Среда для разработки IoT приложений на основе SoC ESP32

Введение

ESP-IDF (Espressif’s IoT Development Frameworek) представляет собой официальную среду для разработки  IoT приложений на основе системы на кристалле ESP32.  Продукт впервые стал доступен в декабре 2016 года. С тех пор программный продукт ESP-IDF был оптимизирован, что нашло отражение в его новых версиях.  После выпуска в декабре 2017 года версии  2.1.1, компания  Espressif уже в конце апреля 2018 года выпустила версию 3.0 ESP-IDF, а через год, в конце апреля 2019 года, был представлен релиз 3.2.

Одним из наиболее важных изменений, внесенных в версию 3.2 среды ESP-IDF, является поддержка унифицированного провижининга*. Такая поддержка предоставляет разработчикам, желающим настроить свое устройство с учетными данными Wi-Fi и/или с другими пользовательскими настройками, расширяемый механизм с использованием различных транспортных схем и схем безопасности. В зависимости от каждого конкретного случая использования, унифицированный провижинг в ESP-IDF - это полное и готовое решение для инициализации сети Wi-Fi вместе с примерами приложений для iOS и Android. Кроме того, разработчики могут расширить реализации на стороне устройства и на стороне телефона (phone-app-side), чтобы удовлетворить свои собственные требования для отправки дополнительных конфигурационных данных.

Документация по релизу v3.2 среды  ESP-IDF доступна по адресу https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/v3.2/.

Версия  ESP-IDF v3.2 совместима с приложениями, написанными для ESP-IDF v3.1.x, но некоторые функции релиза 3.2 недоступны в более ранних версиях среды.

* - unified provisioning – унифицированная инициализация, единое конфигурирование, подготовка

Список изменений и добавок

Bluetooth 

• Классическое безопасное простое подключение (Classic Secure Simple Pairing) Bluetooth
• Классический устаревший (Legacy) паринг  Bluetooth

WiFi 

• Развязка Mesh-кода с WiFi
• Добавлена функция переключения каналов Mesh сети 

Режимы пониженного энергопотребления 

• Автоматическая поддержка Light-Sleep (легкого сна) для снижения энергопотребления, даже во время Wi-Fi соединения.
  Примечание: Поддержка Light-Sleep с Bluetooth будет добавлена в следующем релизе. В настоящее время автоматический Light-Sleep отключен, пока Bluetooth включен. 

Сети 

• Обновлен LWIP (LightWeight IP - широко используемый TCP/IP-стек с открытым исходным кодом) до версии 2.0.3 с патчами Espressif
• Интегрированная в ESP-IDF клиентская библиотека esp-mqtt MQTT
• Компонент HTTP сервера
• Асинхронная сетевая C++ библиотека ASIO
• Компонент ESP HTTPS OTA для простых обновлений OTA

Драйверы периферийных устройств 

• Драйвер контроллера локальной сети (CAN)
• Драйвер SDMMC: поддержка EMMC/MMC 

Инструменты для производства и провижининга 

• Инициализация API с примерами для простой подготовки учетных данных Wi-Fi через BLE, SoftAP и последовательный интерфейс
• Утилита массового производства

Сборка системы 

• Поддержка Python Python 2 или 3 могут быть использованы для сборки проектов ESP- IDF

Подробнее об основных новых функциях можно прочитать на github. 

Начало работы с ESP-IDF

Раздел призван помочь пользователю настроить среду для разработки программного обеспечения ESP-IDF для аппаратуры на основе микросхемы Espressif ESP32. В конце этого раздела будет приведен простой пример, который покажет читателю, как использовать ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) для настройки меню, как создавать и записать прошивку в микросхему ESP32 отладочной платы.

Информация, изложенная ниже, базируется на новейшем релизе ESP-IDF. Программное обеспечение находится в постоянной разработке. Доступа документация, как для стабильной версии, так и  для других версий ESP-IDF. 

Микросхема ESP32 

ESP32 – это система на кристалле (SoC), которая интегрирует следующие функции:

• WiFi (диапазон 2.4 ГГц)
• Bluetooth 4.2
• Два высокопроизводительных ядра
• Сопроцессор с ультранизким энергопотреблением
• Несколько периферийных устройств

Изготовленные по 40 нм технологии, микросхемы серии ESP32 представляют собой надежную, высокоинтегрированную платформу, которая помогает удовлетворить постоянно растущие требования к эффективному использованию энергии, компактному дизайну, безопасности, высокой производительности и надежности.

Компания Espressif предоставляет базовые аппаратные и программные ресурсы, чтобы помочь разработчикам приложений реализовать свои идеи с использованием микросхем ESP32. Среда разработки программного обеспечения от Espressif предназначена для разработки приложений Интернета Вещей (IoT) с Wi-Fi, Bluetooth, управлением питанием и некоторыми другими системными функциями.

Что понадобится для работы

Аппаратное обеспечение:

• Одна из плат с микросхемой ESP32
• Кабель USB: USB A / micro USB B
• Компьютер под управлением Windows, Linux или macOS

Программное обеспечение:

• Toolchain (Набор инструментов) для сборки приложений для ESP32
• Среда ESP-IDF для разработки приложений, которая по существу содержит API (программные библиотеки и исходный код) для ESP32 и скрипты  для работы с Toolchain
• Текстовый редактор для написания программ (Проектов) на C, например, Eclips.

Рис.1. Разработка приложений для ESP32

Обзор отладочных плат

Если у вас есть одна из ESP32 отладочных плат, список которых приведен ниже, вы можете кликнуть на ссылку, чтобы больше узнать о своей плате:

• ESP32 –DevKitC
• ESP-WROVER-KIT
• ESP32-PICO-KIT

Примечание: Приобрести эти и другие платы, а также микросхемы ESP32 и др. продукцию Espressif можно непосредственно на сайте компании Терраэлектроника. 

Пошаговая инструкция по инсталляции

Ниже приведена детальная дорожная карта, которая поможет пользователю пройти через процесс инсталляции.

Настройка среды разработки

• Шаг 1. Настройте набор инструментов (Toolchain) для Windows, Linux или MacOS
• Шаг 2. Получите ESP-IDF
• Шаг 3. Установите переменные окружения
• Шаг 4. Установите необходимые пакеты Python 

Создание вашего первого проекта

• Шаг 5. Старт Проекта
• Шаг 6. Подключение вашего устройства
• Шаг 7. Настройка
• Шаг 8. Сборка и прошивка
• Шаг 9. Монитор

Шаг 1. Установить Toolchain (набор инструментов) 

Toolchain – это набор программ для компиляции кода и создания приложений.

Кратчайший путь для старта разработки с ESP32 – это инсталляция предварительно скомпилированного набора Toolchain.

Выберите ниже свою операционную систему и следуйте предоставленным инструкциям.

Windows	Linux	Mac OS

Примечание:

Это руководство использует директорию _~/esp для Linux и MacOS или %userprofile%\esp для Windows в качестве инсталляционной папки для ESP-IDF. Вы можете использовать любую директорию, но вам будет необходимо соответственно настроить пути для команд.

В зависимости от вашего опыта и предпочтений, вы можете захотеть кастомизировать среду вместо использования предварительно скомпилированных инструментов. Необходимо помнить, что ESP-IDF не поддерживает пробелы в строке указания пути.

Для кастомизации системы перейдите по ссылке Customized Setup of Toolchain.

Шаг 2. Получите ESP-IDF 

Кроме набора инструментов (toolchain), вам также необходим специальный программный интерфейс приложения (API) ESP32 (программные библиотеки и исходные коды). Они предоставляются компанией Espressif в репозитории ESP-IDF. Чтобы получить локальную копию ESP-IDF, перейдите в каталог установки и клонируйте репозиторий с помощью команды git clone.

Откройте терминал и запустите следующие команды:

cd ~/esp
git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git

ESP-IDF загрузится в  ~/esp/esp-idf.

Обратитесь к разделу ESP-IDF Versions для получения информации о том, какую версию ESP-IDF использовать в данной ситуации.

Примечание: 

Эта команда клонирует главную ветвь, которая имеет последнюю разработанную версию ESP-IDF (“bleeding edge"). Она полностью функциональна и обновляется еженедельно с самыми последними функциями и исправлениями ошибок.

Примечание:

Функция «Download zip file» в GitHub не работает с ESP-IDF, требуется

git clone

. Как запасной вариант, стабильная версия может быть установлена без Git.

Примечание:

Не пропустите параметр  -- recursive. Если вы уже клонировали ESP-IDF без этой опции, выполните другую команду, чтобы получить все субмодули:

cd esp-idf
git submodule update  --init

Шаг 3. Установите переменные окружения 

Toolchain использует переменную окружения IDF_PATH для доступа к директории ESP-IDF. Эта переменная должна быть установлена на вашем компьютере, иначе проекты не будут собраны.

Переменные могут быть установлены временно (на сессию) или постоянно. Следуйте специальным инструкциям для Windows, Linux и MacOS  в Секции Add IDF_PATH to User Profile.

Шаг 4. Установите необходимые пакеты Python

Пакеты Python, требуемые ESP-IDF, расположены в IDF_PATH/ requirements.txt.  Вы можете инсталлировать их, запуская:

python -m pip install --user -r $IDF_PATH/requirements.txt

Примечание:

Пожалуйста, проверьте версию интерпретатора Python, которую вы будете использовать с ESP-IDF. Для этого запустите команду python  --version и, в зависимости от результатов, возможно вы захотите использовать python2, python2.7 или подобный, а не просто python.

python2.7 -m pip install --user -r $IDF_PATH/requirements.txt

Шаг 5. Запуск проекта

Теперь вы готовы для работы над приложениями для ESP32. Вы можете начать с проекта get-started/hello_world из каталога примеров в IDF.

Скопируйте get-start / hello_world в каталог  _~ esp.

Linux и MacOs

cd ~/esp
cp -r $IDF_PATH/examples/get-started/hello_world ~/esp/.

Windows 

cd %userprofile%\esp
xcopy /e /i %IDF_PATH%\examples\get-started\hello_world hello_world

В директории примеров ESP-IDF существует ряд примеров проектов.

Вы можете скопировать любой проект так же, как показано выше, и запустить его.

Также можно собирать примеры на месте без первоначального их копирования.

Важно! 

Система сборки ESP-IDF не поддерживает пробелы при указании пути к esp-idf или к проектам.

Шаг 6. Подключение вашего устройства 

Теперь подключите вашу ESP32 плату к компьютеру и проверьте номер последовательного порта, под которым видна плата.

Последовательные порты имеют следующие шаблоны имен:

• Windows: имена, подобные COM1
• Linux: начинаются с /dev/tty
• MacOS: начинаются с /dev/cu.

Если вы не уверены в том, как проверить имя последовательного порта, обратитесь к разделу «Установка последовательного соединения с ESP32» для получения полной информации.

Примечание: 

Держите имя порта у себя под рукой, так оно понадобится при следующих шагах.

Шаг 7. Конфигурирование

 Перейдите в ваш каталог hello_world из Шага 5. Запустите проект и запустите утилиту конфигурации проекта menuconfig.

Linux и MacOS

cd ~/esp/hello_world
make menuconfig 

Windows

cd %userprofile%\esp\hello_world
make menuconfig 

Если предыдущие шаги были сделаны корректно, появится следующее меню:

Конфигурация проекта. Главное окно

В меню перейдите к Serial flasher config > Default serial port, чтобы настроить последовательный порт, куда будет загружен проект. Подтвердите выбор, нажав enter, сохраните конфигурацию, выбрав <Save> , а затем выйдите из menuconfig, выбрав <Exit>.

Для навигации и использования menuconfig нажмите следующие клавиши:

• Клавиши со стрелками для навигации
• Enter для перехода в подменю
• Esc, чтобы подняться на один уровень или выйти
• ?, чтобы увидеть экран справки. Клавиша ввода - выход из экрана справки
• Пробел или клавиши Y и N для включения (Yes) и отключения (No) элементов конфигурации с флажками «[*]»
• ? при выделении элемента конфигурации для отображения справки об этом элементе
• / поиск элементов конфигурации

Примечание: 

Если вы пользователь Arch Linux перейдите к SDK tool configuration и измените имя Python 2 interpreter с python на python2.

Внимание! 

Если вы используете плату ESP32-DevKitC с модулем ESP32-SOLO - 1, перед прошивкой примеров включите одноядерный режим (CONFIG_FREERTOS_UNICORE) в menuconfig.

Шаг 8. Сборка и прошивка 

Соберите и прошейте проект, запуская:

make flash 

Эта команда скомпилирует приложение и все компоненты ESP-IDF, а затем создаст загрузчик, таблицу разделов и двоичные файлы приложения. После этого эти двоичные файлы будут записаны в вашу  ESP32 плату.

Если к концу процесса прошивки не возникнут проблемы, вы увидите сообщения (см. ниже), описывающие ход процесса загрузки. Затем плата будет сброшена и запустится приложение «hello_world».

esptool.py v2.0-beta2
Flashing binaries to serial port /dev/ttyUSB0 (app at offset 0x10000)...
esptool.py v2.0-beta2
Connecting........___
Uploading stub...
Running stub...
Stub running...
Changing baud rate to 921600
Changed.
Attaching SPI flash...
Configuring flash size...
Auto-detected Flash size: 4MB
Flash params set to 0x0220
Compressed 11616 bytes to 6695...
Wrote 11616 bytes (6695 compressed) at 0x00001000 in 0.1 seconds (effective 920.5 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 408096 bytes to 171625...
Wrote 408096 bytes (171625 compressed) at 0x00010000 in 3.9 seconds (effective 847.3 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 3072 bytes to 82...
Wrote 3072 bytes (82 compressed) at 0x00008000 in 0.0 seconds (effective 8297.4 kbit/s)...
Hash of data verified.Leaving...
Hard resetting...

Если вы хотите использовать Eclipse IDE вместо запуска make, ознакомьтесь с Руководством пользователя  Eclipse.

ШАГ 9. МОНИТОР 

Чтобы проверить, действительно ли работает “hello_world", введите make monitor.

Эта команда запускает приложение IDF Monitor:

$ make monitor
MONITOR
--- idf_monitor on /dev/ttyUSB0 115200 ------
Quit: Ctrl+] | Menu: Ctrl+T | Help: Ctrl+T followed by Ctrl+H ---
ets Jun  8 2016 00:22:57

rst:0x1 (POWERON_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
ets Jun  8 2016 00:22:57
...

После старта и прокрутки логов диагностики вы должны увидеть выведенную приложением на экран фразу «Hello world!»

...
Hello world!
Restarting in 10 seconds...
I (211) cpu_start: Starting scheduler on APP CPU.
Restarting in 9 seconds...
Restarting in 8 seconds...
Restarting in 7 seconds...

Для выхода из монитора IDF используйте сочетание клавиш Ctrl+].

Если монитор IDF дает сбой вскоре после загрузки или, если вместо сообщений  (см. выше) вы видите случайный мусор, подобный тому, что приведен ниже, ваша плата, скорее всего, использует кварцевый резонатор на частоту 26 МГц. Большинство отладочных плат используют    40 МГц резонатор, поэтому ESP-IDF использует эту частоту в качестве значения по умолчанию.

e???)(Xn@?y.!??(?PW+)??Hn9a?/9?!?t5??P?~?k??e?ea?5?jA ~zY??Y(1?,1?? e???)(Xn@?y.!Dr?zY(?jpi?|?+z5Ymvp

Если у вас есть такая проблема, сделайте следующее:

1. Выйдите из монитора
2. Вернитесь в menuconfig
3. Перейдите к компоненту config - > ESP32-specific - > Main XTAL frequency, затем измените CONFIG_ESP32_XTAL_FREQ_SEL на 26MHz.
4. После этого снова соберите и прошейте приложение

Примечание: 

Вы можете совместить сборку, прошивку и мониторинг в одном шаге, запуская:

make flash monitor

См. также IDF Monitor  для получения информации об удобном сочетании клавиш и подробностей об использовании IDF monitor.

Это все, что вам нужно, чтобы начать работу с ESP32!

Теперь вы готовы попробовать другие примеры или сразу перейти к разработке собственных приложений. 

Переменные окружения 

Некоторые переменные окружения можно указать при вызове make, что позволяет пользователям переопределять аргументы без необходимости их перенастройки с помощью make menuconfig.

Примечание: 

Вы можете экспортировать переменные окружения (т. е., export ESPPORT=/dev/ttyUSB1).

Все последующие вызовы make в пределах одного и того же сеанса терминала будут использовать экспортированное значение, учитывая, что переменная одновременно не переопределяется.

Обновление ESP-IDF 

Время от времени вы должны обновлять ESP-IDF, так как в новых версиях исправлены ошибки и пользователям предоставлены новые функции. Самый простой способ сделать обновление - удалить существующую папку esp-idf и клонировать ее снова, как при выполнении начальной установки, описанной в Шаге 2. Получить ESP-IDF.

При загрузке по новому пути не забудьте добавить IDF_PATH в профиль пользователя, чтобы скрипты набора инструментов (toolchain) могли найти  релиз ESP-IDF в определенном месте.

Другое решение - обновить только то, что изменилось.

Процедура обновления зависит от используемой версии ESP-IDF. 

Связанные документы 

• Add IDF_PATH to User Profile
• Establish Serial Connection with ESP32
• Build and Flash with Make
• Build and Flash with Eclipse IDE
• IDF Monitor
• Customized Setup of Toolchain

Заключение 

Цель, которую преследовала компании Espressif при создании ESP-IDF v3.2, заключалась в интеграции библиотек программного обеспечения и поддержки сетевых протоколов, а также любых требований, которые разработчики выделили, как особенно важные для них при создании своих программ. Компания уверена, что ESP-IDF v3.2 адекватно решает любые проблемы, выявленные в предыдущих версиях ESP-IDF.

Компания Espressif намерена и впредь постоянно улучшать ESP-IDF.

Улучшения будут представлены как в основных релизах с новой функциональностью, так и в виде исправлений ошибок, попавших в текущий релиз.

Все детали о версии 3.2 среды ESP-IDF можно найти здесь, а полную документацию по ссылке.

Производители: ESPRES

Разделы: Приемо-передатчики

Опубликовано: 04.07.2019