Какую плату выбрать?

Хакер - JavaScript для умного дома. Arduino устарел, да здравствует ESP32!

Содержание статьи

Интерес к интернету вещей растет с каждым днем, свои курсы по технологии IoT запустили и Cisco, и Samsung. Но большинство этих курсов базируются на собственном железе компаний, довольно дорогом, в то время как практически все то же самое можно сделать на гораздо более дешевом железе самостоятельно, получив при этом массу удовольствия и полезных навыков.

Какую плату выбрать?

Когда неофит от IoT полезет в интернет, одним из первых модулей, которые он найдет, будет ESP8266. И действительно, он обладает массой достоинств: дешевый, много различных плат на его основе, позволяющих использовать его как самостоятельное устройство и подключать к сложным Arduino-based проектам. Но ESP8266, выпущенный в 2014 году, довольно быстро перестал удовлетворять запросы пользователей, и в 2015 году компания-разработчик Espressif выпускает новый микроконтроллер — ESP32.

Различия между ESP8266 и ESP32

Точно так же, как и в случае с ESP8266, разработчики создали довольно много плат, базирующихся на новом микроконтроллере. В данной статье все примеры тестировались и проверялись на плате MH-ET LIVE ESP32 DevKit. Плата для обзора была любезно предоставлена интернет-магазином Amperkot.

Pinoutmap платы

Сколько процессорных ядер у ESP32?

Одно, зачем ему больше?
Два, меньше уже не делают
ESP32 — это серия из четырех чипов с одним и двумя ядрами

Начинаем программирование

Как и у любой платы, основанной на ESP32, у MH-ET LIVE ESP32 DevKit есть достаточно большой набор языков программирования. Во-первых, это Arduino C, во-вторых, Lua, а в-третьих и в-четвертых — MicroPython и Espruino. Про Espruino — сборку JS для программирования микроконтроллеров — уже рассказывалось в ][, но в той статье разбиралась работа только на плате Espruino Pico, заточенной под Espruino.

INFO

К сожалению, портирование Espruino на ESP32 еще не до конца завершено. Часть возможностей, например обновление по воздуху и Bluetooth, недоступна. Но так как Espruino — open source проект, любой может добавить свою функциональность.

Установка

Скачиваем на официальном сайте свежую сборку Espruino. А если не доверяешь готовым сборкам, то можно собрать прошивку самостоятельно:
# Get the Espruino source code git clone https://github.com/espruino/Espruino.git cd Espruino # Download and set up the toolchain ('source' is important here) source scripts/provision.sh ESP32 # Clean and rebuild make clean && BOARD=ESP32 make
Несмотря на то что мы будем программировать на JS, для установки все равно нужен Python, а конкретно esptool.py. Повторяя свою предыдущую статью, скажу, что для его установки, при условии, что Python уже установлен, достаточно набрать в консоли/терминале: pip install esptool.
В терминале перейти в папку с прошивкой. Кроме самого файла Espruino, здесь лежат файлы bootloader.bin и partitions_espruino.bin. Это необходимые компоненты, но в некоторых сборках их может не быть, тогда их придется скачать отсюда.
Запускаем процесс прошивки, не забыв изменить порт, указанный в данном примере, на свой, а также при необходимости указать другое имя прошивки. Здесь она называется espruino_esp32.bin.
esptool.py \ --chip esp32 \ --port /dev/ttyUSB0 \ --baud 921600 \ --after hard_reset write_flash \ -z \ --flash_mode dio \ --flash_freq 40m \ --flash_size detect \ 0x1000 bootloader.bin \ 0x8000 partitions_espruino.bin \ 0x10000 espruino_esp32.bin

Процесс прошивки

IDE

Разработчики Espruino создали свою IDE, Espruino Web IDE. Эта программа распространяется через Chrome Web Store, также существуют нативные приложения для Windows (32 и 64).

Espruino Web IDE

Перед первым запуском нужно залезть в настройки, вкладка COMMUNICATIONS, и убедиться, что скорость общения выставлена на 115200, а также изменить поле Save on Send с No на Yes, иначе все программы после перезапуска слетят.

Теперь достаточно запустить IDE, подключиться к плате и набрать в консоли 1+2: если ты получил 3, значит, все настроено правильно и можно начинать полноценную работу.

Какую платформу для разработки прошивок ESP32 рекомендуют использовать Espressif, AWS IoT и Google Cloud IoT?

Ubuntu LTS
Mongoose OS
Kolibri OS

Hello world

Во всех языках программирования, предназначенных или модифицированных для программирования микроконтроллеров, самая простая программа — так называемый Blink, мигание встроенным светодиодом. Но это как-то скучно. Поэтому нашей первой программой станет программа для управления светодиодом с помощью веб-страницы. И действительно, JS — это же язык веба.

var wifi = require("Wifi");

wifi.startAP('EspruinoAP', { password: '0123456789', authMode: 'wpa2' },function() {
  console.log(`AP started`);
});

function onPageRequest(req, res) {
  var a = url.parse(req.url, true);
  if (a.pathname=="/") {
    res.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/html'});
    res.end("<H1><center>Hello, ][aker!</center></H1>");
  } else if (a.pathname=="/on") {
    res.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/plain'});
    res.end("Enable");
    digitalWrite(D2, false);
  } else if (a.pathname=="/off") {
    res.writeHead(200, {'Content-Type': 'text/plain'});
    res.end("Disable");
     D2.write(true);
  } else {
    res.writeHead(404, {'Content-Type': 'text/plain'});
    res.end("404: Page "+a.pathname+" not found");
  }
}
require("http").createServer(onPageRequest).listen(80);

Можно заметить, что синтаксис практически ничем не отличается от обычного JS. Давай разбираться, что же происходит в этой программе.

var wifi = require("Wifi") — для начала мы подгрузили необходимый нам модуль для работы с Wi-Fi. Логично будет задаться вопросом: а откуда мы его взяли? Допустим, есть встроенные в прошивку модули. А если нам нужно загрузить с какого-нибудь внешнего сайта? Функция require поддерживает синтаксис вида require("https://github.com/espruino/EspruinoDocs/blob/master/devices/PCD8544.js");, а WebIDE для поиска модулей онлайн, по умолчанию используется https://www.espruino.com/modules.
Следующий блок кода отвечает за поднятие точки доступа с именем EspruinoAP и паролем 0123456789. В случае успешного запуска в консоль выводится соответствующее сообщение.
Функция onPageRequest — собственно сам веб-сервер. В этой функции разбирается адрес и проверяется, что нужно сделать, в зависимости от запроса:
- если загружается первая страница — /, то вернуть 200-й заголовок и сообщение типа text/html «Hello, ][aker!», в обрамлении HTML-тегов;
- если загружается страница включения — /on, то вернуть 200-й заголовок и сообщение Enable, а также включить светодиод. Заметим, что используется привычная Arduin’щикам функция digitalWrite(pin, value);
- небольшое отличие в случае страницы выключения — /off, для выключения светодиода используется не функция digitalWrite(pin, value), а метод write(value);
- во всех остальных случаях возвращаем ошибку «404 — Page Not Found».
А последняя строка собственно поднимает сервер, с внутренней функцией onPageRequest, на 80-м порте.

Важно заметить, что мы можем возвращать различный контент: обычный текст, HTML, XML и так далее.

RGB-лампочка, управляемая по MQTT

Очень часто создание своего умного дома начинается именно с подсветки. Но просто включать/выключать светодиодную лампу — это банально. Для освещения небольших помещений, а также для украшения и создания праздничной атмосферы нередко используются адресные RGB-светодиоды. Воспользуемся ими и мы. В качестве MQTT-брокера и клиента возьмем Adafruit IO.

Ты уже делал свои проекты с Arduino?

Еще нет
Только помигал светодиодами
Делал, и теперь замахнулся на большее

Из стандартных виджетов нам понадобятся всего два: Toggle и Color Picker.

Adafruit IO Dashboard

var ssid = 'SSID';
var password = 'PASSW';
var count = 16;
var LedPIN = D23;

var wifi = require('Wifi');

function colorall(color,count,pin) {
  Color_Array = new Uint8ClampedArray(count*3);
  for (var i = 0;i < Color_Array.length; i+=3) {
    Color_Array[i  ] = color[0];
    Color_Array[i+1] = color[1];
    Color_Array[i+2] =color[2];
  }
  require("neopixel").write(pin, Color_Array);
}

function hexToR(h) {return parseInt((cutHex(h)).substring(0,2),16); }
function hexToG(h) {return parseInt((cutHex(h)).substring(2,4),16); }
function hexToB(h) {return parseInt((cutHex(h)).substring(4,6),16); }
function cutHex(h) {return (h.charAt(0)=="#") ? h.substring(1,7) : h; }

wifi.connect(ssid, {password: password}, function() {
  console.log('Connected to Wifi. IP address is:', wifi.getIP().ip);
});

var mqtt = require("MQTT").connect({
  host: "io.adafruit.com",
  username: "<LOGIN>",
  password: "<SECRET-KEY>"
});

mqtt.on('connected', function() {
  mqtt.subscribe("<LOGIN>/feeds/exampledashboard.enable");
  mqtt.subscribe("<LOGIN>/feeds/exampledashboard.colorlamp");
  console.log("Connect");
});

mqtt.on('publish', function (pub) {
  console.log("topic: "+pub.topic);
  console.log("message: "+pub.message );
  if (pub.topic == "<LOGIN>/feeds/exampledashboard.enable") {
    if (pub.message=="OFF") {
      colorall([0,0,0], count, LedPIN);
    } else {
      colorall([128,128,128], count, LedPIN);
    }
  } else if (pub.topic == "<LOGIN>/feeds/exampledashboard.colorlamp") {
    var hex_color = pub.message;
    var rgb_color = [hexToG(hex_color),hexToR(hex_color), hexToB(hex_color)] ;
    colorall(rgb_color, count, LedPIN);
  }
});

mqtt.connect();

Есть ли у ESP32 встроенная флеш-память?

Нет, она не нужна
Да, как же без нее?
Есть только в модификации D2WD

Приступим к разбору программы.

Для начала объявляем переменные, необходимые для подключения к Wi-Fi, а также количество светодиодов и пин, к которому они подключены.
Функция colorall(color,count,pin) отвечает за одновременное окрашивание всех светодиодов в один цвет. Для этого следует создать массив, в который count раз записать по очереди три составляющих цвета. То есть для окрашивания двух светодиодов в синий цвет массив должен быть такой: [0,0,255,0,0,255]. Как можно заметить, в этой функции подключается предзагруженная библиотека neopixel. И еще один интересный факт: здесь перепутан порядок цветов — не RGB, а GRB. Это очень странно, но так есть.
Следующие четыре функции нужны для перевода цвета из шестнадцатеричной записи в RGB. Они нам понадобятся, ведь Color Picker отправляет цвет как строку вида #RRGGBB.
Подключаемся к Wi-Fi, в случае успешного подключения в лог выведется сообщение.
Теперь необходимо подключиться к MQTT-брокеру. В первый раз, когда попробуешь запустить, интерпретатор может выдать ошибку, что такая библиотека не найдена. На самом устройстве ее действительно нет, она подгружается из интернета, поэтому, если подключение к интернету не удалось, она не сможет скачаться. Подожди, пока установится стабильное подключение, и перезагрузи устройство.
Теперь надо описать функциональность клиента. У MQTT-клиента есть различные события, на которые можно (и нужно) повесить обработчики.
- Когда соединение установлено (connected), надо подписаться (mqtt.subscribe(topic)) на необходимые топики: один соответствует переключателю, другой — Color Picker’у. И для удобства выведем в консоль сообщение об успешном подключении.
- Теперь надо прописать, что необходимо делать при появлении в том или ином топике какого-либо сообщения (publish). Для начала выведем имя топика и текст сообщения.
- Переключатель может возвращать всего два сообщения: OFF или ON. Логично, что при получении первого сообщения необходимо выключить все светодиоды, а вот что делать при включении — остается на выбор программиста. Я решил зажечь все светодиоды белым цветом, с 50%-й яркостью.
- Если же пользователь изменяет цвет, то мы переводим цвет в RGB, точнее в GRB-запись и записываем этот цвет во все светодиоды.
И разумеется, необходимо инициировать подключение к MQTT-брокеру.

MQTT-сервисы

Кроме Adafruit IO, есть и другие MQTT-сервисы, с похожей функциональностью. Если говорить про полностью «ручное» управление — первым на ум приходит Eclipse Mosquitto. Этот брокер можно установить на домашний компьютер или на Raspberry Pi и при помощи встроенных утилит mosquitto_sub и mosquitto_sub вручную (или используя Python) создавать топики, подписываться на них, отправлять сообщения.

В Arduino-кругах очень популярен сервис Blynk. У этого сервиса есть библиотеки для Arduino, клиенты под iOS и Android, а также его сервер распространяется через GitHub и может быть поднят на любом компьютере. Есть небольшой нюанс: каждый виджет, добавляемый на панель приложения, «стоит» определенное количество внутренних единиц. Изначального баланса хватит на большинство приложений, но если тебе захочется сделать полноценную программу и выложить ее в App Store / Play Market (а Blynk и такое позволяет), то придется раскошелиться.

Кроме этого, и в App Store, и в Play Market наберется достаточно много клиентских приложений, а в интернете есть масса MQTT-брокеров. Например, CloudMQTT. У него доступен бесплатный тариф — самое то для начала.

Система контроля состояния комнаты

Представим, что у нас есть комната, в ней ряд датчиков и нам нужно следить, все ли там в порядке. Постоянно смотреть за показателями надоест довольно быстро, поэтому нам требуется, чтобы в определенных случаях включался свет, причем не какой-то светодиод, а полноценная лампа. А всю информацию будем отправлять опять же на Adafruit IO.

Датчики у нас следующие:

датчик уровня воды — аналоговый;
датчик температуры и влажности DHT11 — цифровой;
датчик звука — цифровой.

Кроме этого, для управления светом нам понадобится реле.

Схема подключения

var ssid = 'SSID';
var password = 'PASSW';

var TempRTSensorPin = D27;
var WaterSensorPin = D26; // Аналоговый пин
var SoundPin = D14; // Аналоговый пин
var RelayPin = D12;

const SoundLevel = 3.8;
const Waterlevel = 30;

var wifi = require('Wifi');

wifi.connect(ssid, {password: password}, function() {
  console.log('Connected to Wifi.  IP address is:', wifi.getIP().ip);
  mqtt.connect();
});

var dht = require("DHT11").connect(TempRTSensorPin);

var mqtt = require("MQTT").connect({
  host: "io.adafruit.com",
  username: "<LOGIN>",
  password: "<SECRET-KEY>"
});

mqtt.on('connected', function() {
  console.log("Connect");
});

function EnableLight() {
  digitalWrite(RelayPin,true);
}

setInterval(function() {
  if (analogRead(SoundPin)*100>SoundLevel) || (analogRead(WaterSensorPin) * 100 > Waterlevel) {
    D2.write(false);
    EnableLight();
  }
}, 100);

setInterval(function() {
  dht.read(function (a) {console.log("Temp is "+a.temp.toString()+" and RH is "+a.rh.toString());
  mqtt.publish("<LOGIN>/feeds/smartroom.rh", a.rh.toString());
  mqtt.publish("<LOGIN>/feeds/smartroom.temperature", a.temp.toString());
  mqtt.publish("<LOGIN>/feeds/smartroom.waterlevel",""+analogRead(WaterSensorPin));
},5000);

В данной программе нам опять понадобится подключение к Wi-Fi и MQTT-брокеру. Они аналогичны первой программе, единственное отличие — MQTT-клиент при подключении не подписывается ни на какие топики.

В начале объявим, какие пины для чего мы будем использовать. И если первый пример теоретически мог бы быть запущен на ESP8266, то этот пример требует только ESP32, ведь нам нужно уже два аналоговых пина.

Для датчика температуры и влажности существует собственная библиотека, которую необходимо подключить: require("DHT11").

Реле управляется обычным изменением данных на цифровом пине. 0 — реле выключено, 1 — включено. Таким образом, подключая лампы, удлинители и прочие устройства через реле, ими можно управлять через интернет. Это один из самых частых IoT-приемов.

Но самое интересное — это, конечно, функция setInterval(function,time). Всем, кто писал на Arduino C, известна основная функция void Loop(){} — это функция, которая постоянно вызывается после загрузки программ. Так вот, setInterval гораздо круче. Во-первых, можно (и нужно) задать время повтора в миллисекундах, а во-вторых, можно задавать вызовы нескольких функций, причем с разной частотой.

Еще из интересных нюансов у меня есть переменные SoundLevel и Waterlevel, поскольку и датчик уровня воды, и датчик звука — аналоговые, показания на разных платах могут различаться и необходимо провести калибровку. На датчике звука установлен потенциометр, для регулировки чувствительности.

Кроме этого, в данном скрипте появился вызов функции mqtt.publish(field,data), он отправляет значение поля data в заданный канал на MQTT-брокере.

SmartRoom Dashboard

Какая плата полностью совместима с Espressif ESP32-DevKitC?

Таких нет, но подобных много
Watterott ESP-WROOM32-Breakout
Goouuu Tech ESP-32F

Заключение

Примеры, разобранные в данной статье, призваны продемонстрировать, что в создании собственных IoT-девайсов нет ничего сложного. Действительно, JS, на котором базируется Espruino, довольно несложный ЯП, а количество уроков по нему в интернете зашкаливает. В начале статьи я писал, что самостоятельная разработка дешевле, чем покупное устройство. В качестве примера, подтверждающего это, скажу, что одна розетка, управляемая по Wi-Fi, стоит в среднем примерно в два раза больше платы, используемой в обзоре, и в 10–20 раз больше, чем реле, необходимое для управления обычной розеткой. Выводы делай сам.

Читайте ещё больше платных статей бесплатно: https://t.me/hacker_frei