Модуль Wi-Fi ESP8266 (ESP-01): подключение, прошивка и распиновка

Модуль ESP-01 с чипом ESP8266 предназначен для связи устройства с беспроводными сетями по WiFi.

Модуль ESP-01 в проекте «Клавиатурный шпион»

ESP-01 — плата-модуль WiFi на базе популярного чипсета ESP8266EX. На борту платы находится микросхема Flash-памяти объёмом 2 МБ, чип ESP8266EX, кварцевый резонатор, два индикаторных светодиода и миниатюрная антенна из дорожки на верхнем слое печатной платы в виде змейки. Flash-память необходима для хранения программного обеспечения. При каждом включении питания, ПО автоматически загружается в чип ESP8266EX.

По умолчанию модуль настроен на работу через «AT-команды». Управляющая плата посылает команды — Wi-Fi модуль выполняет соответствующую операцию.

Но внутри чипа ESP8266 прячется целый микроконтроллер, который является самодостаточным устройством. Прошивать модуль можно на разных языках программирования. Но обо всё по порядку.

В стандартной прошивке Wi-Fi модуль общается с управляющей платой через «AT-команды» по протоколу UART.

На всех платах Iskra и Arduino присутствует хотя бы один аппаратный UART — HardwareSerial. Если же по каким то причинам он занят другим устройством, можно воспользоваться программным UART — SoftwareSerial.

На управляющей плате Iskra JS и платах Arduino с микроконтроллером ATmega32U4 / ATSAMD21G18 данные по USB и общение через пины 0 и 1 осуществляется через два раздельных UART. Это даёт возможность подключить Wi-Fi модуль к аппаратному UART на пинах 0 и 1.

Список поддерживаемых плат:

• Iskra JS
• Iskra Neo
• Arduino Leonardo
• Arduino Leonardo ETH
• Arduino Leonardo ETH PoE
• Arduino Yún
• Arduino Tian

Для примера подключим модуль Wi-Fi к платформе Iskra Neo.

Прошейте управляющую платформу кодом ниже.

HardwareSerialAT115200.ino

// serial-порт к которому подключён Wi-Fi модуль
#define WIFI_SERIAL    Serial1
 
void setup()
{
  // открываем последовательный порт для мониторинга действий в программе
  // и передаём скорость 9600 бод
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
  // ждём, пока не откроется монитор последовательного порта
  // для того, чтобы отследить все события в программе
  }
  Serial.print("Serial init OK\r\n");
  // открываем Serial-соединение с Wi-Fi модулем на скорости 115200 бод
  WIFI_SERIAL.begin(115200);
}
 
void loop()
{
  // если приходят данные из Wi-Fi модуля - отправим их в порт компьютера
  if (WIFI_SERIAL.available()) {
    Serial.write(WIFI_SERIAL.read());
  }
  // если приходят данные из компьютера - отправим их в Wi-Fi модуль
  if (Serial.available()) {
    WIFI_SERIAL.write(Serial.read());
  }
}

Некоторые платы Arduino, например Uno, прошиваются через пины 0 и 1. Это означает невозможность использовать одновременно прошивку/отладку по USB и общение с Wi-Fi модулем. Решение проблемы — программный UART. Подключите пины TX и RX ESP-модуля к другим контактам управляющей платы и используйте библиотеку SoftwareSerial.

Для примера подключим управляющие пины Wi-Fi модуля TX и RX — на 8 и 9 контакты управляющей платы. Прошейте управляющую платформу кодом ниже.

SoftwareSerialAT115200.ino

// библиотека для работы программного Serial
#include <SoftwareSerial.h>
 
// создаём объект для работы с программным Serial
// и передаём ему пины TX и RX
SoftwareSerial mySerial(8, 9);
 
// serial-порт к которому подключён Wi-Fi модуль
#define WIFI_SERIAL    mySerial
 
void setup()
{
  // открываем последовательный порт для мониторинга действий в программе
  // и передаём скорость 9600 бод
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
  // ждём, пока не откроется монитор последовательного порта
  // для того, чтобы отследить все события в программе
  }
  Serial.print("Serial init OK\r\n");
  // открываем Serial-соединение с Wi-Fi модулем на скорости 115200 бод
  WIFI_SERIAL.begin(115200);
}
 
void loop()
{
  // если приходят данные из Wi-Fi модуля - отправим их в порт компьютера
  if (WIFI_SERIAL.available()) {
    Serial.write(WIFI_SERIAL.read());
  }
  // если приходят данные из компьютера - отправим их в Wi-Fi модуль
  if (Serial.available()) {
    WIFI_SERIAL.write(Serial.read());
  }
}

На платах форм-фактора Arduino Mega 2560 аппаратный UART, который отвечает за передачу данных через пины 1 и 0, отвечает также за передачу по USB. Это означает невозможность использовать одновременно UART для коммуникации с Wi-Fi модулем и отладки по USB.

Но на платах такого форм-фактора есть ещё дополнительно три аппаратных UART:

• Serial1: пины 19(RX1) и 18(TX1);
• Serial2: пины 17(RX2) и 16(TX2);
• Serial3: пины 15(RX3) и 14(TX3).

Список поддерживаемых плат:

• Arduino Mega 2560
• Arduino ADK
• Arduino Due

Подключите Wi-Fi модуль к объекту Serial1 на пины 18 и 19 на примере платы Mega 2560 Прошейте управляющую платформу кодом ниже.

HardwareSerialAT115200.ino

// serial-порт к которому подключён Wi-Fi модуль
#define WIFI_SERIAL    Serial1
 
void setup()
{
  // открываем последовательный порт для мониторинга действий в программе
  // и передаём скорость 9600 бод
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
  // ждём, пока не откроется монитор последовательного порта
  // для того, чтобы отследить все события в программе
  }
  Serial.print("Serial init OK\r\n");
  // открываем Serial-соединение с Wi-Fi модулем на скорости 115200 бод
  WIFI_SERIAL.begin(115200);
}
 
void loop()
{
  // если приходят данные из Wi-Fi модуля - отправим их в порт компьютера
  if (WIFI_SERIAL.available()) {
    Serial.write(WIFI_SERIAL.read());
  }
  // если приходят данные из компьютера - отправим их в Wi-Fi модуль
  if (Serial.available()) {
    WIFI_SERIAL.write(Serial.read());
  }
}

Рассмотрим несколько примеров по работе с «AT-командами»

Откройте монитор порта. Настройте скорость соединения — 9600 бод. Конец строки — NL & CR. Введите команду AT и нажмите «Отправить». Это — базовая команда для проверки работы Wi-Fi модуля. В ответ получим «OK»: Если ответа нет или появляются непонятные символы — проверьте правильность подключения и настройки скорости обмена данными.

Wi-Fi модуль умеет работать в трёх режимах:

• Режим точки доступа
• Режим клиента
• Смешанный режим

Переведём чип в смешанный режим командой:

AT+CWMODE_DEF=3

После установки модуль должен ответить «OK»:

Для корректной работы с большими объемами необходимо понизить скорость соединения модуля и микроконтроллера. Для этого используйте «AT-команду»:

AT+UART_DEF=9600,8,1,0,0

После проделанной операции, измените скорость программного UART в скетче программы и прошейте плату.

SoftwareSerialAT9600.ino

// библиотека для работы программного Serial
#include <SoftwareSerial.h>
 
// создаём объект для работы с программным Serial
// и передаём ему пины TX и RX
SoftwareSerial mySerial(8, 9);
 
// serial-порт к которому подключён Wi-Fi модуль
#define WIFI_SERIAL    mySerial
 
void setup()
{
  // открываем последовательный порт для мониторинга действий в программе
  // и передаём скорость 9600 бод
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
  // ждём, пока не откроется монитор последовательного порта
  // для того, чтобы отследить все события в программе
  }
  Serial.print("Serial init OK\r\n");
  // открываем Serial-соединение с Wi-Fi модулем на скорости 9600 бод
  WIFI_SERIAL.begin(9600);
}
 
void loop()
{
  // если приходят данные из Wi-Fi модуля - отправим их в порт компьютера
  if (WIFI_SERIAL.available()) {
    Serial.write(WIFI_SERIAL.read());
  }
  // если приходят данные из компьютера - отправим их в Wi-Fi модуль
  if (Serial.available()) {
    WIFI_SERIAL.write(Serial.read());
  }
}

По итогу программный UART успеет обработать каждый пришедший байт с Wi-Fi модуля.

Откройте Serial-порт и отправьте на модуль «AT-команду» для сканирования всех доступных Wi-Fi сетей:

AT+CWLAP

При наличии доступных WI-FI сетей в ответ получим сообщение:

AT+CWLAP

+CWLAP:(0,"AI-THINKER_03842B",-65,"62:01:94:03:84:2b",1,1,-40)
+CWLAP:(3,"PiRExternal",-90,"f0:29:29:26:b8:31",1,-12,0)
+CWLAP:(3,"PiRGroup",-84,"44:ad:d9:87:c8:f0",1,-4,0)
+CWLAP:(4,"corp.Catherine.ru",-82,"f8:1a:67:4c:bf:59",2,10,0)
+CWLAP:(3,"PiRGroup",-87,"f0:29:29:26:b8:30",1,-11,0)
+CWLAP:(3,"Amperka",-44,"6c:3b:6b:ff:0f:4d",6,8,0)
+CWLAP:(3,"SEC_LinkShare_ddd43e",-79,"d0:66:7b:08:93:dd",6,23,0)
+CWLAP:(3,"DIT_AMPP",-82,"1c:b9:c4:25:13:68",1,32767,0)
+CWLAP:(3,"MZPK",-89,"24:a2:e1:eb:5d:08",11,-16,0)
+CWLAP:(0,"Arduino-Yun-B4218AF05F28",-62,"b4:21:8a:f0:5f:28",11,25,0)
+CWLAP:(3,"PiRExternal",-85,"44:ad:d9:87:c8:f1",1,-4,0)

OK

ESP-01 (ESP8266) — очень умный модуль. Внутри чипа прячется целый микроконтроллер, который можно программировать на языке C++ через Arduino IDE и JavaScript через Espruino Web IDE.

Ввиду отсутствия у платформы ESP-01 собственного USB-порта, понижающего преобразователя и отсутствия толерантности к 5 вольтам, подключите её к компьютеру, используя один из перечисленных способов:

• через платформу Arduino Uno
• через USB-Serial адаптер

Для сборки программатора понадобится:

1. Модуль ESP-01
2. Arduino Uno
3. Кабель USB (A — B)
4. Макетная плата
5. Понижающий регулятор напряжения на 3,3 вольта
6. Резистор 220 Ом 3 шт.
7. Резистор 2,2 кОм 1 шт.
8. Резистор 1 кОм 1 шт.
9. Провода «папа-папа»

1. Соберите схему, представленную ниже.
2. Переведите модуль в режим программирования:

   Необходимо каждый раз выполнять перед прошивкой модуля.

   1. Отключите питание от модуля;
   2. Подключите пин 0 к GND — фиолетовый провод к земле;
   3. Подключите модуль к питанию;
   4. Притяните пин 0 к 3.3V — фиолетовый провод через резистор к питанию.
3. Железо готово, приступайте к программной части.

Для сборки программатора понадобится:

1. Модуль ESP-01
2. USB-Serial адаптер
3. Кабель USB (A — Micro USB)
4. Макетная плата
5. Понижающий регулятор напряжения на 3,3 вольта
6. Резистор 220 Ом 3 шт.
7. Резистор 2,2 кОм 1 шт.
8. Резистор 1 кОм 1 шт.
9. Провода «папа-папа»

1. Соберите схему, представленную ниже.
2. Переведите модуль в режим программирования:

   Необходимо каждый раз выполнять перед прошивкой модуля.

   1. Отключите питание от модуля;
   2. Подключите пин 0 к GND — фиолетовый провод к земле;
   3. Подключите модуль к питанию;
   4. Притяните пин 0 к 3.3V — фиолетовый провод через резистор к питанию.
3. Железо готово, приступайте к программной части.

1. Для начала работы с платформой ESP на языке C++ скачайте и установите на компьютер интегрированную среду разработки Arduino IDE.
2. По умолчанию среда программирования настроена только на AVR-платы. Для платформы ESP-01 добавьте в менеджере плат поддержку платформ на модуле ESP8266.
3. В пункте меню Инструменты Плата выбирайте Generic ESP8266 Module.

После выполненных действий модуль ESP-01 готов к программированию через Arduino IDE.

1. Для старта с платформой ESP-01 на языке JavaScript скачайте и установите интегрированную среду разработки Espruino Web IDE.
2. Установите прошивку-интерпретатор JavaScript на ESP8266.

После выполненных действий модуль ESP-01 готов к программированию через Espruino Web IDE.

После программирования платформы в режиме самостоятельного контроллера может понадобиться восстановить на модуле стандартную AT-прошивку. Для этого необходимо воспользоваться утилитой Flash Download Tool.

Чип ESP8266 — выполнен по технологии SoC (англ. System-on-a-Chip — система на кристалле). В основе кристалла входит процессор семейства Xtensa — 32-х битный Tensilica L106 с частой 80 МГц с ультранизким энергопотреблением, радиочастотный трансивер с физическим уровнем WiFi IEEE 802.11 b/g/ и блоки памяти SRAM. Мощности процессорного ядра хватает для работы сложных пользовательских приложений и цифровой сигнальной обработки.

Программное приложение пользователя должно храниться на внешней микросхеме Flash-памяти и загружаться в ESP8266EX через один из доступных интерфейсов (SPI, UART, SDIO и др.) каждый раз в момент включения питания системы.

• 3.3V: Вывод питания модуля. Потребляемый ток не менее 250 мА.
• GND: Выводы земли.

• Цифровые входы/выходы: 4 пина; 0–3
  Логический уровень единицы — 3,3 В, нуля — 0 В. Максимальный ток выхода — 12 мА. К контактам подключены подтягивающие резисторы, которые по умолчанию выключены, но могут быть включены программно.
• ШИМ: 4 пина; 0–3
  Позволяет выводить аналоговые значения в виде ШИМ-сигнала. Разрядность ШИМ – 10 бит.
• UART: пины 3(RX) и 3(TX)
  Используется для коммуникации модуля Wi-Fi с компьютером или другими устройствами по интерфейсу UART.

• Модуль: ESP-01 с чипом ESP8266EX
• Выходной интерфейс: UART
• Объём Flash-памяти: 2 МБ
• Беспроводной интерфейс: Wi-Fi 802.11 b/g/n 2,4 ГГц
• Режимы работы:
  • Клиент (STA)
  • Точка доступа (AP)
  • Клиент + Точка доступа (STA + AP)
• Напряжение питания: 3,3 В
• Потребляемый ток: до 250 мА
• Габариты: 25×15 мм

• Тактовая частота: 80 МГц
• Портов ввода-вывода всего: 4
• Портов с ШИМ (Программный): 4
• Разрядность ШИМ: по умолчанию 10 бит
• Максимальный ток с пина или на пин: 12 мА

• ESP-01 в магазине.
• Векторное изображение ESP-01
• Datasheet на модуль ESP-01
• Datasheet на чип ESP8266EX
• Список АТ-команд
• Описание библиотеки для Iskra JS