W ostatnim czasie w świecie szeroko rozumianej elektroniki (zwłaszcza cyfrowej), na popularności coraz bardziej zyskują moduły łączności bezprzewodowej, które zostały zaprojektowane pod współpracę z mikrokontrolerami, umożliwiając realizację rozmaitych procesów technologicznych na odległość.
Następstwem takiego stanu rzeczy było powstanie technologii Internetu rzeczy (ang. Internet Of Things), która otworzyła nam nowy, jeszcze bardziej obszerny zakres możliwości projektowania inteligentnych aplikacji sprzętowo-programowych, realizujących przeróżne zadania – od zwykłych czynności codziennych (np. zdalne uruchomienie ogrzewania w mieszkaniu), aż po zaawansowane procesy technologiczne (np. zautomatyzowana produkcja układów elektroniki profesjonalnej). Również w tym zakresie naprzeciw oczekiwaniom hobbystów-pasjonatów elektroniki wyszli zawodowi konstruktorzy systemów embedded, tworząc platformę ESP-01 opartą na słynnym układzie scalonym ESP8266, pojawiającym się w praktycznie każdej aplikacji wbudowanej, wykorzystującej łączność bezprzewodową.
Ogólna charakterystyka modułu WiFi ESP-01
ESP-01 jest modułem umożliwiającym pełną implementację wykonywania połączeń poprzez sieć bezprzewodową Wi-Fi. Urządzenie może stanowić atrakcyjne rozwinięcie podstawowych możliwości sprzętowych rozmaitych aplikacji sprzętowo-programowych. Dzięki wbudowanej pamięci cache układ nie obciąża zewnętrznych urządzeń współpracujących i korzystnie wpływa na ich prędkość i efektywność pracy. Płytka ESP-01 może pełnić funkcję uniwersalnego adaptera Wi-Fi, stanowiącego dodatkowe wyposażenie platform z mikrokontrolerami (np. Arduino Uno), realizując komunikację za pośrednictwem interfejsu szeregowego UART – na płytce umieszczono złącza Rx i Tx, umożliwiające odbiór i wysyłanie informacji, podobnie jak ma to miejsce w płytkach Arduino.
Ten moduł Wi-Fi może współpracować także z minikomputerem Raspberry Pi oraz innymi komputerami wyposażonymi w magistralę GPIO, realizując odbieranie i wysyłanie danych z czujników pomiarowych i innych urządzeń zewnętrznych. W tym celu moduł został wyposażony w trzy programowalne wejścia/wyjścia dwustanowe. Należy pamiętać, że jeśli chcemy podłączyć moduł ESP-01 do Arduino, wymagane jest podłączenie konwertera poziomów logicznych. W przeciwieństwie do Arduino zasilanego napięciem 5,0V, płytka z modułem ESP8266 wymaga zasilania napięciem 3,3 V.
Interfejs SPI w module WiFi
Ten moduł ESP8266 dysponuje praktycznymi interfejsami komunikacyjnymi. Jednym z nich jest interfejs szeregowy SI/SPI, który może funkcjonować z wykorzystaniem 2, 3 lub 4-przewodowych szyn transmisji danych w celu sterowania pamięcią EEPROM lub innymi urządzeniami wspierającymi komunikację przez interfejs I2C lub SPI.
Równoległa obsługa wielu urządzeń z interfejsem SPI jest zapewniona dzięki zastosowaniu wspólnych linii SDA i SCL, wchodzących w skład portów GPIO. Interfejs SPI może zostać użyty do sterowania urządzeniami zewnętrznymi, takimi jak np. pamięci masowe. Interfejs SPI wykorzystuje trzy wyprowadzenia. Wyprowadzenie SPI_EN0 podaje sygnał aktywujący dla zewnętrznej pamięci FLASH w celu pobrania kodu z bazy MIB. Z kolei wyprowadzenie SPI_EN1 jest przeznaczone do podłączenia czujników, kodeków audio, napięć wejściowych dla przetwornika analogowo-cyfrowego i innych sygnałów istotnych dla funkcjonowania konkretnych aplikacji systemów wbudowanych. Natomiast z poziomu wyprowadzenia SPI_EN2 odbywa się sterowanie pamięcią EEPROM, magazynującą informacje na temat bazy MIB, adres MAC i inne dane wykorzystywane przez odpowiednie aplikacje do realizacji niezbędnych procesów.
Podłączanie modułu do notebooka
Aby podłączyć moduł ESP-01 do notebooka, konieczne jest użycie konwertera FTDI Basic lub FTDI Friend. Te płytki umożliwiają bezpieczne doprowadzenie zasilania napięciem 3,3V do modułu bazowego. Podanie na płytkę napięcia 5,0V grozi nieodwracalnymi uszkodzeniami! Wyprowadzenia Rx i Tx interfejsu UART również pracują na poziomie logicznym 3,3V i przy współpracy tego modułu z Arduino wymagane jest podłączenie konwertera poziomów logicznych z 5,0V na 3,3V. Konwerter wbudowany w płytki FTDI jest wyposażony w zworkę, za pomocą której można szybko ustawić wymagany poziom napięcia. Moduł ESP-01 pobiera prąd o natężeniu 80 mA w stanie spoczynku oraz maksymalnie 300 mA w stanie pełnego obciążenia. Z tego względu dobrze jest upewnić się, czy w przypadku braku dostępu do zasilania sieciowego, bateria w notebooku wystarczy na odpowiednią ilość czasu.
Po podłączeniu konwertera FTDI do laptopa należy użyć przewodów połączeniowych i zworek w celu połączenia pinu Tx konwertera z pinem Rx w module ESP-01. Masy modułów (GND) muszą być ze sobą połączone! Następnie należy podłączyć piny modułu ESP-01 – CH_PD i VCC – do modułu konwertera FTDI. Pomyślne uruchomienie zostanie zasygnalizowane migotaniem niebieskiej diody LED oraz zaświeceniem czerwonej diody LED, symbolizującej zasilanie płytki.
Inne przykładowe moduły ESP
Wszechstronny zakres zastosowań i niski pobór energii
Moduł ESP-01 ESP8266 został zaprojektowany z myślą o aplikacjach bezprzewodowych, takich jak np. inteligentne ubrania, pojazdy zdalnie sterowane czy też aplikacje IoT. Celem projektantów było stworzenie modułu łączącego zalety funkcjonalne wraz z niskim zapotrzebowaniem na energię.
System oszczędzania energii umożliwia realizację trzech trybów pracy modułu, tj. tryb aktywny, tryb uśpienia i tryb głębokiego uśpienia. Dzięki zastosowaniu takiej technologii moduł ESP-01 w stanie uśpienia pobiera w prąd o wartości nieprzekraczającej 10uA, a pobór mocy nie przekracza 0,5 mW. Jedynymi układami, które pobierają prąd w trybie uśpienia, są: zegar czasu rzeczywistego (RTC – ang. Real Time Clock) oraz watchdog.
Dodatkowo zegar RTC można zaprogramować tak, aby uruchamiał moduł ESP-01 okresowo w wyznaczonych odcinkach czasowych, a także przy spełnieniu określonych warunków, np. na podstawie danych z interfejsu UART. Moduł ESP8266 można wykorzystać na wiele sposobów, nawet w aplikacjach z pozoru zwykłych.
Wykorzystując piny GPIO, można zaprogramować moduł ESP-01 jako sterownik urządzeń domowych. Poprzez wysłanie wiadomości e-mail możesz zdalnie uruchomić ogrzewanie mieszkania, a także zagotować wodę na herbatę. Z uwagi na bardzo mały pobór prądu, możemy również wykorzystać moduł ESP8266 w licznych aplikacjach bezprzewodowych o zasilaniu bateryjnym. Należą do nich nie tylko roboty i inne pojazdy zdalnie sterowane, ale także inteligentne ubrania.
Podłączając odpowiedni zestaw czujników, moduł może wysłać komendę o uruchomieniu sygnału ostrzegawczego, informującego osoby postronne o obecności pracownika wykonującego czynności konserwacyjne na elewacji budowlanej, a także w systemie transportu miejskiego – informować pasażerów na wyświetlaczach przystankowych o godzinie przyjazdu najbliższego tramwaju lub autobusu.
