05.11.2020

Андрей Смирнов

Время чтения: ~10 мин.

Ваяем сниффер на ESP32. Слушаем вайфай, прицеливаемся на блютус!

Микроконтроллер ESP32 – это одна из самых доступных и мощных платформ для создания умных ардуино-проектов с поддержкой WiFi. Придя на смену ESP8266, этот чип дал новые возможности для разработчиков, хотя по-прежнему остались старые проблемы с поддержкой и документацией. В этой статье вы найдете описание характеристик, распиновку микросхемы, примеры программирования с помощью Arduino IDE

Описание микроконтроллера ESP32

Фирма Espressif выпустила мощный недорогой микроконтроллер ESP32 летом 2016 года. Устройство представляет собой систему на кристалле, построенную по технологии TSMC 40 нм, с Wi-Fi и Bluetooth контроллерами. Оно оснащено двухъядерным 32-битным процессором, который работает на частотах 80, 160 или 240 МГц. Также в систему интегрированы антенные коммутаторы, радиочастотные компоненты, фильтры, усилители, модули управления питанием. Подключается ESP32 к компьютеру через обычный USB провод.

Характеристики чипа

Технические характеристики ESP32:

Двух- или одноядерный 32-битный процессор Tensilica Xtensa LX6;
Тактовая частота – 160 или 240 МГц;
520 Кб SRAM;
Максимальный ток потребления 260 мА, в спящем режиме – 10 мА;
Стандарты беспроводной связи – Wi-Fi: 802.11 b / g / N, Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE;
Наличие датчиков температуры, Холла, тач-сенсоров;
Инфракрасное дистанционное управление;
Можно подключать двигатели и светодиоды через ШИМ разъем;
Стандарт IEEE 802.11 с поддержкой WFA, WPA/WPA2 и WAPI;
Возможность безопасной загрузки;
Шифрование флэш диска.

Также в модуле традиционно присутствует встроенное управление энергопитанием. Для этого используются линейный регулятор, индивидуальное питание для RTC (ядро низкого энергопотребления), пробуждение по таймеру или сенсорному датчику.

Программирование модуля ESP32 может производиться на самых разных платформах, и средах, вот небольшой список наиболее популярных вариантов:

Arduino IDE;
Espressif IoT Development Framework;
Espruino;
PlatformIO;
Pymakr IDE.

Большинство проектов реализуется на Arduino IDE и Espruino.

Использование ESP 32

Хоть плата ESP32 появилась недавно, она уже активно используется в коммерческих проектах, связанных с мобильными приложениями, электроникой и задачами IoT. Например, на ее базе построен светодиодный браслет IoT группы Alibaba. Он представляет собой живой беспроводной экран, в котором каждый браслет работает как пиксель. Также на основе микроконтроллера реализована биометрическая система отслеживания посещаемости и проекты, связанные с анализом климатических условий. Имея плату ESP32 и датчики температуры, влажности и давления, можно самостоятельно собрать метеостанцию. ESP32 используется в музыкальных плеерах, помощниках с голосовым управлением, аудиогарнитуре.

Распиновка ESP32

Микроконтроллер оснащен 48 контактами плюс 1 большой тепловой контакт, которые обладают разными функциями. Выводы микросхемы:

18 каналов 12-разрядного АЦП;
10 GRIO портов;
3 SPI;
3 UART;
2 I2C;
16 ШИМ выводов;
2 8-битных ЦАП вывода;
2

Расположение выводов зависит от производителя. Например, есть плата ESP32 DEVKIT V1 DOIT, у которой 36 контактов. Распиновка представлена на рисунке ниже.

Одним из самых популярных модулей является ESP-WROOM-32. Распиновка также приведена на картинке.

Подключение и настройка WiFi модуля ESP8266-01

Распиновка ESP WROOM 32

К портам GRIO 0, 4, 2, 15, 13, 12, 14, 27, 33 и 32 подключены сенсорные выводы. Они могут использоваться для вывода ESP32 из глубокого сна. Они фиксируют любое изменение электрического заряда.

Порты с 34 по 39 используются только для ввода информации. На них отсутствуют подтягивающие резисторы, поэтому их нельзя использовать как выходы.

На некоторых платах отображаются контакты 6-11. Они подсоединены к к интегрированной SPI flash. Их не используют в проектах.

Есть различные версии платы ESP32 размерами 5х5 мм или 6х6 мм. Также на основе ESP32 существуют модули SMT для интегрирования в другие платы.

Отличия esp32 от esp8266

Платформы ESP8266 и ESP32 произведены одной компанией Espressif. Микроконтроллер ESP32 отличается от своего предшественника улучшенными характеристиками, увеличенным функционалом и большим объемом памяти. Стоимость нового прибора дороже примерно в 2 раза.

Важным преимуществом ESP32 является более быстрый Wi-Fi и Bluetooth. В ESP32 установлен более мощный процессор, позволяющий реализовывать сложные проекты. Эта платформа подходит для приложений, в которых требуется интернет или новые интерфейсы. Для более дешевых разработок используется ESP8266.

Объем памяти у нового устройства ESP32 увеличен – 512 Кб против 160 Кб ESP8266. Также ESP32 отличается большим количеством выводов GRIO. К нескольким контактам на ESP32 прикреплены емкостные сенсорные датчики и датчик температуры. На обоих устройствах контакты GRIO можно использовать по-разному. ESP32 имеет 18 12-битных АЦП каналов. У его предшественника есть всего 1 10-битный вывод АЦП.

Мощность процессора значительно влияет на скорость работы. Модуль ESP32 показывает рекордную производительность по сравнению с предшественником ESP8266. Загрузка страницы с длинным скетчем и множеством графики занимает секунды.

Из недостатков ESP32 можно выделить отсутствие библиотек для поддержки сенсоров и малое количество драйверов. Это связано с тем, что плата появилась в продаже недавно. Но учитывая все преимущества микроконтроллера и его перспективы, эта проблема будет решена уже в ближайшее время.

Знакомимся с ESP32, часть 1: установка в Arduino IDE

Настройка Arduino IDE для работы с ESP32

Изначально изделия от компании Espressif поставляются с прошивкой, позволяющей работать с помощью AT команд. Это не всегда удобно, поэтому лучше программировать плату в привычной среде разработки – Arduino IDE.

Чтобы начать создавать проекты на ESP32, сначала нужно иметь его поддержку в среде разработки Arduino IDE. Поддержка в настоящий момент находится на начальном, но работоспособном уровне. Проблемы могут возникнуть с драйверами устройств, но из-за популярности модуля вскоре будет поддерживаться вся периферия.

В первую очередь нужно скачать Arduino IDE и официальную инструкцию с сайта https://github.com/espressif/arduino-esp32. Нужно загрузить файлы дистрибутива и поместить в папку C:UsersUserDocumentsArduinohardwareespressifesp32.

Так как плата ESP32 новая и поддержка в среде разработки Ардуино появилась недавно, то могут возникнуть сложности с установкой. Это связано с тем, что драйвера только разрабатываются и изменен порядок расположения системных директорий. Все скетчи должны быть расположены в папке C:UsersUserDocumentsArduino. Файлы дистрибутива должны быть размещены внутри этой папки, как советует производитель. Если этого не учесть, то поддержка в Ардуино ESP32 будет отсутствовать.

После установки можно открыть Arduino IDE. Затем нужно перейти в настройки и в менеджере плат выбрать нужную. Теперь можно прошивать модуль.

Проверка модуля и подключение к Arduino IDE

Чтобы произвести проверку работоспособности модуля, можно собрать проект с мигающим светодиодом. Для подключения потребуются:

Модуль ESP32;
Источник питания на 3 В;
Кнопка;
Резисторы;
USB кабель для подключения к компьютеру;
Провода;
Светодиод;
USB-TTL конвертор.

Собирается это все согласно схеме ниже.

Пример схемы ESP8266

Затем нужно загрузить тестовый код, прописав в нем номер COM порта, к которому подключен модуль, и тип платы. После загрузки скетча должен замигать светодиод.

Настройка официальной среды разработки ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework)

Среду ESP-IDF можно установить на Windows. Для этого нужно:

ESP8266 и Arduino, подключение, распиновка

Скачать с официального сайта среду разработки;
Распаковать архив, поместить его на диск C;
Затем появится каталог msys32, в который нужно перейти и запустить программу mingw32.exe;
Появится окно терминала, где нужно создать каталог с именем esp;
Нужно перейти в созданный каталог;
Подключить необходимые библиотеки с помощью команды git clone –recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git;
Затем устанавливаются пакеты Python командой python -m pip install –user -r $IDF_PATH/requirements.txt.

После этого можно начинать работу. В каталоге esp-idfexamples есть различные примеры скетчей для работы с модулем.

Содержание

WiFi модули ESP8266 за время своего существования стали поистине народными и получили широкое распространение в любительской разработке устройств Интернета вещей. Но жизнь не стоит на месте и компания-разработчик Espressif выпускает новый микроконтроллер – ESP32. ESP32 получил значительный прирост в производительности, по сравнению c ESP8266. Вычислительная мощность возросла в четыре раза. У ESP32 есть два ядра, каждый из которых работает на частоте 160 МГц (ESP8266 имеет 1 ядро, работающее на частоте 80 МГц). Контроллер имеет 520 Кб оперативной памяти, 448 Кб flash-памяти. Поддерживает не только Wi-Fi (802.11n с максимальной скоростью 150 Мбит в секунду), но и Bluetooth 4.2 BR/EDR и Low Energy.

Основным недостатком плат ESP8266 было очень малое количество контактов, в ESP32 этот недостаток устранен, выводов гораздо больше и они многофункциональные, блок ввода-вывода имеет специальный мультиплексор, который позволяет назначать различные функции на один вывод микроконтроллера. Значительно увеличено количество аналоговых входов (18 АЦП (12-бит) и 2 ЦАП (8-бит)), поддержка PWM на всех контактах, 10 портов в режиме сенсорных кнопок. ESP32 имеет три UART, два I2C, четыре SPI, два I2S. Также имеется инфракрасный контроллер (прием-передача), шина CAN 2.0. Еще есть датчик температуры и датчик Холла. Для шифрования при передаче данных по WiFi в ESP32 имеются криптографические модули AES и SHA.

Рисунок 1. Блок-схема периферии ESP32

Для удобной работы с микроконтроллером ESP32 был выпущен модуль WROOM-32 (рис. 2, 3), и теперь появилось множество отладочных плат на этом модуле, например FireBeetle от DFRobot (см. рис. 4, 5).

Рисунок 2,3. Модуль ESP-WROOM32

Рисунок 4,5. Отладочная плата FireBeetle от DFRobot на ESP-WROOM32

Изначально модули ESP32, как и ESP8266, поставляется с прошивкой, позволяющей работать с этим микроконтроллером с помощью AT-команд. Но данный метод нас не устраивает. Будем программировать нашу плату в Arduino IDE. Для этого скачиваем ESP32 CORE для Arduino IDE с сайта https://github.com/espressif/arduino-esp32 (zip-архив) и распаковываем его в папку C:Program FilesArduinohardwareespressif. Заходим в Arduino IDE и видим, что в панели инструментов появились платы ESP32 (рис. 6).

Рисунок 6. Плата ESP32 в списке плат в Arduino IDE

Но в списке портов платы нет. Необходимо установить драйвер. Заходим по ссылке https://git.oschina.net/dfrobot/FireBeetle-ESP32/raw/master/FireBeetle-ESP32.inf и копируем содержимое страницы в файл FireBeetle-ESP32.inf. Затем в Диспетчере устройств (Прочие устройства) правой кнопкой выбираем плату FireBeetle-ESP32 и нажимаем Обновить драйверы à Выполнить поиск драйверов на этом компьютере и указываем папку, где сохранен файл FireBeetle-ESP32.inf. Подтверждаем установку и плата FireBeetle-ESP32 появляется в списке COM-портов (рис. 7).

Рисунок 7. Плата FireBeetle-ESP32 в Диспетчере устройств (драйвер установлен).

Теперь и в Arduino IDE появляется данный порт. Плата готова к загрузке скетчей.

И список библиотек, поддерживаемых на данный момент (рис. 8).

Рисунок 8. Список библиотек для ESP32 в Arduino IDE

Попробуем подключить плату ESP32 к WiFi точке доступа. Загружаем на плату скетч из листинга 1.

Листинг 1

#include          // выставите свои данные для точки доступа    const char* passwifi = "************";    const char* ssidwifi     = "*********";              void setup()    {        Serial.begin(115200);        delay(10);             // Коннект к точке доступа        Serial.print("Connecting to ");        Serial.println(ssidwifi);             WiFi.begin(ssidwifi, passwifi);             while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {            Serial.print(".");            delay(1000);        }             Serial.print("WiFi connect ok!");        Serial.print("Your IP address is ");        Serial.println(WiFi.localIP());    }            void loop(){        ;    }

Но компиляция не проходит (см. рис. 9)!!! Не находит xtensa-esp32elf.

Рисунок 9. Ошибка компиляции скетча для ESP32

Заходим в папку FilesArduinohardwareespressifesp32tools и запускаем файл get.exe(рис. 10).

Рисунок 10. Загрузка и установка xtensa-esp32-elf

Теперь компиляция и загрузка скетча на плату проходит успешно (рис. 11).

Рисунок 11. Компиляция и загрузка скетча на плату ESP32

Открываем монитор последовательного порта и видим, что подключение платы ESP32 к сети WiFi успешно (рис. 12).

Рисунок 12. Работа скетча подключения платы ESP32 к WiFi

1. В Arduino IDE не видна плата ESP32

Установите ESP32 CORE для Arduino IDE согласно инструкции

2. В Arduino IDE в списке портов нет подключенной платы ESP32

Установите драйвер для вашей платы ESP32

3. Компиляция скетча проходит с ошибкой «Cannot run program…»

Запустите файл get.exe в папке FilesArduinohardwareespressifesp32tools для скачивания и установки необходимого программного обеспечения.

Всем привет! Это уже пятая часть цикла «Знакомимся с ESP32». В этой части мы разберём Wi-Fi, в следующей части — подключение OLED дисплея, а затем соберём свой первый проект: часы с режимом энергосбережения и подкачкой времени через Wi-Fi. Поехали!

В первой части я упомянул, что у ESP32 два ядра. Для чего это нужно? Те, кто ~~работали~~ мучились с ESP8266 знают, что такое Wi-Fi. Это такая штука, которая даёт доступ в интернет, но пожирает всё процессорное время. В ESP32 эта проблема решена: одно ядро занимается задачами Wi-Fi, а на другом крутится прошивка.

Кто ещё не понял преимущество ESP32 перед Arduino: Arduino Mega стоит 600 рублей, Ethernet Shield — ещё 500. А за 300-400 рублей вы можете получить 240 МГц процессор и Wi-Fi. И кучу других прибамбасов (ну, ЦАП, например).

Но вернёмся к нашим баранам. Как я уже сказал ранее, ожидать, пока ESP достучится до сервера нам не придётся: этим займётся другое ядро. Для примера вот небольшой скетч, который реализует сервер Wi-Fi. Вот ещё, который ищет сети Wi-Fi и пишет их в Serial.

На этом пока всё. Ждите 6 часть!

49Используемые источники: