Arduino + ESP8266 с нуля на примере Wi-Fi термометра, часть первая
Зачем эта статья? На хабре уже есть ряд статей про использование ESP в разных конфигурациях, но почему-то без подробностей о том, как именно все подключается, прошивается и программируется. Типа «я взял ESP, две пальчиковые батарейки, DHT22, закинул в коробку, потряс часик и термометр готов!». В итоге, получается странно: те, кто уже работают с ESP не видят в сделанном ничего необычного, а те, кто хочет научиться — не понимают с чего начать. Поэтому, я решил написать подробную статью о том, как подключается и прошивается ESP, как его связать с Arduino и внешним миром и какие проблемы мне попадались на этом пути. Ссылки на Aliexpress привожу лишь для представления порядка цен и внешнего вида компонентов.
Итак, у меня было два микроконтроллера, семь разных сенсоров, пять источников питания, температурный датчик DHT22 и целое множество проводков всех сортов и расцветок, а так же бессчетное количество сопротивлений, конденсаторов и диодов. Не то, чтобы все это было необходимо для термометра, но если уж начал заниматься микроэлектроникой, то становится трудно остановиться.
Питание
Для работы ESP8266 нужно напряжение 3.3В и ток не ниже 300мА. К сожалению, Arduino Uno не в состоянии обеспечить такой ток, как не в состоянии обеспечить его и переходники USB-UART (программаторы) типа FT232RL — их предел около 50мА. А значит придется организовать отдельное питание. И лучше бы, чтобы Arduino тоже работал от 3.3В, чтобы избежать проблем типа «я подал пятивольтовый сигнал на вывод RX модуля ESP, почему пахнет паленой пластмассой?».
2. Купить готовый модуль с регулятором напряжения, понижающий 5В до 3.3В. Пожалуй, это самый удобный вариант.
3. Собрать модуль самому из регулятора AMS1117 и одного танталового конденсатора на 22мкФ.
Я выбрал третий пункт, поскольку мне часто нужно 3.3В, я жадный и я люблю встраивать регуляторы прямо в блоки питания.
С AMS1117 все просто: если положить его текстом вверх, то напряжение на ногах растет слева направо: 0(Gnd), 3.3В (Vout), 5В (Vin).
Между нулем и выходом нужен танталовый конденсатор на 22мкФ (так по инструкции, что будет если поставить электролитический — я не проверял). У танталового SMD-конденсатора плюс там, где полоска. Немного чудовищной пайки совершенно не предназначенных для такого варварства SMD-компонентов и:
Обязательно проверяйте выходное напряжение. Если оно значительно меньше 3.3В (например, 1.17В) — дайте регулятору остыть после пайки и проверьте контакты. Если поставите конденсатор больше, чем на 22мкФ, то мультиметр может показать более высокое напряжение.
Почему именно AMS1117? Он широко используется. Его вы можете найти почти везде, даже в Arduino Uno, как правило, стоит AMS1117-5.0.
Если вы знаете что-то схожих габаритов и цены, еще более простое в использовании — напишите, пожалуйста.
Важный момент. Не знаю уж почему, но AMS1117 крайне капризно относится к качеству соединений. Контакты должны быть надежны. Лучше — пропаяны. Иначе он на тестах выдает 3.3В, но под нагрузкой не выдает ничего.
Я выбрал модель 07, поскольку у нее отличный металлический экран, который работает как защита от наводок, механических воздействий и как радиатор. Последнее обеспечивает разницу между сгоревшим модулем и просто нагревшимся. Кроме того, есть гнездо под внешнюю антенну.
Чтобы чип запустился нужно соединить VCC и CH_P через резистор 10кОм. Если такого нет, то сгодится любой из диапазона 1-20кОм. Кроме того, конкретно модель 07 еще требует, чтобы GPIO15 (самый ближний к GND) был «на земле» (этого на картинке не видно, потому что соединение с другой стороны).
Теперь берем переходник USB-UART, переключаем его на 3.3В и подключаем RX к TX, TX к RX и GND к «земле» (у меня без этого передача нестабильна). Если вы не можете переключить на 3.3В, то можно использовать простейший резисторный делитель напряжения: соедините ESP RX с TX переходника через сопротивление в 1кОм, а ESP RX с «землей» через 2кОм. Существует масса более сложных и более надежных способов связать 3.3В и 5В, но в данном случае и так сойдет.
И соединяемся на скорости 9600 по нужному COM-порту (можно посмотреть в диспетчере устройств).
Я использую SecureCRT, Putty тоже подойдет, а ценители Линукса и так знают, что делать и где смотреть.
Если ничего не происходит — выключите — включите питание, если все равно ничего не происходит — проверьте соответствие TX/RX, попробуйте переставить их местами или припаять к чипу.
Иногда чип в ходе издевательств экспериментов зависает и тогда его надо обесточить, в том числе отключив и переходник (например, вытащив его из USB), поскольку чипу хватает даже поступающих крох питания, чтобы упорно тупить и не работать.
Иногда фокусы с переходником вешают USB-порт. Можно в качестве временного решения использовать другой USB-порт, но вообще лучше перезагрузить компьютер.
Иногда при этом меняется номер COM-порта. Под Linux это можно решить с помощью udev.
Если вместо текста приходит мусор, то проверьте настройки скорости. Некоторые старые чипы работают на 115200.
На старте чип нагревается, но если он реально горячий и продолжает греться — отключайте и проверяйте все соединения. Чтобы на корпус не попадало +3.3В, чтобы 5В к нему вообще никуда не приходили, чтобы «земля» переходника была соединена с «землей» чипа. Модели с металлическим экраном очень трудно сжечь (но нет ничего невозможного), а на модели без экранов жалуются, мол даже небольшая ошибка может стать последней в жизни чипа. Но это я не проверял.
Мой выбор — NodeMCU. У нее проблемы с памятью и поддержкой железа, но это многократно окупается простотой кода и легкостью отладки.
Так же потребуются NodeMCU flasher и LuaLoader (последнее — опционально, есть и другие клиенты для работы с этой прошивкой).
Выключаем чип. Подсоединяем GPIO0 к земле и включаем чип:
Если ничего не происходит и поля AP MAC/STA MAC пустые — проверьте еще раз, чтобы GPIO0 был на «земле».
Если прошивка началась, но зависла — посмотрите в закладке Log, у меня почему-то конкретно этот чип отказался прошиваться на FT232RL, но зато без проблем прошился на PL2303HX на скорости 576000. PL2303HX в указанном варианте не имеет переключения на 3.3В, чтобы им воспользоваться нужно открыть пластиковый корпус и перепаять провод с 5V на 3.3V, есть варианты с пятью выходами: 3.3, 5, TX, RX, Gnd.
Обратите внимание: STA MAC поменялся. Подозреваю, что flasher его неправильно показывал, но требуется проверка.
Для экономии сил и нервов можно взять готовый или полуготовый вариант.
Есть одноразовые адаптеры с удобной разводкой.
Есть готовые к прошивке.
Есть варианты с простенькие кит-комплекты и посложнее — ESP8266-EVB
Есть с готовым USB-адаптером — NodeMCU Development Board. Под нее даже какие-то шилды делают.
Если же вы, как и я, не слишком любите готовые решения, то рекомендую всего брать с запасом, потому что опыт, как говорят, прямо пропорционален количеству сожженных компонентов.
Update: заменил в тексте «программатор» на «переходник USB-UART» или просто «переходник». По моему опыту термин «программатор» используется чаще, но, пожалуй, «переходник USB-UART» будет точнее.
Wi-Fi термометр на ESP8266 + DS18B20 всего за 4$
ESP8266
Для проекта пойдет любой из модулей от ESP-01 до ESP-11, у меня были ESP-03 (стоимость ~ $3):
Особенно приглянулись:
ESP-01 — удобен для прототипирования (есть разъем под макетку), но выведен всего 1 GPIO;
ESP-03 — много выводов, плюс керамическая антенна;
ESP-07 — то же самое что и ESP-03 + экран и разъем под внешнюю антенну.
DS18B20
Как вариант, можно купить уже с проводом и в герметичном корпусе.
Питание 3.3В
Необходим источник питания как минимум на 200мА.
USB-UART
Для прошивки и отладки. Я использовал преобразователь на основе CP2102
Подключение
Подключаем питание на ESP8266. На ногу CH_PD так же подаем плюс.
Внимание! У кого модули не ESP-01, необходимо подать GPIO15 — GND; GPIO2 -3.3V. У ESP-01 это уже сделано. RX и TX подключаем к USB-UART преобразователю для прошивки и отладки кода:
Подключаем DS18B20 к ESP8266. Если смотреть на маркировку: левая — земля, средняя — сигнал (GPIO12 на ESP-03), если у вас ESP-01, подключайте к GPIO0, правая — питание(3.3V). Между питанием и сигнальной линией желательно подключить резистор 4.7 кОм (у меня работает и с 10 кОм):
thingspeak.com
Регистрируемся на thingspeak.com, создаем канал, копируем оттуда 16-символьный ключ. Он нам пригодится для отправки данных о температуре в облако.
Прошивка NodeMCU
NodeMCU — это прошивка, позволяющая запускать Lua скрипты на ESP8266. Качаем последний NodeMCU Flasher и запускаем его.
Подключаем GPIO0 на землю. Выбираем нужный COM порт и скорость 74880 или 115200 (как я понимаю, у некоторых версий ESP8266 бутлоадер работает на 74880). Нажимаем Flash и передергиваем питание на ESP8266. Если прошивка не запускается, проверяем корректность подключения RX,TX, запустив PuTTY на скорости 74880. В момент подачи питания в консоль должна валится строка вроде «ets Jan 8 2013,rst cause:1, boot mode:(1,0)«. После корректной прошивки отключаем GPIO0 от земли:
Заливка Lua скриптов и запуск
Скачиваем и запускаем LuaLoader. Выбираем COM-порт и скорость 9600, если нет соединения — пробуем передернуть питание у модуля ESP8266. Проверяем соединение, нажав на кнопку ChipID. В консоль должен вывестись идентификатор чипа.
Заливаем нужные файлы (кнопка UploadFile):
1. ds18b20.lua — библиотека для взаимодействия с DS18B20;
2. httpsender.lua — наш скрипт, читающий данные температуры и отправляющий их на thingspeak.com. Не забываем заменить YOURAPIKEY на свой ключ.
gpio=6 — в случае подключения датчика к GPIO12, в случае GPIO0 — gpio=3 (таблица):
gpio = 6 require('ds18b20') ds18b20.setup(gpio) function sendData() t=ds18b20.read() print("Temp:"..t.." C\n") -- conection to thingspeak.com print("Sending data to thingspeak.com") conn=net.createConnection(net.TCP, 0) conn:on("receive", function(conn, payload) print(payload) end) -- api.thingspeak.com 184.106.153.149 conn:connect(80,'184.106.153.149') conn:send("GET /update?key=YOURAPIKEY&field1="..t.." HTTP/1.1\r\n") conn:send("Host: api.thingspeak.com\r\n") conn:send("Accept: */*\r\n") conn:send("User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; esp8266 Lua; Windows NT 5.1)\r\n") conn:send("\r\n") conn:on("sent",function(conn) print("Closing connection") conn:close() end) conn:on("disconnection", function(conn) print("Got disconnection. ") end) end -- send data every 60000 ms to thing speak tmr.alarm(0, 60000, 1, function() sendData() end ) 3. init.lua — скрипт инициализирующий WiFi и запускающий httpsender.lua. Не забываем прописать свои SSID и пароль для WiFi:
print("Setting up WIFI. ") wifi.setmode(wifi.STATION) --modify according your wireless router settings wifi.sta.config("SSID","SSIDPASSWD") wifi.sta.connect() tmr.alarm(1, 1000, 1, function() if wifi.sta.getip()== nil then print("IP unavaiable, Waiting. ") else tmr.stop(1) print("Config done, IP is "..wifi.sta.getip()) dofile("httpsender.lua") end 
Планы
Это первый опыт работы с ESP8266. В планах попробовать следующее:
1. Найти альтернативу thingspeak. Графики хочется двигать и масштабировать. Может, кто-то знает аналоги?
2. Датчик влажности (возможно, DHT22). Вроде уже есть в стандартных библиотеках.
3. Датчик CO2 на основе датчика K-30.
4. Управляемый рассвет без дополнительного контроллера, управление с ESP8266. Вдохновила публикация «Искусственный рассвет».
Используемые материалы
За основу взят текст «Low cost WIFI temperature (DS18B20) data logger based on ESP8266 with connectivity to thingspeak.com». Код для DS18B20 почему-то отказался работать, пришлось перейти на стандартную библиотеку ds18b20.lua.