Обзор платы NodeMCU ESP8266 и ее использование в Arduino IDE

Что такое OTA программирование ESP8266?

OTA программирование позволяет обновлять/загружать новую программу в ESP8266 с помощью Wi-Fi вместо того, чтобы требовать от пользователя подключить ESP8266 к компьютеру через USB.

Функциональность OTA чрезвычайно полезна в случае отсутствия физического доступа к модулю ESP. Это помогает сократить время, затрачиваемое на обновление каждого модуля ESP при технической поддержке.

Одной из важных особенностей OTA является то, что один центральный объект может отправлять обновления нескольким модулям ESP, использующим одну и ту же сеть.

Единственным недостатком является то, что вам нужно для OTA добавлять дополнительный код в каждый загружаемый скетч, чтобы в следующем обновлении вы смогли снова использовать OTA.

Особенности

• Удобное подключение к компьютеру – через USB кабель, питание от него же;
• Наличие встроенного преобразователя напряжения 3,3В;
• Наличие 4 Мб флеш-памяти;
• Встроенные кнопки для перезагрузки и перепрошивки;
• Все порты выведены на плату на две гребенки с шагом 2,5 мм.

Сферы применения

• Автоматизация;
• Различные системы для умного дома: Беспроводное управление, беспроводные розетки, управление температурой, дополнение к сигнализационным системам;
• Мобильная электроника;
• ID метки;
• Детские игрушки;
• Mesh-сети.

Версии ESP8266

ESP8266 поставляется в самых разных версиях (как показано на рисунке ниже).  Часто используемый комплект ESP-12E NodeMCU является наиболее удобной версией.

Мы настоятельно рекомендуем использовать комплект ESP8266-12E NodeMCU, который имеет встроенный программатор. Встроенный программатор позволяет легко создавать прототипы и загружать программы.

Требования к питанию

Поскольку диапазон рабочего напряжения ESP8266 составляет от 3 В до 3,6 В, данная плата для поддержания постоянного напряжения на уровне 3,3 В поставляется с LDO стабилизатором напряжения. Он может надежно обеспечивать ток до 600 мА, чего должно быть более чем достаточно, поскольку ESP8266 во время радиочастотных передач потребляет до 80 мА. Выход стабилизатора также выводится на выводы на сторонах платы и обозначен как 3V3. Эти выводы можно использовать для подачи питания на внешние компоненты.

Требования к питанию

• Рабочее напряжение: от 2,5 до 3,6 В
• Встроенный стабилизатор: 3,3 В, 600 мА
• Рабочий ток: 80 мА
• Потребление в спящем режиме: 20 мкА

Питание к ESP8266 NodeMCU подается через встроенный USB-разъем MicroB. В качестве альтернативы, если у вас есть стабилизированный источник напряжения 5 В, можно использовать вывод VIN для непосредственного питания ESP8266 и его периферии.

Предупреждение

ESP8266 требует 3,3 В для питания и логические уровни 3,3 В для связи. Контакты GPIO не допускают напряжение 5 В! Если вы хотите соединить плату со схемами 5 В (или выше), то необходимо реализовать согласование логических уровней.

ESP8266 NodeMCU имеет в общей сложности 17 выводов GPIO, выведенных на разъемы с обеих сторон отладочной платы. Эти выводы могут использоваться для выполнения различных периферийных задач, в том числе:

• вход АЦП – канал 10-разрядного АЦП;
• интерфейс UART – интерфейс UART используется для загрузки кода по последовательной связи;
• выходы ШИМ – выводы ШИМ могут использоваться для регулировки яркости светодиодов или управления двигателями;
• интерфейсы SPI, I2C – интерфейсы используются SPI и I2C для подключения всевозможных датчиков и периферийных устройств;
• интерфейс I2S – интерфейс I2S используется для цифровой передачи звука.

Мультиплексируемые выводы ввода/вывода

• 1 канал АЦП
• 2 интерфейса UART
• 4 выхода ШИМ
• Интерфейсы SPI, I2C и I2S

В ESP8266 используется функция мультиплексирования выводов (несколько периферийных устройств мультиплексируются на один вывод GPIO). Это означает, что один вывод GPIO может действовать как PWM/UART/SPI.

Основные отличия Ардуино от ESP8266

• ESP8266 имеет больший объем флеш-памяти, при этом у ESP8266 отсутствует энергонезависимая память;
• Процессор ESP8266 быстрее, чем у Ардуино;
• Наличие Wi-Fi у ESP8266;
• ESP8266 потребляеn больше тока, чем для Ардуино;

ESP8266 Распиновка

Наиболее широко используемыми платами разработки ESP8266 являются ESP-01, ESP-12E и Wemos D1 Mini. Ниже приведена распиновка этих плат. Если вы используете другую плату для разработки, убедитесь, что у вас есть правильная распиновка.

Распиновка комплекта ESP-12E NodeMCU:

Мини-распиновка Wemos D1:

Распиновка ESP-01 V090:

Добавление поддержки платы ESP8266 в программное обеспечение Arduino

Скачайте и установите последнюю версию программного обеспечения Arduino IDE (скачать) на свой компьютер, если вы этого еще не сделали. Откройте приложение Arduino и перейдите к пункту меню:

Arduino -> Настройки (Arduino -> Preferences)

По умолчанию приложение Arduino поддерживает чипы, используемые на официальных платах Arduino, но не ESP8266.

Эти платы могут быть запрограммированы «из коробки», потому что приложение Arduino уже знает о каждой и ее свойствах. Одна из замечательных особенностей Arduino заключается в том, что вы можете добавить поддержку других плат, и все, что вам нужно сделать, это сообщить Arduino, где можно найти их свойства.

Первым шагом этого процесса является предоставление URL-адреса менеджеру дополнительных плат. В текстовое поле в нижней части окна настроек (см. фото выше) вставьте именно этот текст:

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Если поле не было пустым, когда вы открыли окно настроек, возможно, у вас уже установлены некоторые другие платы. Если это так, добавьте содержимое текстового поля к указанному выше URL-адресу, используя запятую для разделения нескольких URL-адресов.

Нажмите кнопку ОК, чтобы закрыть окно настроек. Теперь наше приложение Arduino знает, где найти информацию о платах ESP8266 в целом.

Чтобы получить конкретную информацию, перейдите в пункт меню:

Инструменты -> Плата: (название платы) -> Диспетчер плат (Tools -> Board:(board name) -> Boards Manager)

Подождите некоторое время, пока менеджер плат загрузит содержимое, а затем начните вводить «ESP8266» в строку поиска.

Когда вы увидите «esp8266 от сообщества ESP8266» (англ. — esp8266 by ESP8266 Community), вы можете перестать вводить в поиске и нажать «Установить» (Install), чтобы получить последний пакет для платы, установленный внутри вашего приложения Arduino.

В Feather Huzzah имеется удобный USB-коммуникационный чип, но для его нормальной работы требуется бесплатный драйвер. Без него ваша плата не будет отображаться в списке доступных последовательных устройств. Перейдите на страницу SiLabs (Silicon Lab: CP210x USB to UART Bridge VCP Drivers) и скачайте/установите драйвер, соответствующий вашей операционной системе (доступны Mac/Windows/Linux).

Софт для прошивки ESP-8266

Для прошивки нужно скачать следующее ПО от разработчика чипа, компании Espressif:

• Flash Downloads Tool.
• Прошивка ESP8266 AT. Если нужны исходники, то ESP8266 NONOS SDK.
• Документация по ESP8266.

Перевод ESP-8266 в режим загрузки обновления

Для перевода ESP-8266 в режим загрузки прошивки нужно:

• Отключить питание модуля и извлечь из USB порта USB-to-RS-232 конвертер.
• Замкнуть PIN GPIO0 на GND. Я использовал Dupont кабель. Кнопку нет смысла использовать. Вот здесь есть тонкий момент. На некоторых схемах используют две кнопки Flash и Reset и нажимают их попеременно для ввода в режим заливки обновления. В официальной документации дан вариант, который я описал. Но при этом я брикнул ESP8266 и пока не нашел способа восстановить.
• Включить питание модуля.
• Немного подождать и подключить USB-to-RS-232 конвертер.

Если нарушить последовательность, то программатор не найдет ESP-8266 модуль!

• Запускаем ESP8266 Flash Download Tool.
• Выбираем ESP8266 и задаем правильный порт и скорость.
• Ничего не вводим и нажимаем Start

Если ESP 8266 корректно переведен в режиме скачивания прошивки, то практически мгновенно будет выдан статус Finish. И в «detected info» отобразится информация:

• flash vendor: E0h : N/A
• flash devID: 4016h
• QUAD;
• 32Mbit crystal;
• 26 Mhz

ESP Flash Download Tool

Хотя это редко упоминается в интернете, Espressif, разработчики микросхемы ESP8266, создали некоторую часть программного обеспечения для обновления прошивки в своих чипах. Это ESP Flash Download Tool, и этот инструмент доступен здесь. Скачайте, разархивируйте и установите последнюю версию на вашем компьютере; на момент написания статьи это FLASH_DOWNLOAD_TOOLS_v2.4_150924.rar.

Запустите инструмент, и вы должны будете увидеть два открывшихся окна: окно графического интерфейса (GUI) с полями ввода информации и терминальное окно, в котором ведется лог выполненных действий.

Стоит отметить несколько вещей, но нет поводов для беспокойства:

• окно (GUI) идентифицируется как V2.3, в то время как окно журнала идентифицируется как V2.4. По-видимому, окно GUI отмечено неправильно;
• поля выбора COM порта и скорости передачи в окне GUI могут уже содержать данные;
• поля ввода адресов в окне GUI могут уже содержать данные;
• окно лога уже может содержать данные.

Получение последней прошивки

У Espressif есть страница, на которой размещается последняя версия прошивки. Перейдите на страницу bbs.espressif.com, нажмите на запись SDKs в списке Downloads, а затем кликните на «latest release» в разделе Announcements. На момент написания статьи на этой странице можно было увидеть следующее:

Последняя версия Non-OS SDK (Software Development Kit) – это то, что нам нужно, и, похоже, что, если вы кликните на «Latest Version: 1.4.0», то получите последнюю версию. Но это не совсем так; обратите внимание, что имеется доступный патч, указанный как esp_iot_sdk_v1.4.1_15_10_22. Это не патч; это исправленная версия прошивки версии 1.4.0. Нам нужен он и bin файлы AT_v0.50. Кликните по очереди на каждом из них и загрузите файлы.

Конечно, к тому времени, когда вы это прочитаете, могут появиться более свежие версии SDK, и их местоположения могут быть изменены, но, по крайней мере, вы знаете, где искать. Просто убедитесь, что внимательно прочитали, чтобы быть уверенным, что скачиваете последнюю версию. Как мы увидели ранее, это не всегда бывает очевидно.

Возможно, вы заметили, что есть раздел для скачивания документов. Все они содержат качественную информацию, но иногда существенная её часть теряется при переводе с китайского на английский. На данный момен не забудьте получить последние версии ESP8266 AT Instruction Set и Espressif IOT SDK User Manual.

Установка прошивки

Запустите ESP flash download tool и убедитесь, что ни в одном чекбоксе в левом верхнем углу окна GUI не поставлена галка. Введите COM порт, который вы используете, и скорость передачи 115200 в полях ввода в нижней части окна. Обратите внимание, что при вводе данных они записываются в окне журнала.

Подайте питание на свою сборку для программирования ESP и подключите её к компьютеру. Нажмите и удерживайте кнопку Reset, а затем нажмите и удерживайте кнопку Flash. Отпустите кнопку Reset, а затем отпустите кнопку Flash. Нажмите кнопку START окне GUI инструмента прошивки ESP. Программа загрузки флэш-памяти должна проверить ESP8266 в вашей сборке и создать отчет, похожий на тот, что приведен ниже. Нажмите и отпустите кнопку Reset на вашем макете, чтобы выйти из режима прошивки ESP8266 и возобновить нормальную работу.

Обратите внимание, что теперь окно GUI содержит информацию об ESP8266, включая размер флэш-памяти (в примере 8 Мбит), тактовую частоту (в примере 26 МГц) и два MAC-адреса для чипа. Такая же информация содержится в окне журнала.

Затем кликните в окне GUI по чекбоксу с надписью «SpiAutoSet», что заставит инструмент загрузки автоматически выбрать правильные размер флэш-памяти и тактовую частоту.

Теперь нам нужно выбрать файлы для установки в ESP8266 и установить начальный адрес памяти для каждого файла. Чтобы обновить ESP чип, необходимо правильно установить четыре файла. Откройте «Руководство пользователя Espressif IOT SDK» и найдите раздел о записи образов во флэш-память. В версии 1.4 руководства он начинается со страницы 20. Затем найдите подраздел, который описывает версию поддерживаемую Cloud Update (FOTA), и в этом подразделе найдите таблицу о размере флэш-памяти в вашем ESP8266. В этом примере размер флэш-памяти составляет 8 Мбит, что равно 1024 килобайт, следовательно, в таблице 2 на странице 25 руководства содержится информация, необходимая для примера. Посмотрим на рисунок ниже.

Необходимы эти четыре файла: esp_init_data_default.bin, blank.bin, boot.bin и user1.bin. Адрес, по которому должен быть установлен каждый из файлов, отображается рядом с именем файла. Первые три из необходимых файлов находятся в каталоге esp_iot_sdk_v1.4.1_15_10_22, ранее скачанном с bbs.espressif.com, а четвертый расположен в AT_v0.50 bin files. Перейдите туда, где находятся эти загруженные файлы, и скопируйте пути к ним в поля ввода в верхней части окна GUI программы Flash Download Tool; введите правильный адрес для каждого файла в поле рядом с именем файла. Выполните следующие шаги для каждого файла:

• кликните внутри поля ввода «set firmware path»;
• кликните по кнопке … справа от поля ввода;
• перейдите к месту хранения файла и кликните по файлу. GUI автоматически введет путь к файлу в поле ввода;
• введите правильный адрес (из таблицы) для каждого файла.

Обратите внимание, что файлы, которые должны быть загружены, могут быть не такими, как те, что указаны в таблице в этом примере, но будут близки к ним.

Теперь кликните на четыре флажка слева от имени каждого из файлов. Окно графического интерфейса программы Flash Download Tool должно быть похоже на рисунок ниже. Дважды проверьте адреса по таблице.

На своем макете прошивки ESP нажмите и удерживайте кнопку Reset, а затем нажмите и удерживайте кнопку Flash. Отпустите кнопку Reset, а затем отпустите кнопку Flash. Нажмите кнопку START окне GUI инструмента прошивки ESP. Должна начаться загрузка, и её прогресс должен быть показан в окне графического интерфейса и окне журнала Flash Download Tool.

Как показано выше, успешная операция прошивки флэш-памяти приведет к тому, что все файлы будут отправлены в ESP8266, а COM порт будет закрыт.

Проверка успешности прошивки

Когда операция прошивки будет завершена, закройте программу Flash Download Tool. Снимите питание с макета программирования ESP, а затем снова подключите питание.

Снова запустите PuTTY, выберите сохраненный сеанс ESP8266 и нажмите кнопку Load (Загрузить). Это должно поместить ранее выбранные вами настройки COM порта и скорости передачи в соответствующие окна. Нажмите Open (Открыть), и откроется новое окно сеанса терминала PuTTY.

Включите Caps Lock у себя на компьютере и введите AT, но не нажимайте Enter. Вы должны увидеть AT в окне терминала PuTTY. Введите символ +, а затем GMR. Когда вы увидите AT+GMR в окне терминала PuTTY, удерживая клавишу Ctrl, нажимите сначала клавишу M, а затем J. Отпустите клавишу Ctrl. В окне терминала PuTTY вы должны увидеть информацию о прошивке ESP8266.

Как вы можете видеть, в ESP8266 очевидно установлена новая прошивка. Она была обновлена с SDK версии 1.1.1 на SDK версии 1.4.0. Кроме того, также была установлена соответствующая версия 0.50.0.0 набора AT команд.

Закройте окно сеанса терминала PuTTY и нажмите OK, когда PuTTY спросит, уверены ли вы.

Пример Arduino: мигалка

Чтобы убедиться, что ядро ESP8266 Arduino и NodeMCU правильно настроены, мы загрузим самый простой скетч – The Blink!

Для этого теста мы будем использовать встроенный светодиод. Как упоминалось ранее в этом руководстве, вывод платы D0 подключен к встроенному синему светодиоду и программируется пользователем. Отлично!

Прежде чем мы перейдем к загрузке скетча и игре со светодиодом, мы должны убедиться, что в Arduino IDE выбрана правильная плата. Откройте Arduino IDE и выберите пункт NodeMCU 0.9 (ESP-12 Module) в меню Инструменты → Плата.

Теперь подключите ESP8266 NodeMCU к компьютеру через USB-кабель micro-B. Как только плата будет подключена, ей должен быть назначен уникальный COM-порт. На компьютерах с Windows это будет что-то вроде COM#, а на компьютерах Mac/Linux он будет в виде /dev/tty.usbserial-XXXXXX. Выберите этот последовательный порт в меню Инструменты → Порт. Также выберите скорость загрузки: 115200

Предупреждение

Уделите больше внимания выбору платы, выбору COM порта и скорости загрузки. В случае некорректных настроек при загрузке новых скетчей вы можете получить ошибку espcomm_upload_mem.

После выполнения всех настроек попробуйте пример скетча, приведенного ниже.

void setup() { pinMode(D0, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(D0, HIGH); delay(500); digitalWrite(D0, LOW); delay(500); }

После загрузки кода светодиод начнет мигать. Возможно, чтобы ваш ESP8266 начал работать со скетчем, вам придется нажать кнопку RST.