальных показателей энергопотребления.
ESP32 разработан для носимой электроники и приложений интернета вещей, выполнен в супер-миниатюрном корпусе 6 х 6 мм, требующий для интеграции около 10-ти внешних компонентов. Он обладает хорошим функционалом и многообещающими возможностями. Совмещение в одном чипе WiFi и Bluetooth, двух процессорных ядер и богатого набора периферии может сделать ESP32 лидером в своем сегменте. ESP32 обещает снова совершить революцию в мире IoT, как в свое время совершил его младший брат ESP8266.
ESP32 получил значительный прирост в производительности по сравнению со своим предшественником ESP8266. Вычислительная мощность возросла в четыре раза. У ESP32 есть два ядра, каждый из которых работает на частоте 160 МГц. Второе ядро сделает жизнь разработчика проще. Так, например, одно ядро может взять на себя задачи реального времени по работе с графикой или управлению двигателями, а второе может обрабатывать коммуникационные протоколы и в целом отвечать за связь. Благодаря этому вам меньше придется думать о распределении времени между задачами.
Характеристики ESP32
ESP32 поддерживает весь стек протоколов стандартов Wi-Fi 802.11n и BT4.2, обеспечивая данный функционал через интерфейсы SPI/SDIO или I²C/UART.
Чип Espressif ESP 32 может работать в качестве центрального процессора (поддержка Open CPU) и как подчинённое устройство (slave device), управляемое микроконтроллером.
Отличительные особенности:
CPU: Xtensa Dual-Core 32-bit LX6, 160 MHz или 240 MHz (до 600 DMIPS)
Memory: 520 KByte SRAM, 448 KByte ROM
Flash на модуле: 1, 2, 4… 64 Мб
Wireless:
Peripheral interfaces:
Security:
Распновка чипа ESP32:
(Скачать в PDF)
в ESP32 есть JTAG интерфейс на ножках IO12, IO13, IO14, IO15.
ESP32 также доступен в виде модуля:
Распиновка модуля WROOM32:
Модуль WROOM-32 может поставляться со специальной отладочной платой:
Эта плата позволяет быстро программировать модуль благодаря встроенному адаптеру USB-TTL. На ней также расположены кнопки программирования и сброса, а также регулятор напряжения для питания микроконтроллера ESP32 напряжением 3.3 В. Также плата дает удобный доступ к выводам модуля, шаг между которыми довольно узок, чтобы без проблем работать с ними. Шаг же между выводами платы составляет 2.54 мм, что является стандартом для DIP-корпусов, с которыми удобно работать обычному радиолюбителю без специальных инструментов.
Распиновка отладочной платы ESP32:
Средства разработки ESP32
Программные средства разработки (программный комплект разработчика, SDK) состоят из:
Espressif свободно распространяет свой комплект разработчика. В этот комплект входит компилятор GCC, библиотеки Espressif и загрузочная утилита XTCOM. Библиотеки поставляются в виде скомпилированных библиотек, без исходных текстов. Espressif поддерживает две версии SDK: одна на основе RTOS, другая на основе обратных вызовов (callback).[2]
Помимо официальной SDK существует ряд проектов альтернативных SDK. Эти SDK используют библиотеки Espressif или предлагают собственный эквивалент библиотек Espressif, полученный методами реверсинжиниринга.
На оффсайте сейчас можно найти ссылки на два SDK:
» ESP31_RTOS_SDK — SDK для ESP31B, построена на FreeRTOS.
» Espressif IDF (IoT Development Framework) — Official development framework for ESP32.
Хоть это и не очевидно с описания на сайте, но для релизной версии нам подходит только ESP-IDF. Есть инструкции по установке для linux, windows, macos.
В итоге можно сказать, что микроконтроллер ESP32 получился отличным для своего сегмента рынка. В таком дешевом устройстве столько функционала не умещал, наверное, еще никто. Но на данный момент ESP32 пока еще слишком молод и не оброс тем уровнем поддержки, который характерен сегодня для ESP8266. Документации, примеров и поддерживаемых сред не так уж и много.
ESP32: знакомимся, пишем и запускаем первую прошивку
Всем привет. Несколько дней назад мне достался экземпляр ESP32 Demo Board V2, о чем я сразу радостно заявил у себя на FB. Конечно, ведь получить его сейчас не очень просто: первая партия (штук 600), которая поступила на продажу на Seeed Studio разлетелась за считанные часы!
Но как разработчик и hardware интегратор Open-Source библиотеки для Blynk, я часто получаю ранний доступ к различным девайсам. Blynk позволяет быстро прототипировать и строить iOS/Android Apps для интернета вещей, используя drag’n’drop блоки прямо на телефоне.
Плата, которая попала мне в руки, выглядит вот так:
ESP32 обещает снова совершить революцию в мире IoT, как в свое время совершил его младший брат ESP8266 (и я искренне надеюсь, что так и будет). Если Вы раньше ничего не слышали о ESP8266 — читайте, например здесь и здесь (ну и гугл).
Что же собой представляет новый ESP32? Даже с первого взгляда понятно, что это очень мощная платформа. Например, Иван Грохотков (разработчик поддержки Arduino для ESP8266) опубликовал фото игры DOOM на ESP32:
Характеристики ESP32
Более детальная (и практически полная) информация есть на офф. сайте Espressif Systems. ESP32 будет доступен (как минимум) в нескольких видах:
» Модуль AI-Thinker ESP3212, похожий на ESP-12F ($6.9). На ESP3212 нет ножек для SD-card, в отличии от WROOM-32.
Осторожно! Практически все упоминания о ESP32 до 09.2016 на самом деле о ESP31B, что вообще не то же самое.
Настройка среды разработки
На оффсайте сейчас можно найти ссылки на два SDK:
» ESP31_RTOS_SDK — SDK для ESP31B, построена на FreeRTOS.
» Espressif IDF (IoT Development Framework) — Official development framework for ESP32.
Хоть это и не очевидно с описания на сайте, но для релизной версии нам подходит только ESP-IDF. Есть инструкции по установке для linux, windows, macos.
У меня 64-bit Ubuntu Linux. Сначала скачал компилятор:
Пишем Hello World
Espressif подготовил для нас темплейт проект, так что начать очень просто:
Собираем и заливаем на плату
Чтоб собрать проект, сначала надо настроить окружение:
Теперь подключаем плату, включаем питание, и смотрим на каком порту она появилась (у меня это /dev/ttyUSB3). Запускаем конфигуратор:
Надо зайти в «Serial flasher config» и установить «Default serial port» на порт платы. Можно еще посмотреть другие настройки.
Все, сохраняем и выходим.
Если все хорошо, заливаем на плату:
Подключаемся к плате используя Putty (screen, или другой эмулятор терминала). Передергиваем питание, и видим:
Отладка
Ну что ж, осталось только дождаться наличия ESP32 в магазинах, стабилизации SDK (надеюсь, оно будет изначально намного стабильнее, чем ESP8266). Функция Bluetooth тоже пока не доступна. В скором времени (по моим данным, очень скоро) должны появиться бета-поддержка Arduino IDE и MicroPython, чуть потом Espruino и что-то похожее на NodeMCU.
Обзор, установка и программирование на ESP32
Интерес к интернету вещей растет с каждым днем, свои курсы по технологии IoT запустили и Cisco, и Samsung. Но большинство этих курсов базируются на собственном железе компаний, довольно дорогом, в то время как практически все то же самое можно сделать на гораздо более дешевом железе самостоятельно, получив при этом массу удовольствия и полезных навыков.
Какую плату выбрать?
Когда неофит от IoT полезет в интернет, одним из первых модулей, которые он найдет, будет ESP8266. И действительно, он обладает массой достоинств: дешевый, много различных плат на его основе, позволяющих использовать его как самостоятельное устройство и подключать к сложным Arduino-based проектам. Но ESP8266, выпущенный в 2014 году, довольно быстро перестал удовлетворять запросы пользователей, и в 2015 году компания-разработчик Espressif выпускает новый микроконтроллер — ESP32.
Различия между ESP8266 и ESP32
Точно так же, как и в случае с ESP8266, разработчики создали довольно много плат, базирующихся на новом микроконтроллере. В данной статье все примеры тестировались и проверялись на плате MH-ET LIVE ESP32 DevKit. Плата для обзора была любезно предоставлена интернет-магазином Amperkot.
Начинаем программирование
Как и у любой платы, основанной на ESP32, у MH-ET LIVE ESP32 DevKit есть достаточно большой набор языков программирования. Во-первых, это Arduino C, во-вторых, Lua, а в-третьих и в-четвертых — MicroPython и Espruino. Про Espruino — сборку JS для программирования микроконтроллеров — уже рассказывалось, но в той статье разбиралась работа только на плате Espruino Pico, заточенной под Espruino.
К сожалению, портирование Espruino на ESP32 еще не до конца завершено. Часть возможностей, например обновление по воздуху и Bluetooth, недоступна. Но так как Espruino — open source проект, любой может добавить свою функциональность.
Установка
Разработчики Espruino создали свою IDE, Espruino Web IDE. Эта программа распространяется через Chrome Web Store, также существуют нативные приложения для Windows (32 и 64).
Перед первым запуском нужно залезть в настройки, вкладка COMMUNICATIONS, и убедиться, что скорость общения выставлена на 115200, а также изменить поле Save on Send с No на Yes, иначе все программы после перезапуска слетят.
Hello world
Hello, ][aker!
Можно заметить, что синтаксис практически ничем не отличается от обычного JS. Давай разбираться, что же происходит в этой программе.
Важно заметить, что мы можем возвращать различный контент: обычный текст, HTML, XML и так далее.
RGB-лампочка, управляемая по MQTT
Очень часто создание своего умного дома начинается именно с подсветки. Но просто включать/выключать светодиодную лампу — это банально. Для освещения небольших помещений, а также для украшения и создания праздничной атмосферы нередко используются адресные RGB-светодиоды. Воспользуемся ими и мы. В качестве MQTT-брокера и клиента возьмем Adafruit IO.
Из стандартных виджетов нам понадобятся всего два: Toggle и Color Picker.
Приступим к разбору программы.
MQTT-сервисы
Кроме Adafruit IO, есть и другие MQTT-сервисы, с похожей функциональностью. Если говорить про полностью «ручное» управление — первым на ум приходит Eclipse Mosquitto. Этот брокер можно установить на домашний компьютер или на Raspberry Pi и при помощи встроенных утилит mosquitto_sub и mosquitto_sub вручную (или используя Python) создавать топики, подписываться на них, отправлять сообщения.
В Arduino-кругах очень популярен сервис Blynk. У этого сервиса есть библиотеки для Arduino, клиенты под iOS и Android, а также его сервер распространяется через GitHub и может быть поднят на любом компьютере. Есть небольшой нюанс: каждый виджет, добавляемый на панель приложения, «стоит» определенное количество внутренних единиц. Изначального баланса хватит на большинство приложений, но если тебе захочется сделать полноценную программу и выложить ее в App Store / Play Market (а Blynk и такое позволяет), то придется раскошелиться.
Кроме этого, и в App Store, и в Play Market наберется достаточно много клиентских приложений, а в интернете есть масса MQTT-брокеров. Например, CloudMQTT. У него доступен бесплатный тариф — самое то для начала.
Система контроля состояния комнаты
Представим, что у нас есть комната, в ней ряд датчиков и нам нужно следить, все ли там в порядке. Постоянно смотреть за показателями надоест довольно быстро, поэтому нам требуется, чтобы в определенных случаях включался свет, причем не какой-то светодиод, а полноценная лампа. А всю информацию будем отправлять опять же на Adafruit IO.
Датчики у нас следующие:
Кроме этого, для управления светом нам понадобится реле.
ESP32 и Ардуино
Случилось то, чего все так долго ждали и о чём так много говорили — новые модули ESP32 стали широко продаваться и пошли в народ. Сегодня мы поговорим об этих модулях с точки зрения непрофессионального пользователя, привыкшего работать с Ардуино и создавать небольшие проекты для домашней автоматизации или просто для удовольствия и самообучения.
Работает ли это вообще? Что там с поддержкой этих модулей в Arduino IDE? Стоит ли платить больше или лучше ограничиться ставшим уже привычным ESP8266? Мы постараемся вместе ответить на все эти вопросы, а в конце статьи я дам ссылку на реальное воплощение работы ESP32 с Ардуино — дистрибутив бесплатной версии Arduino Mega Server для платформы ESP32.
Спецификации
Я не буду здесь подробно останавливаться на спецификациях ESP32, вы без труда найдёте их в Интернет: каждый обзорщик считает своим долгом привести простыню спецификаций в начале обзора ESP32. Скажу только, что они впечатляют и если подходить к делу серьёзно и вдумчиво, то можно потратить не один год на изучение всех возможностей модуля и эксперименты с ним.
Оставим это профессионалам (или тем, кто считает себя таковым) и сосредоточимся на практической стороне вопроса, понятной и доступной простому смертному.
Цена вопроса
Начнём с цены. На данный момент модуль ESP32 в китайских интернет-магазинах стоит 350 рублей и 500 в варианте платы с обвязкой и USB интерфейсом. Это против 100 и 160 рублей для модуля ESP8266, соответственно. Как видим, разница в три с лишним раза, хотя абсолютные значения невелики, каждый, при желании, может позволить себе потратить 350 — 500 рублей на микроконтроллер. Для сравнения, Arduino Mega 2560 в том же Китае стоит 600 рублей, а в России около 1000 (плюс ещё стоимость Ethernet Shield).
Осталось только выяснить, стоит ли платить в три раза больше, чем за ESP8266 и что мы за это получим. (Забегая вперёд скажу, что на мой взгляд, безусловно стоит.)
Поддержка в Arduino IDE
Для того, чтобы что-то сделать с модулем, нужно сначала иметь его поддержку в Arduino IDE. На данный момент поддержка ESP32 в Arduino IDE находится хоть и на начальном, но вполне приличном и работоспособном уровне. Те, кто боится встретить тут непреодолимые трудности, может не беспокоиться — основные функции работают нормально и вы, скорее всего, не заметите никакой разницы по сравнению с работой на других контроллерах.
Несколько хуже дела обстоят с драйверами устройств, но это, безусловно, временное явление. Модуль настолько популярен, что поддержка любой периферии неизбежно появится в ближайшее время.
Добавление поддержки ESP32 в Arduino IDE
Теперь немного практической информации об инсталляции поддержки ESP32 в Arduino IDE. Интернет полон инструкциями на эту тему, вы их также можете в изобилии найти в нём. Замечу только, что все инструкции делятся на «старые», там, где упоминается Python и «новые», где упоминается GIT. Вам, естественно, нужно руководствоваться новыми.
Из множества инструкций лучшей можно назвать (как это ни странно) официальную инструкцию от производителя модуля.
Которой я и рекомендую пользоваться. Единственное замечание: GIT использовать необязательно, можно просто скачать дистрибутив и распаковать его в нужную директорию.
Примечание. Все нижеизложенное касается инсталляции под Windows 7 64-bit, поскольку все эксперименты я производил именно на ней, в других операционных системах пути могут отличаться от указанных.
Файлы дистрибутива должны находиться в папке
где C: — это имя вашего диска с Windows, а User — это имя пользователя в операционной системе (и то и другое у вас может отличаться от указанных).
Неочевидные моменты инсталляции ESP32
Многие пользователи жалуются, что у них ничего не работает и не появляется поддержка ESP32 в Arduino IDE. Тут дело вот в чём: поскольку драйвера ESP32 только разрабатываются, то несколько изменён порядок расположения системных директорий. В качестве папки для расположения скетчей в настройках Arduino IDE должна быть указана папка
(с теми же поправками на диск и имя пользователя), а файлы дистрибутива должны располагаться внутри этой папки так, как рекомендует производитель. Если не будет учтён этот момент, то поддержка ESP32 в Arduino IDE не появится и ничего работать не будет.
Версии Arduino IDE
Часто приходится слышать, что поддержка ESP32 есть только в последних версиях Arduino IDE, это не так — ESP32 прекрасно работает в более ранних версиях, например, дистрибутив Arduino Mega Server для ESP32 разрабатывался в версии 1.6.5 r2.
Преимущества ESP32
Теперь поговорим о преимуществах ESP32 перед его предшественником, ESP8266. На таких очевидных вещах как мощность процессора и объём оперативной памяти я останавливаться не буду, скажу только, что нужно сильно постараться, чтобы загрузить ESP32 полностью на задачах DIY и домашней автоматизации.
Ахиллесовой пятой его предшественника, модуля ESP8266, было (и есть) экстремально малое количество выводов. После работы с такими контроллерами как Arduino Mega и Arduino Due с их десятками цифровых и аналоговых пинов, работа с ESP8266 вызывает недоумение: счёт GPIO идёт буквально на единицы и это сильно ограничивает применение этого модуля в реальных проектах.
ESP32 если не полностью, то в значительной степени лишён этого недостатка. Количество доступных выводов значительно увеличено, появилось также множество аналоговых входов. Полностью свободными и доступными для использования можно назвать 13 выводов
В случае необходимости к ним можно добавить ограниченно функциональные и работающие только на вход
Если пожертвовать некоторыми возможностями и не использовать в конкретных проектах Serial, SPI или I2C, то к этому числу можно добавить ещё 8 пинов
Ну и возможно удастся использовать ещё 6 выводов, которые предназначены для работы с внутренней флеш-памятью (например, если подключить внешнюю SD карту)
Как видим, с ESP8266 нет никакого сравнения — новый модуль выглядит просто отлично по количеству возможных подключений и это очень ценно в реальных проектах, в которых дорог каждый пин.
Скорость работы
Я уже упоминал мощный процессор, теперь несколько слов нужно сказать о скорости сетевой работы. Я затрудняюсь сказать с чем это связано, возможно с мощным процессором, возможно с оптимизацией сетевого стека, но модуль ESP32 под управлением Arduino Mega Server показал рекордную сетевую производительность.
Загрузка страницы с объёмным кодом CSS и JavaScript и обилием графики занимает всего одну с небольшим секунды — быстрее, чем на любом другом протестированном контроллере, включая проводные контроллеры с W5100 и W5500 Ethernet интерфейсом.
Применительно к Arduino Mega Server это снимает все ограничения на использование графики и любых JavaScript библиотек как по размеру, так и их количеству.
Прочие достоинства
ESP32 это чрезвычайно высокотехнологичное устройство, одно только сухое перечисление доступных возможностей может занять не одну страницу, а перечисление достоинств и возможностей с комментариями займёт целый том. Поэтому я на этом ограничусь, чтобы не загромождать статью и приведу несколько примеров работы с кодом на ESP32 в среде Ардуино.
Примеры работы с кодом
Энергонезависимая память
Это то, что применительно к Arduino Mega мы привыкли называть EEPROM. В ESP32 этой памяти нет как таковой, но у этого модуля есть её аналог и соответствующая библиотека для работы с ней. Называется эта память «NVS» (Non-volatile storage).
Но для нас нет никакой разницы — можно точно так же сохранять значения и читать их после выключения и последующего включения контроллера.
Пример использования. Подключаем библиотеку:
Создаём объект prefs
Инициализируем хранилище с идентификатором, например, «nvs»:
false относится в выбору режима чтение/запись, в данном случае и чтение и запись. Сохраняем байт под именем «addr»:
Читаем сохранённый байт:
Подобным же образом можно сохранять и читать значения любых других типов данных. Теперь удаляем хранилище.
Если разобраться, то это даже проще, чем работа со стандартной энергонезависимой памятью EEPROM на контроллерах Ардуино.
AnalogWrite()
Ещё одно нововведение, которое может поставить в тупик начинающего пользователя — в ESP32 отсутствует привычная функция AnalogWrite(). В первый момент это очень непривычно, но на самом деле эта функция всего лишь заменена своим более функциональным аналогом.
Рассмотрим пример. Начнём с подключения соответствущей библиотеки, хотя библиотекой в полном смысле слова это назвать нельзя, скорее это специализированный файл с описанием нужных функций. Дело в том, что не все функции присутствуют напрямую в Arduino IDE, часть функций доступна в файлах, находящихся в каталоге
В данном случае нас интересует файл работы с ШИМ и светодиодами, который мы подключаем следующей инструкцией:
Далее нам нужно установить номер канала (0), частоту ШИМ (например, 50 Гц) и разрешение (8 бит).
Номера каналов могут устанавливаться в диапазоне от 0 до 15, а разрешение от 1 до 16 бит. При выборе разрешения 8 бит, диапазон данных, управляющих ШИМ, будет находиться в интервале от 0 до 255.
Далее нам нужно привязать наш канал (0) к какому-либо выводу GPIO, в данном случае к выводу 22:
И нужно не забыть обычным образом настроить 22-й пин на выход.
Всё, теперь мы можем управлять, например, яркостью свечения светодиода, просто указывая номер канала и значение ШИМ (яркости) из диапазона от 0 до 255.
Прочие примеры кода на ESP32
Дистрибутив Arduino Mega Server, ссылку на который я дам в конце статьи, кроме полностью работоспособной системы являет собой обширный сборник структурированного кода, протестированный и проверенный на работоспособность на модуле ESP32. Вы можете его использовать как обучающее пособие для вхождения в тему программирования под ESP32.
Стабильность работы
Arduino Mega Server для ESP8266 имеет подтверждённые аптаймы в несколько месяцев и демонстрирует абсолютно стабильную работу и у меня нет никаких причин думать, что у модуля ESP32 могут быть какие-то проблемы со стабильностью. По крайней мере за всё время создания дистрибутива AMS для ESP32 я не наблюдал ни единого сбоя или несанкционированной перезагрузки модуля. Всё работает очень чётко и предсказуемо.
Arduino Mega Server для ESP32
Это ещё один представитель экосистемы AMS, включающей в себя контроллеры и платы Arduino Mega, Due, 101, M0, AMS Home, ESP8266, Sonoff, ESP32, OLIMEX ESP32-EVB и т. д. Благодаря мощному процессору и быстрой сетевой работе модуля ESP32, интерфейс Arduino Mega Server содержит обилие графики и скриптов и это никак не сказывается на скорости его работы — страницы загружается почти мгновенно.
Всё работает стабильно и предсказуемо, никаких сбоев или неадекватного поведения системы или модуля не выявлено. Ниже приведён лог загрузки AMS, из которого можно узнать некоторые подробности о системе.
Температура модуля, измеряемая встроенным датчиком температуры колеблется от 50 градусов Цельсия при старте до 55 градусов в процессе работы. Во время работы ток потребления модуля составляет около 130 мА.
Перспективы
Заключение
Вот, собственно и всё, что я могу сказать о новом модуле ESP32 и его работе с Ардуино. Впечатления он оставляет исключительно положительные, мне по крайней мере, было очень приятно и интересно с ним работать. Немного портит картину отсутствие библиотек для поддержки датчиков и периферии, но это временное явление и вскоре с этим всё будет в порядке.
