ESP32 i ESP8266: mikrokontroleri s Wi-Fi-jem

ESP32-S3, ESP32-C3, ESP8266 i ostali čipovi tvrtke Espressif: Wi-Fi, Bluetooth, memorija, pinovi, napajanje i koji odabrati za koji projekt.

Arduino Uno zna paliti LED-ice i čitati senzore, ali sam ne može na internet. Kineska tvrtka Espressif radi mikrokontrolere koji u istom čipu imaju i Wi-Fi, a mnogi i Bluetooth. Prvi poznati bio je ESP8266 iz 2014., a nakon njega 2016. došao je ESP32. Danas je to cijela obitelj čipova čija imena počinju s ESP32.

Programiraju se u istom Arduino IDE-u i istim jezikom kao Arduino, a imaju mnogo više memorije i brži procesor: ESP32-S3 ima 256 puta više radne memorije od Una i takt 15 puta brži. Zato su česti u pametnim kućama, senzorima koji šalju podatke, pametnim žaruljama i utičnicama. Na ovoj stranici najviše je o tri člana obitelji: ESP32-S3, ESP32-C3 i ESP8266. Kako je na njima raspoređen svaki pin, piše ovdje, a o Arduinu na stranicama Raspored pinova i Arduino Uno, Nano, Mega i Giga.

Čip, modul i DevKit

Sam čip ESP32-S3 velik je 7 × 7 mm. Da bi radio, trebaju mu flash memorija za program, kristal za takt i antena. Zato se rijetko lemi sam, nego dolazi u modulu: maloj tiskanoj pločici s čipom, flash memorijom, kristalom i antenom. Čip i memorija skriveni su ispod metalnog poklopca, a antena je vodljiva staza na kraju modula. Modul je već ispitan i odobren za rad s radiovalovima, pa ga proizvođači uređaja lakše ugrade.

Modul se ne može izravno utaknuti u breadboard ni spojiti na računalo. Zato postoji DevKit (engleski development kit, razvojni komplet): modul na većoj tiskanoj pločici s USB priključkom, regulatorom napona, tipkama i konektorima s pinovima. Ime modula kaže što je u njemu: ESP32-S3-WROOM-1-N8R8 ima čip ESP32-S3, 8 MB flash memorije (N8) i 8 MB dodatnog RAM-a, PSRAM-a (R8). Oznaka 1U umjesto 1 znači da modul umjesto antene na pločici ima priključak za vanjsku antenu.

Na slici je Espressifov ESP32-S3-DevKitC-1 (inačica 1.1):

1. USB priključak UART: preko njega računalo učitava program i prima poruke za serijski monitor. Kroz njega DevKit dobiva i napajanje od 5 V.
2. USB priključak USB: spojen izravno na ESP32-S3, na pinove 19 i 20. Preko njega ESP32-S3 može računalu glumiti tipkovnicu, miš ili USB stick.
3. USB-UART čip pretvara USB u serijsku vezu UART, kao USB čip na Arduinu Uno.
4. Dva tranzistora: kad učitava program, računalo njima samo pritisne tipke BOOT i RESET.
5. BOOT: ako je držiš dok pritisneš RESET, ESP32-S3 čeka novi program. To pomaže kad se učitavanje ne pokrene samo.
6. RESET ponovno pokreće program.
7. Regulator napona od 5 V iz USB-a napravi 3,3 V za modul.
8. RGB LED-ica na pinu 38, koja može svijetliti bilo kojom bojom. Na prvoj inačici DevKita bila je na pinu 48.
9. Modul ESP32-S3-WROOM-1: ispod limenog poklopca su čip, flash, PSRAM i kristal.
10. Antena: viri preko ruba DevKita. Ne stavljaj na nju ni ispod nje ništa metalno, ni ruku, jer slabi signal.
11. Konektori s pinovima: dva po 22 pina.

DevKit je dug 62,7 mm i širok 25,4 mm. Kad ga utakneš preko srednjeg razmaka breadboarda, sa svake strane ostane samo po jedna slobodna rupica. Zato ga radije postavi preko dva breadboarda, kao na stranici Breadboard.

Obitelj ESP

Svi čipovi ESP32 programiraju se na isti način, ali se razlikuju po procesoru i po tome kakve radioveze imaju. Wi-Fi 4 je starija norma (802.11n), a Wi-Fi 6 novija (802.11ax), koja bolje radi kad je u istoj mreži mnogo uređaja. Gotovo svi rade samo na 2,4 GHz. Thread i Zigbee su mreže za pametnu kuću (norma 802.15.4) kojima žarulje, prekidači i senzori razgovaraju bez Wi-Fi-ja.

Brojevi su za sam čip, iz Espressifovih tehničkih listova (datasheeta). Na DevKitu je pinova manje, jer neke koristi flash memorija, a struja u dubokom snu veća, jer troše i regulator, USB-UART čip i LED-ice. Struja u dubokom snu je za san u kojem rade samo sat i mala RTC memorija. Stupac Arduino IDE kaže podržava li čip Espressifov paket za Arduino IDE.

ESP32-S3

ESP32-S3 je najjači čip obitelji s Wi-Fi-jem i Bluetoothom. Ima dvije jezgre od 240 MHz, 512 KB RAM-a, a u modulu ga često prati 2 do 8 MB PSRAM-a. Ima i posebne naredbe koje ubrzavaju računanje s mnogo brojeva odjednom, kakvo treba za prepoznavanje glasa i slike (umjetna inteligencija). Ima priključke za kameru i zaslon, USB, 14 pinova koji osjete dodir i dva analogno-digitalna pretvornika (ADC) s 20 ulaza.

Koristi se za kamere koje šalju sliku preko Wi-Fi-ja, uređaje sa zaslonom, pametne zvučnike koji prepoznaju naredbe, USB tipkovnice i igraće kontrolere te za sve projekte kojima Uno nema dovoljno memorije.

Oznake na slici imaju iste boje kao na stranici Raspored pinova. Broj na DevKitu je broj pina (GPIO), i taj broj pišeš u programu: digitalWrite(4, HIGH). Oznake SDA, SCL, MOSI, MISO, SCK i SS su pinovi koje paket za Arduino IDE koristi kad ne odabereš druge. ESP32 ih može premjestiti na gotovo svaki pin.

Na što paziti:

• Pinovi u žutom pojasu (0, 3, 45 i 46) odlučuju kako će se čip pokrenuti. ESP32-S3 provjeri njihovu razinu u trenutku pokretanja. Ako je pin 0 tada na GND, čeka novi program umjesto da pokrene tvoj. Na njih ne spajaj ništa što ih pri pokretanju vuče na drugu razinu, na primjer tipkalo prema GND-u ili modul s otpornikom.
• Pinovi 35, 36 i 37 nisu slobodni na modulima s osam podatkovnih linija za PSRAM, kao N8R8 i N16R8. Njima čip razgovara s memorijom.
• Pinovi 19 i 20 su priključak USB. Dok njime koristiš USB, za ništa drugo ih ne koristi.
• ADC2 dijeli Wi-Fi. Dok Wi-Fi radi, čitanje analognog ulaza na pinovima 11 do 20 može ne uspjeti. Za mjerenje uz Wi-Fi koristi pinove 1 do 10 (ADC1).
• Analogni ulaz mjeri do oko 2,9 V i nije jednako točan na cijelom rasponu. Za točno mjerenje bolji je vanjski pretvornik.
• PSRAM treba uključiti u Arduino IDE-u: Tools → PSRAM → OPI PSRAM za module s oznakom R8 ili R16, QSPI PSRAM za R2.
• RGB LED-ica nije obična LED-ica, nego ima svoj mali čip. Uključuje se naredbom rgbLedWrite(38, 0, 0, 64): pin, a zatim crvena, zelena i plava od 0 do 255.

ESP32-C3

ESP32-C3 je mali i jeftin čip s jednom jezgrom RISC-V od 160 MHz, 400 KB RAM-a, Wi-Fi-jem 4 i Bluetoothom 5 (BLE). U dubokom snu troši samo 5 µA. Mnoge inačice imaju flash memoriju od 4 MB u istom kućištu, pa su moduli i DevKitovi s njim vrlo mali. Ima i USB, ali samo za učitavanje programa i serijski monitor, a ne za glumljenje tipkovnice.

Koristi se za pametne utičnice i žarulje, senzore temperature i vlage koji podatke šalju preko Wi-Fi-ja, Bluetooth privjeske i daljinske upravljače. Dobra je zamjena za ESP8266 u novim projektima: ima više memorije, Bluetooth, bolji analogni ulaz i USB.

Na slici je Espressifov ESP32-C3-DevKitM-1, dug 38,9 mm. Na što paziti:

• Pinovi u žutom pojasu (2, 8 i 9) odlučuju kako će se čip pokrenuti. Tipka BOOT spojena je na pin 9, a RGB LED-ica na pin 8, koji je ujedno i SDA. Ako na njih spojiš modul, provjeri da ih pri pokretanju ne vuče na drugu razinu.
• Analogni ulazi su samo na pinovima 0 do 4. Drugi pretvornik (ADC2, pin 5) zbog greške u čipu ne radi pouzdano, pa ga Espressifov program više ne podržava.
• Pinovi 18 i 19 su priključak USB.
• Mali DevKitovi bez USB-UART čipa imaju samo USB priključak čipa. Na njima serijski monitor radi tek kad u Arduino IDE-u uključiš Tools → USB CDC On Boot → Enabled.

ESP8266

ESP8266 je najstariji član obitelji. Ima jednu jezgru od 80 ili 160 MHz i Wi-Fi 4, a Bluetooth nema. Kad je Wi-Fi uključen, programu ostaje oko 50 KB RAM-a, što je ipak dvadeset pet puta više nego na Unu. Program je u vanjskoj flash memoriji, a analogni ulaz je samo jedan i na samom čipu mjeri od 0 do 1 V.

Zbog niske cijene i mnogo uputa na internetu i danas je u mnogim projektima: Wi-Fi utičnicama, meteorološkim stanicama, LED trakama koje se upravljaju mobitelom. Najčešće se koristi na DevKitovima D1 mini i NodeMCU te kao mali modul ESP-01 s osam pinova, kojemu treba vanjski regulator od 3,3 V i USB-UART pretvornik.

Na slici je LOLIN D1 mini (inačica 4), dug 34,3 mm. Na njemu piše ime pina (D0 do D8), a pokraj oznake na slici je broj pina (GPIO). U programu možeš pisati i jedno i drugo: D4 i 2 su isti pin. Na što paziti:

• Pinovi D3, D4 i D8 (GPIO 0, 2 i 15) odlučuju kako će se čip pokrenuti. D3 i D4 moraju pri pokretanju biti na 3,3 V, a D8 na GND, i DevKit ima otpornike koji ih tamo drže. Tipkalo prema GND-u na D3 ili D4 zato ne smije biti pritisnuto dok se čip pokreće.
• LED-ica na D4 svijetli kad je na pinu LOW, a ne HIGH, jer je spojena prema 3,3 V.
• A0 na D1 mini ima djelilo napona, pa mjeri od 0 do 3,2 V, i vrijednost od 0 do 1023.
• Iz jednog pina smiješ uzeti najviše 12 mA.
• Buđenje iz dubokog sna na ESP8266 radi tako da pin D0 (GPIO 16) na kraju sna kratko spusti RST. Zato D0 i RST moraju biti spojeni žicom, a na D1 mini v4 za to postoji lemni mostić JP1.

Ostali članovi obitelji

• ESP32 (bez slova) je prvi ESP32 i još je na mnogim DevKitovima, najčešće s 30 ili 38 pinova. Jedini u obitelji ima klasični Bluetooth, kojim šalje zvuk na zvučnik ili slušalice i razgovara s mobitelom kao serijski port. Ima i dva analogna izlaza (DAC) i priključak za Ethernet. Pinovi 34 do 39 su samo ulazi, pinovi 0, 2, 5, 12 i 15 odlučuju o pokretanju, a ADC2 ne radi dok radi Wi-Fi.
• ESP32-S2 ima jednu jezgru, Wi-Fi i USB, ali nema Bluetooth. Dobar je za USB uređaje s Wi-Fi-jem.
• ESP32-C2 je najmanji i najjeftiniji čip s Wi-Fi-jem i Bluetoothom, za jednostavne proizvode koji se rade u velikim količinama. Espressifov paket za Arduino IDE ga ne podržava.
• ESP32-C5 jedini radi i na 5 GHz, gdje je manje gužve nego na 2,4 GHz. Ima Wi-Fi 6, Bluetooth i Thread.
• ESP32-C6 ima Wi-Fi 6, Bluetooth, Thread i Zigbee, pa je čest u uređajima za pametnu kuću. Uz glavnu ima i malu jezgru od 20 MHz koja radi dok glavna spava.
• ESP32-C61 ima Wi-Fi 6 i Bluetooth, ali ne i Thread ni Zigbee, a može mu se dodati PSRAM.
• ESP32-H2 nema Wi-Fi, nego samo Bluetooth, Thread i Zigbee. Za senzore i prekidače na bateriju koji razgovaraju s centralom pametne kuće.
• ESP32-P4 nema radioveze, ali je najbrži u obitelji: dvije jezgre od 400 MHz, brzi USB, Ethernet i priključci za veliki zaslon i kameru. Kad treba Wi-Fi, uz njega se stavi drugi čip, na primjer ESP32-C6.

Koji odabrati?

• Prvi projekt s Wi-Fi-jem, senzor koji šalje podatke na mrežu, Wi-Fi utičnica: ESP32-C3. Mali je, jeftin i malo troši. Ako želiš više pinova i memorije, ESP32-S3.
• Kamera, zaslon, zvuk, prepoznavanje glasa ili slike: ESP32-S3 s PSRAM-om.
• USB tipkovnica, miš ili kontroler za igre: ESP32-S3, a bez Bluetootha ESP32-S2.
• Zvuk preko Bluetootha na zvučnik ili slušalice: ESP32, jer jedini ima klasični Bluetooth.
• Uređaj na bateriju koji se rijetko budi: ESP32-C3, C6 ili H2, na DevKitu koji u snu malo troši (vidi Napajanje).
• Pametna kuća s Threadom, Zigbeejem ili Matterom: ESP32-C6, a bez Wi-Fi-ja ESP32-H2.
• Wi-Fi na 5 GHz: ESP32-C5.
• Veliki zaslon, kamera i velika brzina, bez radioveze: ESP32-P4.
• Projekt s gotovim uputama za ESP8266: ESP8266 i dalje radi, ali za novi projekt radije odaberi ESP32-C3.

Arduino Uno je i dalje bolji kad treba 5 V, otporniji pinovi i jednostavan početak. Ako na pin ESP-a slučajno dovedeš 5 V, čip se lako ošteti, a analogni ulaz Una mjeri ravnomjernije.

Programiranje u Arduino IDE-u

U Arduino IDE-u najprije dodaj podršku za ESP:

1. Otvori File → Preferences i u polje Additional boards manager URLs upiši adrese paketa, svaku u svoj red:
   • za ESP32: https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json
   • za ESP8266: https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
2. U Boards Manageru potraži esp32 (paket esp32 by Espressif Systems) ili esp8266 i klikni Install. Paket je velik, pa preuzimanje traje nekoliko minuta.
3. U Tools → Board odaberi ESP32S3 Dev Module, ESP32C3 Dev Module ili LOLIN(WEMOS) D1 R2 & mini, a zatim port.

Ako se port ne pojavi, provjeri kabel i upravljački program za USB-UART čip, kao na stranici Arduino IDE. Ako učitavanje ne krene, drži tipku BOOT, kratko pritisni RESET, pusti BOOT i pokušaj ponovno. Isti paketi rade i u VS Codeu s PlatformIO-om.

Ovaj program traži Wi-Fi mreže u blizini i ispisuje njihova imena, jačinu signala i kanal. Ne spaja se ni na jednu mrežu, pa mu ne treba lozinka. Radi na ESP32 i na ESP8266:

// Traži Wi-Fi mreže u blizini i ispisuje ih u serijski monitor.
// Radi na ESP32 (S3, C3 i ostalima) i na ESP8266. Ne spaja se ni na jednu mrežu.
#if defined(ESP8266)
#include <ESP8266WiFi.h>
#else
#include <WiFi.h>
#endif

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  WiFi.mode(WIFI_STA);   // radi kao uređaj koji traži mrežu, a ne kao pristupna točka
  WiFi.disconnect();
  delay(100);
}

void loop() {
  Serial.println("Trazim mreze...");
  int broj = WiFi.scanNetworks();
  if (broj == 0) {
    Serial.println("Nema mreza.");
  }
  for (int i = 0; i < broj; i++) {
    Serial.print(i + 1);
    Serial.print(". ");
    Serial.print(WiFi.SSID(i));
    Serial.print(", ");
    Serial.print(WiFi.RSSI(i));   // jačina signala u dBm: -50 je jak, -90 slab
    Serial.print(" dBm, kanal ");
    Serial.println(WiFi.channel(i));
  }
  WiFi.scanDelete();   // oslobodi memoriju s popisom mreža
  Serial.println();
  delay(5000);
}

U serijskom monitoru odaberi brzinu 115200. Linija #if defined(ESP8266) odabire pravu biblioteku: za ESP8266 to je ESP8266WiFi.h, a za sve ESP32 WiFi.h.

Napajanje

DevKit se napaja preko USB-a ili pina 5V, a regulator na njemu od toga napravi 3,3 V. Na pin 3V3 smiješ dovesti samo stabilnih 3,3 V, nikad 5 V. Espressif preporučuje izvor koji daje barem 500 mA, jer struja ESP-a jako skače.

Graf je model jednog buđenja ESP32-S3: struje su iz datasheeta, a koliko što traje je procjena, jer ovisi o mreži. U dubokom snu (sivo) čip troši samo 7 µA. Kad se probudi i pokrene (žuto), troši oko 45 mA, a dok se spaja na Wi-Fi i sluša (plavo), 88 mA. Svaki put kad nešto pošalje, struja na nekoliko milisekundi skoči na 340 mA, a najviše šiljaka je dok šalje podatke (narančasto). Zbog tih šiljaka napon na slabom izvoru na trenutak padne. Ako padne ispod granice, čip se sam resetira, a serijski monitor javi Brownout detector was triggered. Tada pomaže kraći i deblji USB kabel, drugi USB priključak ili kondenzator od 100 do 470 µF između 3V3 i GND, što bliže modulu.

Duboki san (engleski deep sleep) je način u kojem rade samo sat i mala RTC memorija. Čip se probudi kad prođe zadano vrijeme ili kad se promijeni neki pin, i tada program kreće ispočetka, od setup(). Ovaj program se svakih 10 sekundi probudi i javi koliko se puta probudio. Broj pamti u RTC memoriji, jer se ostala memorija u snu izbriše:

// Probudi se, javi koliko se puta probudio i spava 10 sekundi. Samo za ESP32 (S3, C3 i ostale).
RTC_DATA_ATTR int budjenja = 0;   // RTC memorija ostaje uključena i u dubokom snu

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);   // vrijeme da se serijski monitor ponovno spoji
  budjenja++;
  Serial.print("Budjenje broj ");
  Serial.println(budjenja);
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(10ULL * 1000000ULL);   // 10 s, u mikrosekundama
  Serial.println("Spavam 10 s.");
  Serial.flush();          // pričekaj da poruka ode prije spavanja
  esp_deep_sleep_start();  // čip zaspi; kad se probudi, program kreće ispočetka
}

void loop() {
  // ne izvodi se: nakon dubokog sna program kreće ispočetka, od setup()
}

Koliko dugo uređaj radi na baterije, ovisi o tome koliko često se budi i koliko cijeli DevKit troši dok spava. Graf je izračunat iz modela s gornjeg grafa: jedno buđenje traje oko 2 s i potroši 190 mA · s, a baterije imaju 2000 mAh.

• Ako se budi svake minute, baterije traju oko 26 dana, i gotovo je svejedno koliko DevKit troši u snu. Najviše struje troši Wi-Fi.
• Ako se budi svakih 10 minuta, traju 256 dana kad DevKit u snu troši 10 µA, a samo 63 dana kad troši 1 mA.
• Ako se budi jednom na sat, traju 1329, 546 ili 79 dana. Sad najviše troši san.

Sam čip u snu troši 7 µA, ali regulator, USB-UART čip i LED-ica za napajanje na DevKitu mogu trošiti mnogo više, i do nekoliko miliampera. Zato se za uređaje na bateriju biraju DevKitovi bez LED-ice za napajanje i s regulatorom koji sam malo troši. Stvarne baterije se i same s vremenom prazne, pa traju kraće nego na grafu.

Što smo naučili?

• ESP8266 i ESP32 su Espressifovi mikrokontroleri s Wi-Fi-jem, a većina ESP32 ima i Bluetooth. Programiraju se u Arduino IDE-u, kao Arduino.
• Pinovi rade s 3,3 V. Na njih ne smije doći 5 V, a iz jednog pina ESP32 daje najviše 40 mA, a ESP8266 12 mA.
• Čip je u modulu s flash memorijom i antenom, a modul na DevKitu s USB priključkom, regulatorom i pinovima.
• ESP32-S3 je najjači, za kameru, zaslon, zvuk i USB. ESP32-C3 je mali i jeftin, za senzore i pametne uređaje. ESP8266 je najstariji i nema Bluetooth.
• Pinovi za pokretanje odlučuju kako će se čip pokrenuti, pa na njih ne spajaj ništa što ih tada vuče na drugu razinu.
• Wi-Fi troši mnogo struje, sa šiljcima do 340 mA, pa ESP-u treba dobar izvor. U dubokom snu čip troši samo nekoliko mikroampera.

Mali kviz

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)