ESP8266 WiFi: Wstęp

Autor: tmf

Redakcja: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: Moduły WiFi

Do niedawna każda rozmowa o wykorzystaniu WiFi i mikrokontrolera kończyła się tak:

WiFi i mikrokontroler? Hmm, to musi być drogie i skomplikowane!

Ale Chińczycy przekonali nas, że wcale tak być nie musi. Jakiś czas temu wypuścili tani moduł ESP8266 pełniący rolę łącznika z siecią bezprzewodową. Jest to kompletny moduł, który wymaga tylko podłączenia do mikrokontrolera przy pomocy interfejsu RS232-TTL lub SPI i już możemy korzystać z dostępu do sieci WiFi!

Ile ta przyjemność kosztuje?  2$ - 3$ w  zależności od wersji modułu.

Prostota podłączenia, niska cena, to wszystko powoduje, że WiFi stało się dostępne dla hobbystów i możemy je szeroko wykorzystywać w naszych projektach. Warto się więc nieco bliżej przypatrzeć temu modułowi.

Gdzie go kupić w dobrej cenie?

Jesteś wstępnie zainteresowany WiFi, tylko nie wiesz, gdzie go kupić? Obecnie jest on dostępny w wielu sklepach internetowych, a jego popularność stale rośnie, niewykluczone więc, że będzie także w twoim ulubionym „sklepie za rogiem”™.

W Polce można go kupić za około 25 zł (+koszty wysyłki). Jest to sporo, ale jeśli zależy ci na czasie, to jest to jedyna możliwość szybkiego zakupu. Niestety podatki i koszty prowadzenia działalności w Polsce nie ułatwiają życia hobbystom, stąd wysokie ceny.

Inna opcja to zakup na AliExpress lub eBay-u. Tu ceny są niskie (na poziomie 2-3$), lecz musimy się liczyć z czasem dostawy rzędu od 7 do 30 dni. Ale za to dostawa jest gratis!

W praktyce może nas spotkać przykra niespodzianka w postaci dodatkowych kosztów związanych z cłem i VATem, lecz jeśli zakup nie jest duży, najczęściej tego typu problemy nas ominą. Przytoczę więc informacje celne:

Z zastrzeżeniem art. 24 zwolnione z należności celnych przywozowych są przesyłki zawierające towary o niewielkiej wartości wysyłane bezpośrednio z państwa trzeciego do odbiorcy znajdującego się we Wspólnocie.

Do celów ust. 1 „towary o niewielkiej wartości” oznaczają towary, których rzeczywista wartość nie przekracza 150 EUR na przesyłkę.

oraz podatkowe dot. VAT:

Zwalnia się od podatku import towarów umieszczonych w przesyłkach wysyłanych z terytorium państwa trzeciego bezpośrednio do odbiorcy przebywającego na terytorium kraju, pod warunkiem że łączna wartość towarów w przesyłce nie przekracza kwoty wyrażonej w złotych odpowiadającej równowartości 22 euro.

Jeżeli zamawiasz towary w jednej przesyłce o znacznej wartości sprawdź aktualnie obowiązujące kwoty zwolnień.

Na zachętę dodam, że zazwyczaj czas dostawy jest znacznie krótszy i zdarzyło mi się otrzymać przesyłki wysłane z Chin już po paru dniach. Warto przed zakupem poczytać opinie o sprzedającym i sprawdzić ile układów sprzedał. Czasami warto dopłacić parę centów, ale kupić u pewnego sprzedawcy (co najmniej kilkaset pozytywnych komentarzy i wysokie oceny powyżej 95%) niż ryzykować.

---

Typy modułów

Przed zakupem musimy sobie odpowiedzieć na kilka ważnych pytań dotyczących typu modułu, który kupimy. Warto pamiętać, że niezależnie od oznaczeń, wszystkie moduły ESP8266 zawierają dokładnie ten sam chipset, lecz różnią się wielkością, typem wyprowadzeń, ich ilością i innymi szczegółami. Warto przed zakupem przemyśleć czego oczekujemy, żeby uniknąć sytuacji, gdy kupimy moduł z anteną PCB, a potem okaże się, że jego zasięg jest niewystarczający.

Moduł do podłączenia do PC

Moduł w wersji DIL – wszystkie sygnały wyprowadzone są w postaci goldpinów, o rozstawie pasującym do płytki stykowej. Do tego na module dostępny jest konwerter RS232-TTL-USB, dzięki czemu moduł możemy podłączyć bezpośrednio do komputera. Jest to wygodne, jeśli moduł wykorzystujemy jako wypasiony mikrokontroler z opcją WiFi i chcemy pisać programy dla niego bezpośrednio. Moduł taki nie nadaje się do podłączenia do mikrokontrolera. Cena wynosi ok. $9.

Moduł z konwerterem USB-RS232TTL

Gdy rozmiar jest ważny

Dla osób chcących kupić gotowy moduł zawierający wszystko, co potrzebne do pracy, godne polecenia są moduły z antena drukowaną, umieszczoną na PCB. Rozwiązanie to gwarantuje małe wymiary modułu, jednocześnie moduł zawiera wszystko, co potrzebne, aby nawiązać połączenie bezprzewodowe. Oczywiście jak zawsze coś za coś. Anteny na PCB są małe, ale co gorsze, w pobliżu mogą się znajdować inne elementy jeszcze bardziej pogarszające nadawanie i odbiór.

Moduł z anteną na PCB

Pamiętajmy, że wykorzystując tego typu moduły musimy zapewnić, aby w pobliżu anteny nie było dużych pól masy, ekranów, większych elementów elektronicznych, które mogą tłumić sygnał. Tego typu moduły nie mogą być umieszczone w metalowych obudowach. Musimy pamiętać, że nawet, jeśli spełnimy te wszystkie wymagania to zasięg modułu nie będzie duży.

Moduł z gniazdem antenowym i mikro anteną

Dla użytkowników, dla których ważny jest zasięg WiFi niezwykle ważne jest posiadanie na module gniazda dla anteny. Warto pamiętać, że anteny w postaci nadruku na PCB nie umożliwiają uzyskania dużego zasięgu i to z kilku powodów. Po pierwsze sprawność takiej anteny nie jest duża, po drugie – moduł zwykle lutujemy do płytki, umieszczamy w obudowie, co pogarsza warunki pracy anteny.

Jeśli na module mamy gniazdko do anteny zewnętrznej, to zawsze możemy wykorzystać lepszą antenę, wyprowadzić ją na zewnątrz, z dala od ekranów i elementów mogących zakłócić jej pracę.

Dlaczego po prostu samemu nie można kupić gniazdka i je wlutować? Pamiętajmy, że WiFi działa w paśmie 2,4 GHz, przy tej częstotliwości niezwykle ważne są efekty falowe, a każde połączenie to duża strata sygnału. Stąd też lepiej, jeśli producent umieścił gniazdo antenowe, zazwyczaj umieścił także inne elementy umożliwiające dopasowanie torów wyjściowych modułu do właściwości falowych gniazda i ścieżek łączących moduł z antena.

Moduł z gniazdem antenowym oraz mikro anteną Rainsun 

Mikro antena zastosowana w module to AN9520 o następujących parametrach:

Mikro antena: AN9520 (kopia)

Na module mogą znajdować się różne wersje gniazda antenowego. Zazwyczaj nie jest to gniazdo SMA (SubMiniature version A) ze względu na ograniczoną dostępność miejsca. Stąd też często wykorzystywane jest złącze MMCX (micro-miniature coaxial), a do modułu dodawany jest kabelek-przejściówka na zwykłe złącze SMA.

Konwerter na gniazdo SMA

Goldpiny, czy pola lutownicze?

Kolejny istotny wybór, jakiego musimy dokonać przy zakupie to decyzja o typie wyprowadzeń modułu. Do dyspozycji mamy dwa rozwiązania – goldpiny lub pola lutownicze. Goldpiny (listwy kołkowe) (zazwyczaj) umożliwiają łatwe łączenie modułu z płytką stykową, ewentualnie możemy je wykorzystać do przylutowania modułu we własnym układzie.

Jest to nieco mniej wygodne rozwiązanie, ale z „dziwnych” powodów część początkujących elektroników uwielbia elementy przewlekane, twierdząc, że łatwiej się je lutuje. Nie jest to prawdą, ale nie będziemy tego tu roztrząsać. Goldpiny mogą być wyprowadzone po obu stronach modułu (wtedy łatwo jest je wsunąć w płytkę stykową) lub po jednej stronie, najczęściej w postaci listwy dwurzędowej – w takiej sytuacji o wciśnięciu modułu w płytkę stykową możemy zapomnieć.

Moduł ze złączem DIL

Drugą opcją jest moduł z polami do lutowania. Moduł taki „nakłada” się na płytkę PCB, do której go chcemy przylutować, a na płytce-matce musimy umieścić odpowiednie pola lutownicze. Podstawową zaletą takiego połączenia jest to, że goldpiny nie zajmują dodatkowego miejsca na płytce, w efekcie całość wychodzi po prostu mniejsza.

Moduł z polami lutowniczymi

Jest jeszcze jedna istotna zaleta wykorzystania pól lutowniczych – te wersje modułu mają wyprowadzone zazwyczaj wszystkie sygnały IO (linie GPIO i ADC), natomiast moduły z goldpinami, często mają wyprowadzone tylko sygnały RS232-TTL, zasilanie i dwie linie GPIO.

Nie zawsze jest to przeszkodą, ale kupując moduł zawsze warto sprawdzić jakie sygnały mamy do dyspozycji.

---

Podłączenie modułu i zasilanie

Ok, mamy już moduł, czas zacząć przygodę. Moduł możemy wykorzystać na dwa sposoby:

• połączyć go z mikrokontrolerem i wykorzystać jako zwykły moduł bezprzewodowy,
• wykorzystać fakt, że moduł to układ SoC (system on chip), zwierający wydajny mikrokontroler, sporo RAM i FLASH, a więc możemy go programować bezpośrednio i w wielu wypadkach nie będziemy potrzebowali dodatkowego mikrokontrolera.

Tą druga możliwość omówimy później, zacznijmy na razie od typowego zastosowania – czyli modułu komunikacyjnego realizującego połączenie bezprzewodowe dla mikrokontrolera.

Zasilanie

Moduł wymaga zasilania w zakresie 3,0 - 3,6V, a średni pobierany prąd wynosi ok. 80 mA, przy czym w trakcie aktywnej pracy może wzrosnąć nawet do 200 mA. Stwarza to pewne problemy.

Przede wszystkim musimy zadbać o odpowiednią wydajność prądową zasilacza. Przy module warto też umieścić kondensator elektrolityczny o pojemności 47 - 220 µF i dodatkowo kondensator ceramiczny 100nF.

Drugi problem wynika z napięcia zasilającego – typowo 3,3V. Osoby stosujące nowoczesne mikrokontrolery (AVR, XMEGA, PIC i ARM) mogą moduł podłączyć z nimi bezpośrednio – mikrokontrolery te również zasilamy napięciem 3,3V.

Osoby wykorzystujące starsze AVRy (ATMega, ATTiny), często zasilane napięciem 5V mają dodatkowy problem – po pierwsze muszą w układzie umieścić dodatkowy stabilizator, generujący napięcie zasilania dla modułu WiFi (ew. kupić moduł zawierający już taki stabilizator), a dodatkowo musimy zbić napięcie na pinach wyjściowych (np. TxD) mikrokontrolera, łączących go z modułem WiFi.

Piny IO

Kolejną rzeczą na jaką należy zwrócić uwagę przy zakupie modułu to dostępne piny IO. Najprostsze moduły mają tylko 6 pinów, z czego część to piny zasilające i sterujące:

• GND
• Vcc (5V)
• Vcc (3,3V)
• TxD
• RxD
• chip enable (wybór układu)

Moduł bez wyprowadzonych pinów GPIO

Tego typu moduły mają niewielkie rozmiary, idealnie sprawdzają się w układach, w których moduł łączymy z mikrokontrolerem sterującym – w takiej sytuacji nie potrzebujemy dodatkowych pinów IO, wystarczą nam piny RxD i TxD do realizacji komunikacji mikrokontroler-moduł. Moduły te często (np. moduł pokazany na rysunku), posiadają dodatkowo konwertery poziomów, dzięki czemu piny IO można podłączyć do systemu mikrokontrolerowego zasilanego 5V, na module bywa też stabilizator 3,3V, dzięki czemu moduł możemy zasilać napięciem 5V lub, jeśli mamy do dyspozycji, napięciem 3,3V z pominięciem wbudowanego stabilizatora.

Warto pamiętać, że moduły posiadające na pokładzie stabilizator 3,3V często na liniach TxD i RxD mają odpowiednie konwertery napięć 5V-3,3V. Natomiast na innych liniach GPIO takich konwerterów nie ma. Jeśli je chcemy wykorzystać w naszym projekcie to musimy zadbać, aby napięcie na tych pinach nigdy nie wzrosło powyżej 3,6V, co grozi uszkodzeniem modułu.

Moduły, które nie mają wyprowadzonych GPIO bezpośrednio posiadają zworkę (lub pole lutownicze), które umożliwia wejście modułu w tryb uaktualniania oprogramowania.

Pola lutownicze umożliwiające upload nowego firmware i zmianę typu interfejsu

Tego typu moduły mają zwykle możliwość wykorzystania innych wyjść GPIO, lecz wymaga to bezpośredniego lutowania połączeń do modułu SoC. Dlatego, jeśli planujemy wykorzystać GPIO lepiej zakupić wersję modułu, w której piny te są wyprowadzone bezpośrednio.

Pokazana poniżej wersja modułu:

Moduł z wyprowadzonymi wszystkimi pinami GPIO

posiada wyprowadzone wszystkie sygnały. W tabeli poniżej zostały one pokrótce opisane:

Sygnał	Funkcja
Vcc	Zasilanie modułu (3,0-3,6 V), chyba, że moduł ma na pokładzie dodatkowy stabilizator napięcia
GND	Masa układu
MTMS	Sygnał interfejsu szeregowego lub pin GPIO14
MTDI	Sygnał interfejsu szeregowego lub pin GPIO12
MTCK	Sygnał interfejsu szeregowego lub pin GPIO13
MTDO	Sygnał interfejsu szeregowego lub pin GPIO15
RxD	Wejście sygnału RxD – należy połączyć z wyjściem TxD mikrokontrolera
TxD	Wyjście sygnału TxD – należy połączyć z wejściem RxD mikrokontrolera
REST, RSTB	Sygnał zerowania układu, aktywny w stanie niskim
ADC	Wejście sygnału dla 10-bitowego przetwornika ADC
CH_PD, CHIP_EN	W czasie normalnej pracy powinien być w stanie wysokim, podanie stanu niskiego wymusza uśpienie układu i wejście w tryb o niskim poborze energii
GPIO0, GPIO2	Piny IO ogólnego przeznaczenia, lecz w czasie startu ich stan określa tryb pracy układu
GPIOx	Piny IO ogólnego przeznaczenia, mogą być wykorzystane do komunikacji z innymi układami

W czasie resetu modułu sygnały MTDO, GPIO0 i GPIO2 pełnią specjalną funkcję:

MTDO	GPIO0	GPIO2	Funkcja
1	X	X	Wybór interfejsu SDIO/SPI
0	0	1	Uaktualnianie firmware przez USART
0	1	1	Bootowanie z FLASH

Sygnał MTDO powinien mieć stale stan niski – powoduje to, że moduł będzie się komunikował poprzez interfejs UART, jeśli nadamy mu stan wysoki to wybrany zostanie interfejs SDIO/SPI.

Jeśli wybierzemy interfejs UART (znakomita większość przykładów go wykorzystuje), to sygnały GPIO0/2 określają skąd SoC będzie brał kod programu.

Jeśli GPIO0/2 będą w stanie wysokim to moduł zabootuje się z obecnej na nim pamięci FLASH (tą opcję powinniśmy wybrać), jeśli GPIO0 będzie miało niski poziom logiczny to moduł będzie oczekiwał nowego firmware dostarczonego przez interfejs UART.

W kolejnej części poznamy nieco więcej tajemnic układu ESP8266.