WiFi модуль ESP-12F с чипом ESP8266EX

Модуль разработки приложений беспроводной связи WiFi на микроконтроллере ESP-12F ESP8266

Зарождение и активное развитие современной технологии беспроводной связи WiFi послужило появлению многочисленных устройств, получивших удобное и эффективное средство удалённого взаимодействия и обмена информацией. На протяжении сравнительного небольшого промежутка времени, технология WiFi надёжно закрепилась во многих сферах жизнедеятельности человека, перечислять которые наверное и смысла нет, достаточно просто оглядеться вокруг. Нет смысла сомневаться в том, что механизмы беспроводной связи WiFi стали по-настоящему неотъемлемой частью компьютерной техники и мобильных гаджетов, а также всё настойчивее внедряются в системы промышленного и индустриального оборудования. Одной из главных достоинств WiFi следует назвать безграничную возможность создания всевозможных сетей без использования морально устаревших проводных соединений.

В основе платы с интегрированным модулем ESP-12F использован чип ESP8266EX компании Espressif Systems, выпуск которого стартовал в 2014 году. ESP8266 признан мировым сообществом как высокопроизводительный низкоценовой продукт с большим потенциалом, предоставляющий возможность широкой массе любителей-энтузиастов или профессиональных специалистов разрабатывать собственные уникальные или инновационные устройства с полноценным WiFi-функционалом. Инструменты поддержки ESP8266 есть во многих популярных программных комплексах и средах разработки пользовательских приложений, включая официальный источник производителя чипа. Для ESP8266EX опубликовано огромное количество совместимых библиотек и примеров, облегчающих программирование контроллера. При желании, ESP8266EX станет отличным подспорьем для получения базовых знаний о способах программирования простых исполняющих микросхем, главных принципов построения сетевых соединений и схем взаимодействия с периферийной электроникой, и может быть задействован в роли учебного пособия в образовательных учреждениях при проектировании несложной робототехники.

Технические характеристики

• Контроллер: ESP-12F ESP8266EX WiFi, однокристальная система на основе ядра Tensilica L106 с ультра-низким энергопотреблением, разрядность 32-бит
• Рабочее напряжение: 3.3 В
• Питание: 3.3/5 В
• Рабочий ток: 71-80 мА
• Максимальный потребляемый ток: 300 мА
• Ток неглубокого сна: 2 мА
• Ток глубокого сна: 0.02 мА
• Флеш-память: 32 МБит / 4 МБайт
• Протоколы WiFi: 802.11 b/g/n
• Диапазон частот: 2.4ГГц-2.5ГГЦ (2400М-2483.5М)
• Режимы WiFi: Клиент, Точка доступа, Клиент+Точка доступа (station, softAP, station+softAP)
• Защита: WPA-PSK, WPA2-PSK
• Шифрование: WEP, TKIP, AES
• Сетевые протоколы: IPv4, TCP/UDP/HTTP/FTP
• Выводы общего назначения (вход/выход, GPIO): 13
• Максимальный ток на контакт общего назначения: 12 мА, рекомендуемый 6мА
• Аналоговые входы: 1, 10-бит
• ШИМ выходы: 4
• Технология STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO
• Выходная мощность в режиме 802.11b: +20dBm
• Интерфейсы: UART, SPI, HSPI, SDIO, I2C, I2S, IrDA, GPIO, PWM
• Интегрированные переключатель приёма/передачи, согласующий высокочастотный трансформатор, усилитель мощности
• Интегрированные блоки: согласования сети, фазовой автоподстройки частоты, управления питанием, блоки регулирования
• Антенна WiFi: PCB, разведена на плате в виде дорожки
• Поддержка файловой системы SPIFFS
• Поддержка функций Smart Link для устройств на Andriod и iOS
• Поддержка интерпретаторов АТ-команд и NodeMCU Lua, Облачного Сервера и Наборов Разработки (SDK), обновление прошивки через UART/OTA (по воздуху)
• Шаг между контактами: 2.54 мм
• Светодиодная индикация: пользовательский вывод GPIO2
• Рабочая температура: -40°...+85°
• Размеры: 46.6 х 23.1 х 4.1 мм

С технической стороны, внутренняя начинка ESP-12F сочетает в себе исполнительный контроллер ESP8266EX (наподобие Ардуино, Тинси, СТМ32 и других), микросхему внешней флеш-памяти размером 4 Мбайт и несколько SMD-компонентов, необходимых для нормального функционирования модуля. Наличие памяти позволяет ESP8266-12F работать практически автономно и не зависеть от дополнительных внешних микроконтроллеров. Плата-адаптер, на которой размещён EPS8266 ESP-12F, оснащена понижающим регулятором напряжения AMS1117-3.3, необходимым для питания модуля от внешнего источника с постоянным напряжением 5 вольт или для сопряжения с прочими устройствами, работающими на 5-вольтовой логике, а также кнопку перевода контроллера в режим программирования, индикатор наличия питания и делитель напряжения для единственного аналогового контакта ESP8266.

Особенности отладочного модуля с интегрированным контроллером ESP-12F

Плата адаптера даёт несколько преимуществ перед простыми серийными модулями ESP из семейства ESP8266. Во первых, при подаче питания, она подтягивает несколько специальных выводов контроллера к нужным логическим уровням, благодаря чему ESP-12F сразу же запускается в нормальном режиме с одновременной загрузкой собственной прошивки и исполняемой программы из встроенной флеш-памяти. Во вторых, установленная кнопка помогает переключать ESP8266EX в режим программирования, исключая необходимость самостоятельного замыкания соответствующих этому режиму контактов GPIO0 и GND. В третьих, делитель напряжения допускает подключение к аналоговому выводу ADC входящих сигналов с уровнем напряжения в диапазоне от 0 до +3.3 вольта, против 0-1 вольт у простого ESP8266. В четвёртых, конструкцией платы предусмотрены изначально припаянные штырьковые выводы с шагом 2.54мм, используемые для подключения UART-программаторов или для обмена данными между контроллером ESP-12F и периферийными устройствами по универсальной шине UART. Наконец в пятых, в комплект с модулем входят пара переходников, установка которых разрешает последующее их использование в беспаячных проводных соединениях или, как вариант, подключении внешних разъёмов Dupont.

Компоновка выводов общего назначения (GPIO) ESP8266 выполнена в необычном виде. Вместо привычного 2-рядного расположения контактов по бокам платы, на адаптере присутствуют 4 линии с выводами контроллера и входящего напряжения, некоторые из них дублируют друг-друга. В двух рядах разведены общедоступные контакты ESP-12F, в остальных - тематически сгруппированы выводы, используемые в определённых программных интерфейсах. Группа из 6 контактов CS, MISO, GPIO9, GPIO10, MOSI, SCLK - интерфейс внешней SPI флешь-памяти. Группа из 4 контактов GND, GPIO5, GPIO4, VCC - интерфейс шины связи I2C, предопределённый в среде разработки Arduino IDE на контакты GPIO5 и GPIO4.

ESP8266EX функциональная блок-схема

Распиновка ESP-12F (Диаграмма выводов, ESP-12F подключение)

Приём и передача цифровых данных между контроллером и периферией, подключенной к контактам общего назначения платы (GPIO), построена на 3.3-вольтовой логике. Входящее/исходящее напряжение цифрового вывода, находящееся в диапазоне +2.64...+3.6 вольт, принято называть высокоуровневым сигналом или логической единицей. Напряжение в интервале -0.3...+0.33 вольт - низкоуровневым сигналом или логическим нулём. Многие выводы ESP-12F имеют встроенные управляемые резисторы, устанавливающие уровень логического сигнала контакта на плюс (подтягивание) или на минус (стягивание). Большинство контактов платы могут быть смультиплексированы с различными интерфейсами (UART, I2C, PWM, SPI, служебный канал EMAC, и другими). Рекомендуемый ток отдельного вывода GPIO составляет 6 миллиампер, предельный ток - 12 миллиампер.

Следует избегать превышения значений максимального тока более 12 миллиампер и напряжения более 3.3 вольта на контактах GPIO, способного повредить микроконтроллер.

• RST (EXT_RSTB, RESET) — контакт перезапуска модуля, активен при низкоуровневом сигнале.
• ADC0 (TOUT) — аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Допустимое входное напряжение 0-3.3 В, диапазон преобразованных цифровых значений в интервале 0-1023.
• GPIO0 — контакт переключение рабочих режимов ESP-12F между нормальным запуском и программированием/обновлением прошивки через шину UART, состояние которого считывается во время запуска контроллера. После старта ESP8266EX, может быть использован как GPIO в нормальном режиме.
• GPIO16 — контакт общего назначения, ввод/вывод данных. Соединение с выводом RST выводит модуль ESP из режима глубокого сна
• GPIO0-GPIO16 — контакт общего назначения, ввод/вывод данных. Переназначаемый на другие функции. Выводы определяются по нумерации GPIO, например GPIO1 = 1.
• 5V — контакт питания модуля с напряжением 5 вольт.
• 3.3V — контакт выходного напряжения внутрисхемного понижающего регулятора AMS1117 3.3, рабочее напряжение ESP8266. Вывод 3.3V может быть использован:
• прямое питание контролера от внешнего источника стабилизированного напряжения 3.3 вольта;
• прямое питание контролера от внешнего UART-программатора с напряжением 3.3 вольта;
• питание внешней периферии при 5-вольтовой схеме подключения платы;
• GND — общий, заземление.
• VСC — контакт совмещён с выводом входного напряжения 5 вольт.

Специальные функции и интерфейсы

• Асинхронный последовательный интерфейс UART из 2х линий, устанавливает связь с другими устройствами по шине UART: приём данных RXD (GPIO3), передача данных TXD (GPIO1). Подключение внешних устройств к выводам осуществляется по схеме RX->TX, TX->RX;
• Двунаправленный последовательный интерфейс IIC/I2C в режимах ведущий/ведомый, позволяет коммутировать на одной шине от одного до нескольких параллельно подключенных внешних датчиков, сенсоров, дисплеев и т.д.: линия данных SDA (GPIO2) и линия тактирования SCL (GPIO14).
  По умолчанию, в среде разработки Arduino IDE предусмотрена I2C-шина с контактами GPIO5 (SCL) и GPIO4 (SDA).
• Главный интерфейс последовательной шины SPI, настраиваемый на режимы ведущий/ведомый. Шина состоит из основных линий: передачи данных от главного к ведомому MOSI (GPIO8) и от ведомого к главному MISO (GPIO7), тактирования CLK (GPIO6) и выбора периферийного устройства CS0 (GPIO11), CS1 (GPIO1), CS2 (GPIO0). Интерфейс главной шины SPI связан со встроенной памятью.*
• Последовательный периферийный интерфейс HSPI в ведомом режиме, допускает подключение дополнительных устройств, совершающих обмен данными по шине SPI (дисплеи, микроконтроллеры и т.д.): HSPI_MISO (GPIO12), HSPI_MOSI (GPIO13), HSPI_CLK (GPIO14), HSPI_CS (GPIO15). Коммутация с внешними устройствами осуществляется по схеме CS->CS, CLK->CLK, MISO->MOSI, MOSI->MISO
• PWM (ШИМ) — цифровая широтно-импульсная модуляция сигнала с разрядностью до 14-бит, управляемая  на программном уровне. ESP8266 поддерживает до 8 одновременных выводов ШИМ. В заводской прошивке, ШИМ-выводы определены на GPIO4, GPIO12, GPIO14, GPIO15
• Интерфейс электрической последовательной шины I2S. В основном, служит для сбора, обработки и передачи аудиоданных, или для приёма/передачи последовательных данных по двум раздельным шинам. Приём: I2SI_DATA (GPIO12), I2SI_BCK (GPIO13), I2SI_WS (GPIO14). Передача: I2SO_BCK (GPIO15), I2SO_DATA (GPIO3, только вывод ESЗ-12F), I2SO_WS (GPIO2, только вывод ESP-12F)
• Периферийный интерфейс IrDA (ИК дистанционное управление), реализуемый на программном уровне. Предназначен для модуляции несущей частоты 38кГц, демодуляции или кодирования NEC. Дальность передачи сигнала составляет около 1м. Контакты IR_TXD (GPIO14), IR_RXD (GPIO5)
• Интерфейс безопасных цифровых входов/выходов SDIO, предназначен для коммутации с внешней флеш-памятью стандарта SD по последовательной шине: DATA0 (GPIO7), DATA1 (GPIO8), DATA2 (GPIO9), DATA3 (GPIO10), CMD (GPIO11), CLK (GPIO6)

* SPI флеш-память 4 Мбайт контроллера ESP-12F аппаратно привязана к 6 контактам GPIO6-GPIO11. Выводы поддерживают внешнюю флеш-память размером до 16 Мбайт. Рекомендуется не использовать эти контакты для прочих целей или переназначать их на другие функции.

Режимы запуска модулей серии ESP8266

Значения "Высокий" и "Низкий" - логический уровень входного сигнала на соответствующем контакте ESP8266EX.

* - физические выводы отсутствуют на плате адаптера модуля с чипом ESP-12F.

Внутренняя память ESP-12F ESP8266, файловая система SPIFFS

Контроллер ESP-12F оснащён микросхемой памяти, размер которой составляет 4 Мегабайта (32 Мегабита). Такого размера достаточно для хранения основной прошивки, пользовательского кода и, при необходимости, создания упрощённой файловой системы SPIFFS. Настройка областей памяти под нужды проекта достаточно гибкий инструмент оболочки Ардуино ИДЕ. Размеры назначаемых разделов для хранения прошивки и скетча, файловой системы SPIFFS, обновление по воздуху OTA (последнее добавлено в версии 2.6.0), сильно разнятся от установленной версии программной библиотеки поддержки ESP8266. Указание в редакторе на совместимость с платой Generic ESP8266 Module, предоставит пользователю на выбор внушительный список  предустановленных параметров для разбиваемых областей памяти.

Из имеющихся у ESP-12F в свободном доступе 4 Мбайте флеш-памяти, 1 Мегабайт выделяется под запись прошивки и исполняемой программы, увеличить этот размер в Arduino IDE не получится. Остальные 3 Мегабайта остаются свободными или размечаются под хранение данных в системе SPIFFS. Выполняя обновление прошивки, пользователь сам выбирает необходимость наличия файловой системы и её размер. В SPIFFS можно хранить данные скетча, файлы конфигурации или содержимое веб-сервера.

В большинстве случаев, скетчи умещаются в памяти без труда. Если речь заходит о написании и выполнении объёмного текста кода, пользователь может попробовать сэкономить память, воспользовавшись модифицированной прошивкой NodeMCU с интерпретатором языка Lua (основанной на NONOS-SDK), изменив её состав при помощи наборов разработчика NodeMCU SDK путём исключения или добавления поддержки определённых функций разрабатываемого проекта. Учитывая, что все исполняемые файлы программ на языке Lua хранятся в области SPIFFS, обновление прошивки модуля на ПО NodeMCU несколько по иному распределяет память, формируя файловую систему из оставшегося свободного пространства, не занятого самой прошивкой.

Структура файловой системы SPIFFS имеет небольшой ряд ограничений из-за конструктивных особенностей чипа ESP8266EX. Она не поддерживает разбитие собственной области памяти на дополнительные разделы и не работает с папками, храня файлы в виде списка. Максимальный размер имени файла не должен превышать 32 символа, включая специальный символ, отведённый под окончание строки.

Перенос файлов в систему SPIFFS возможен как из популярной среды программирования Arduino IDE, так и с помощью широко известного в ESP-сообществе java-редактора ESPlorer. По умолчанию, ни одной подобной функции в Ардуино ИДЕ не предусмотрено, и пользователю потребуется установить дополнение "Загрузчик в ESP8266", проделав несколько простых шагов.

1. Загрузите последнюю версию дополнения с сайта GitHub. Создайте на компьютере папку "tools" в директории скетчей и распакуйте в неё содержимое архива (по умолчанию путь C:/Users/Пользователь/Documents/Arduino/tools/ESP8266FS/tool/esp8266fs.jar). Перезапустите Ардуино ИДЕ.
2. Откройте скетч или создайте новый и запишите его. Откройте папку скетча (выберите Скетч->Показать папку скетча) и создайте в ней папку "data", поместив туда необходимые для записи файлы. Убедитесь, что правильно выбран тип платы, используемый порт и закрыт Монитор последовательного порта.
3. В меню "Инструменты" выберите пункт "ESP8266 Sketch Data Upload" и дождитесь надписи "SPIFFS Image Uploaded", символизирующей окончание записи образа файловой системы.

Программирование в среде Arduino IDE

Прежде чем начинать писать и прошивать скетчи в платформу ESP8266, следует добавить её совместимость со средой Ардуино ИДЕ. Для этого необходимо выполнить все шаги, описанные в главе "Добавление платформы ESP8266 в Arduino IDE". Как уже ранее упоминалось, подача питания контроллеру ESP-12F запускает режим исполнения программного кода, ранее записанного во внутреннюю память. Прошивка нового скетча выполняется переводом контроллера ESP8266EX в режим программирования, путём нажатия и удерживания встроенной кнопки Boot с последующим перезапуском контроллера. Либо замыканием контактов GPIO0, GND и перезапуском контроллера. Не следует отпускать кнопку или размыкать контакты до полного завершения процесса прошивки.

Выполняя программирование модуля, внутренний алгоритм редактора Arduino IDE прошивает одновременно с каждым новым скетчем собственное ПО для ESP8266, таким образом удаляя из соответствующей области памяти предыдущие версии прошивок.

Следующий простой пример заставляет мигать программируемый светодиод, совмещённый с выводом GPIO2.

#define LED_BUILTIN 2

void setup() {
 // Инициализируем контакт LED_BUILTIN в режим вывода
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Зажигаем светодиод низкоуровневым сигналом LOW
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  // Ждём секунду
  delay(1000);
  // Выключаем светодиод высоким уровнем напряжения HIGH
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  delay(1000);
}

Добавление платформы ESP8266 в среду разработки ARDUINO IDE

Установка совместимых библиотек для корректной работы с платформой ESP8266EX аналогично всему модульному ряду ESP. Пример настройки редактора ARDUINO IDE для ESP8266EX приведён в описании модуля ESP-01.

Программное обеспечение с интерпретатором AT команд

Коллектив компании Espressif Systems, для своих чипов ESP8266 и их разновидностей, выпускает прошивки со встроенным интерпретатором AT-команд, основанные на обновляемых программных наборах разработки ПО (SDK) с открытым кодом. Пользователь имеет возможность компилировать собственные кастомные прошивки, добавляя или исключая поддержку необходимых в проекте функций. Подобные прошивки формируют из контроллера ESP8266 своеобразный роутер-модем, вследствие чего способ взаимодействия с процессором ESP-12F значительно отличается от обычного. В коде ПО заложен перечень предопределённых заскриптованных команд, выполняющие различные действия с настройками контроллера ESP8266. АТ команды позволяют устанавливать и разрывать WiFi-соединения, отправлять и получать данные, или менять параметры шины UART. Любая АТ команда передаётся в ESP8266 через периферийный последовательный интерфейс UART (GPIO1, GPIO3) от ведущего устройства и всегда начинается с аббревиатуры АТ. Перечень поддерживаемых АТ команд опубликован в разделе "Техническая информация".

Обновление ESP-12F на ПО синтерпретатором NodeMCU языка Lua

Микроконтроллер ESP-12F полностью поддерживает работу на прошивке, включающей в себя интерпретатор NodeMCU скриптового языка Lua, выполняющего команды наподобие АТ инструкций. Загрузка новой прошивки в память ESP8266 выполняется через программный интерфейс UART. Загружаемая прошивка может быть взята в предварительно скомпилированном виде или изменена пользователем с помощью исходного кода программного инструмента разработки ПО (SDK). Либо вообще быть написанной самостоятельно на языке С/С++.

Для обновления ПО в контроллерах на базе ESP8266, в глобальной сети Интернет свободно распространяются несколько схожих по функционалу приложений, включая популярные инструменты EspTool.py и Flash Download Tool. Исходный код прошивки NodeMCU доступен в репозитории GitHub.

В качестве альтернативного варианта, подойдёт хорошо известная программа Node MCU Flasher для Windows. Последняя версия доступна для загрузки из репозитория GitHub. Процесс записи предварительно скомпилированного файла (формат .bin) прошивки прост, состоит из нескольких шагов и не занимает много времени.

1. Соедините плату-адаптер ESP-12F c USB-TTL преобразователем через шину UART и подключите последний к компьютеру при помощи USB-кабеля.
2. В Диспетчере Устройств Windows, в разделе Порты (COM и LPT), найдите и запомните (запишите) назначенный модулю USB-TTL номер COM-порта. Его необходимо будет указать в настройках программы перед прошивкой.
3. Запустите Flasher, во вкладке "Config" выберите нужную прошивку и укажите ей адрес 0x00000. Если прошивка состоит из нескольких частей, то каждая её составляющая часть размещается в новой строке с указанием соответствующего адреса (см. документацию к прошивке).
   
4. Настройки скорости и размера памяти во вкладке "Advanced":
   
5. Вернитесь на вкладку "Operation", выберите номер выделенного COM-порта, переключите ESP-12F в режим обновления ПО и нажмите в окне программы кнопку "Flash", тем самым запустив процесс записи прошивки. Дождитесь полного завершения операции.
   

Перед записью прошивки, настоятельно рекомендуется полная очистка флешь-памяти. Чаще всего, после обновления, прошивка работает без нареканий. Если предварительно не производить чистку памяти, можно столкнуться с ситуацией, когда заново загруженная версия NodeMCU не совпадёт с предыдущей установленной версией прошивки, вследствие чего плата попросту не запуститься в нормальном режиме. В таком случае, от пользователя потребуется запись отдельного файла инициализации модуля "esp_init_data_default.bin" из той версии SDK, на которой выполнялась сборка прошивки.

Программа Node MCU Flasher умеет записывать в память не только прошивки NodeMCU, но и оригинальные или кастомные прошивки с поддержкой АТ команд на основе существующих комплектов инструментов разработки (SDK) от компании-производителя Espressif System, выпускающей контроллеры ESP.

Готовый вариант прошивки NodeMCU для микроконтроллера ESP8266, собранный на интерпретаторе языка Lua версии 5.1.4, SDK версии 2.2.1, включая блоки: ADC, FILE, GPIO, MDNS, MQTT, NET, NODE, PWM, TMR, UART, WIFI, WPS.

Режимы энергосбережения ESP8266EX

За исключением стандартного режима полноценного функционирования, модуль ESP-12F поддерживает энергосберегающие режимы, предназначенные для эффективного расходования потребляемой энергии в приложениях с автономным источником питания. Принудительное отключение ESP-12F без полного обесточивания контактов питания контроллера не предусмотрено самой платой-адаптером.

1. Modem-sleep — спящий модем настраивается для приложений, использующих функции ШИМ или I2S, заставляющие процессор работать. В случаях, когда WiFi-связь установлена и передача данных не требуется, схема Wi-Fi модема может быть отключена для экономии энергии. Например, в режиме DTIM3, когда ESP8266 "спит" 300 миллисекунд и просыпается на 3 миллисекунды для приёма от точки доступа пакетов беспроводных Маяков (Beacon), общее потребление тока составляет около 20мА.
2. Light-sleep — лёгкий сон используется в задачах, в которых поддерживается соединение Wi-Fi и передача данных не требуется, при этом процессор может быть приостановлен. Например, режим коммутатора Wi-Fi. Общее среднее потребление тока составляет около 2 мА.
3. Deep-sleep — глубокий сон оптимален для приложений, которые не требуют подключения Wi-Fi и передают данные c большими задержками по времени. К таким задачам относятся датчики температуры, выполняющие измерения каждые 100 секунд. Например, когда ESP8266EX "спит" 300 секунд и просыпается для соединения с точкой доступа (около 0.3-1 секунды), общее среднее потребление тока намного меньше 1 мА.

Техническая информация

• Документация ESP-12F v1.0 (англ., PDF)
• Документация ESP8266EX v1.0 (англ., PDF)
• АТ инструкции ESP8266 v1.5.4 (англ., PDF)
• AT инструкции ESP8266 v3.0.2 (англ., PDF)
• АТ команды ESP8266 в примерах v1.3 (англ., PDF)

Полезные ссылки

• Официальная поддержка ESP8266