TỔNG QUAN
Làm quen với module ESP8266
2.1.1 Giới thiệu về module ESP8226
Với sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ IoT đòi hỏi nhiều thiết bị kết nối với Internet hơn Để thiết kế các thiết bị như vậy, chúng ta thường dung vi điều khiển và module mạng (Ethernet hoặc Wifi) ESP8266 là một module Wifi giá rẻ và đã có module trên chip, vì vậy nó không cần module Wifi bên ngoài Chính điều đó đã khiến ESP8266 trở thành một thiết bị vi điều khiển phổ biến.
ESP8266, hay gọi đầy đủ là ESP8266EX là một vi mạch Wifi giá rẻ có hỗ trợ bộ giao thức TCP/IP và có thể tích hợp vào thành phần của vi điều khiển, được sản xuất bởi hãng Espressif Systems ở Thượng Hải, Trung Quốc.
Chip ESP8226 lần đầu tiên được các nhà sản xuất phương Tây chú ý vào tháng 8 năm 2014 với module ESP-01, do nhà sản xuất bên thứ ba là Ai-Thinker sản xuất. Module này cho phép các vi điều khiển kết nối với mạng Wi-Fi và thực hiện các kết nối TCP/IP đơn giản bằng cách sử dụng các lệnh kiểu Hayes (tập lệnh AT) Tuy nhiên, ban đầu hầu như không có tài liệu tiếng Anh nào về chip và các tập lệnh của nó Vì mức giá rất thấp với rất ít thành phần bên ngoài khác trên module, các module ESP8266 đã thu hút nhiều hacker khám phá nó và các phần mềm trên đó, cũng như việc dịch thuật các tài liệu tiếng Trung Quốc của chip.
Hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2
Tích hợp giao thức TCP/IP
Tốc độ truyền Serial (Baurate): 115200 (Max)
Điện áp ra I/O: Tối đa 3.6V
Bộ nhớ Flash: 1MB (8Mbit)
Chế độ hoạt động: AP, STA và (AP + STA)
Sơ đồ chân của một module ESP-01 phổ biến là:
VCC, Điện áp (+3,3V có thể xử lý lên tới 3.6V)
RX, nhận dữ liệu bit X
TX, truyền dữ liệu bit X
GPIO0, đầu vào/ đầu ra đa năng số 0
GPIO2, đầu vào/ đầu ra đa năng số 2
Hình 2.2 Sơ đồ chân ESP-01
Có đầy đủ các chân I/O (digital/analog/pwm/timer) giúp thực hiện khá nhiều dự án và tích hợp nhiều thiết bị.
10 chân GPIO từ D0 – D10, có chức năng PWM, IIC, giao tiếp SPI, 1-Wire và ADC trên chân A0
Kết nối mạng WIFI (có thể là sử dụng như điểm truy cập và/hoặc trạm máy chủ lưu trữ một, máy chủ web), kết nối internet để lấy hoặc tải lên dữ liệu.
Tích hợp tốt với các giao thức mạng như HTTP, MQTT (hiện đang free khá nhiều).
Chi phí phù hợp cho các dự án Internet of Things (IoT).
Tạo một máy chủ web
Điều khiển các ngĩ ra
Đọc các ngõ vào và các sự kiện ngắt
ESP8266 được sản xuất và phát triển dưới nhiều phiên bản khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu của việc phát triển ứng dụng a b c Hình 2.3 a ESP-01 b ESP-02 c ESP-03
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN a b c Hình 2.4 a ESP-04 b ESP-05 c ESP-06 a b c Hình 2.5 a ESP-07 b ESP-08 c ESP-09 a b c Hình 2.6 a ESP-10 b ESP-11 c ESP-12
Bảng 2.1 Bảng so sánh các thông số
Pitch Hệ số hình dáng Đèn LED Ăng- ten Bảo vệ Kích thước
ESP-01 6 0,1inch 2x4DIL Có PCB trace
Flash và PCB xanh từ một nhà sản xuất chung. 1MB Flash, Al-Cloud và PCB đen từ Al- Thinker
6 0,1inch 2x4DIL Có PCB trace
ESP8285 ( 1MB Flash tích hợp)
ESP-05 3 0,1 inch 1 x 5 SIL Không Socket
4 x 3 dice Không Không có Có 14,2 x 14,7 Không được
Có 17,0 x 16,0 Được FCC và CE chấp thuận
Không Không có Có 17,0 x 16,0 Không được
4 x 3 dice Không Không có Không 10,0 x 10,0
Có 24,0 x 16,0 Được FCC và CE chấp thuận ESP-
Có 24,0 x 16,0 Được FCC và CE chấp thuận Cải thiện hoạt động ăng-ten
Chân hoạt động: bao gồm các chân GPIO và ADC mà các thiết bị bên ngoài có thể được gắn vào MCU ESP8266.
Pitch: là khoảng trống giữa các chân trên module ESP8266, điều quan trọng để biết liệu thiết bị có được sử dụng trên breadboard hay không.
Hệ số hình dáng: mô tả cách đóng gói module, ví dụ như là "2 × 9 DIL", có nghĩa là hai hàng 9 chân được sắp xếp theo kiểu "Dual In Line", giống như các chân của IC DIP.
LED: cho biết trên board có LED không Nhiều module ESP-xx bao gồm một đèn LED nhỏ trên board mạch có thể được lập trình để nhấp nháy từ đó có thể biết hoạt động của module
Ăng-ten: có một số tùy chọn bảng ăng-ten cho các phiên bản ESP-xx bao gồm ăng-ten theo dõi, ăng-ten gốm trên bảng mạch và đầu nối bên ngoiaf cho phép gắn Wifi bên ngoài
Vì giao tiếp Wi-Fi tạo ra rất nhiều RFI (Radio Frequency Interference, nhiễu tần số vô tuyến), do đó các cơ quan chính phủ như FCC muốn các thiết bị điện tử được che chắn (shielded) để làm giảm thiểu sự gây nhiễu với các thiết bị khác Một số module ESP-xx được đặt trong một hộp kim loại có đóng dấu phê duyệt FCC trên đó Thị trường thế giới thứ nhất và thứ hai có thể sẽ yêu cầu FCC phê duyệt và che chắn các thiết bị Wi-Fi.
Giao tiếp Arduino với ESP8266
2.2.1 Giới thiệu chung về Arduino
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.
Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code.
Phần mềm: được gọi là sketches, được tạo ra trên môi trường máy tính có tích hợp phát triển (IDE) IDE được phép viết, chỉnh sửa và chuyển đổi code sao
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN cho phần cứng có thể hiểu IDE dùng để biền dịch và nạp vào Arduino ( quá trình này được gọi là UPLOAD)
Phần cứng: được gọi là các boad Arduino, nơi thực hiện các chương trình lập trình Các boad này có thể điều khiển và đáp trả các tín hiệu điện, vì vậy các thành phần được ghép trực tiếp vào nó nhằm để tương tác với thế giới thực để cảm nhận và truyền thông Ví dụ các cảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc Các thiết bị truyền động bao gồm đèn, motor và các thiết bị hiển thị.
Arduino có những thế mạnh so với các nền tảng vi điều khiển khác là:
Chạy trên đa nền tảng: việc lập trình Arduino có thể thực hiện trên các hệ điều hành khác nhau như: Windows, Mas Os, Linux trên Desktop, Android trên điện thoại di động.
Ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ hiểu.
Mã nguồn mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau.
Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và mở rộng theo dạng modul nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị.
Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà cần lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mà mình đang sử dụng.
Arduino Uno là một trong những board mạch Arduino phổ biến và dễ sử dụng nhất hiện nay Arduino Uno đã phát triển đến thế hệ thứ 3, gọi là Arduino Uno R3.
ATmega328 Microcontroller: là vi điều khiển thuộc họ megaAVR, do hãng Atmel sản xuất.
ICSP pin: viết tắt của In Circuit Serial Programming Đó là chân lập trình nối tiếp cho phép người lập trình sử dụng một vài phương thức có sẵn trong firmware của Arduino.
Power LED Indicator: báo nguồn của Arduino Đèn sáng thì có nguồn, đèn tắt thì mất nguồn.
Digital I/O pins : là những chân có giá trị nhị phân: HIGH (1) hoặc LOW (0).
Có các chân từ D0 đến D13 Một số chân có thể xuất xung PWM là ~D3, ~ D5, ~ D6, ~ D9, ~ D10, ~ D11.
TX and RX LED’s: báo có luồng dữ liệu truyền (Transmit – TX) và nhận (Receive – RX) của Arduino qua cổng nối tiếp (Serial) với các thiết bị khác.
AREF (Analog Reference) pin: là chân cấp điện áp tham chiếu từ bên ngoài cho Arduino.
Reset button: để reset lại board mạch Arduino.
USB: cho phép kết nối với máy tính, thường dùng nạp mã code từ máy tính sang board mạch Arduino.
Crystal Oscillator: là thạch anh, có tần số 16MHz.
Voltage Regulator: là mạch ổn áp chuyển đổi nguồn vào thành 5V cấp cho Arduino.
GND: là chân ground, có hiệu điện thế 0V.
Vin: là nguồn đầu vào của board mạch Arduino.
Analog Pins: là các chân xử lý tín hiệu Analog khi kết nối với các thiết bị khác Có các chân được đánh số từ A0 đến A5.
Power Button: kết nối với nguồn cấp cho Arduino.
Bảng 2.2 Bảng thồng số kĩ thuật Arduino Uno
Vi điều khiển ATmega328 kiến trúc RISC với 8 bit Điện áp hoạt động 5V DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 chân (6 chân có thể xuất xung PWM)
Dòng trên mỗi chân I/O 20 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ Flash 32 KB tích hợp trong ATmega328 với 0.5KB dùng cho bootloader
SRAM 2 KB tích hợp trong ATmega328
EEPROM 1 KB tích hợp trong ATmega328
2.2.2 Giao tiếp ESP8266 chuẩn UART
Có 2 cách để giao tiếp UART giữa ESP8266/NodeMCU:
1 là giao tiếp bằng cách code trên cả Uno/Mega và ESP8266/NodeMCU
2 là chỉ code trên Uno/Mega, trên ESP8266/NodeMCU flash thẳng firmware
Hình 2.8 Sơ đồ kết nối Arduino Uno với ESP8266
Gửi data ‘123’ qua Uno/Mega, ở đây ta cần có thư viện SoftwareSerial và gán nó với 2 chân RX và TX Sau đó cấu hình với tốc độ baud là 9600.
#include //Included SoftwareSerial Library
//Started SoftwareSerial at RX and TX pin of ESP8266/NodeMCU
//Serial S Begin at 9600 Baud s.begin(9600);
//Write '123' to Serial s.write(123); delay(1000);
Chương trình sau nhận thông tin, đầu tiên là tạo ra biến để nhận data, sau đó là setup baud 9600 để nhận data này. int data; //Initialized variable to store recieved data
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN void setup() {
} void loop() { data = Serial.read(); //Read the serial data and store it delay(1000);
Kết quả: Quan sát trên serial port sẽ thấy data ‘123’ được gửi qua Uno/Mega
Khái niệm: I2C (Inter-Integrated Circuit) là giao thức kết nối giao diện bus nối tiếp.
Nó cũng được gọi là TWI vì nó chỉ sử dụng hai dây để giao tiếp Hai chân này là SDA (đường data) và SCL (đường clock).
I2C là giao thức truyền thông dựa trên sự thừa nhận, tức là phát tín hiệu kiểm tra xác nhận từ bên nhận sau khi truyền dữ liệu để biết liệu dữ liệu có được nhận thành công hay không.
Hai chế độ làm việc của I2C:
Dây SDA (đường dữ liệu) được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị master và thiết bị slave SCL (đường xung nhịp đồng hồ) được sử dụng cho đồng hồ đồng bộ ở giữa thiết bị master và slave.
Thiết bị master bắt đầu giao tiếp với một thiết bị slave Thiết bị master yêu cầu địa chỉ thiết slave để bắt đầu giao tiếp với thiết bị slave Thiết bị Slave phản hồi cho thiết bị master khi thiết bị master được giải quyết.
Hình 2.9 Sơ đồ kết nối Arduino với ESP8266
Serial.begin(9600); /* begin serial for debug */
Wire.begin(D1, D2); /* join i2c bus with SDAand SCLof NodeMCU */
Wire.beginTransmission(8); /* begin with device address 8 */ Wire.write("Hello Slave"); /* sends hello slave string */
Wire.requestFrom(8, 13); /* request & read data of size 13 from slave */ while(Wire.available()){ char c = Wire.read();
Wire.begin(8); /* join i2c bus with address 8 */ Wire.onReceive(receiveEvent); /* register receive event */ Wire.onRequest(requestEvent); /* register request event */ Serial.begin(9600); /* start serial for debug */ } void loop() { delay(100);
// function that executes whenever data is received from master void receiveEvent(int howMany) { while (0 < Wire.available()) { char c = Wire.read(); /* receive byte as a character */ Serial.print(c); /* print the character */
// function that executes whenever data is requested from master void requestEvent() {
Wire.write("Hello Master"); /*send string on request */
Hình 2.10 Kết quả khi thành công
2.2.4 Giao tiếp ESP8266 chuẩn SPI
Khái niệm : SPI (Serial Peripheral Interface) là chuẩn giao tiếp dạng bus được đưa ra bởi Motorola Corp.
SPI dùng 4 chân kết nối, nên ta thường gọi nó là kết nối dạng 4 dây.
SPI là full duplex master-slave communication protocol Có nghĩa là chỉ một master và một slave có thể kết nối nhau thông qua bus interface trong cùng một thời điểm. SPI cho phép device có thể làm việc mở 2 mode cơ bản là SPI Master Mode và SPI Slave Mode.
Master Device sẽ phản hồi thông tin thiết lập kết nối Master Device tạo ra Serial Clock để đồng bộ data truyền nhận Master Device còn có thể quản lý nhiều slave devices trên bus bằng việc lựa chọn từng cái.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng và thiết bị nghiên cứu
Tiến hành nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của việc “ Mô hình lập trình điều khiển từ xa với Esp8266 và Arduino”
Các phần mềm hỗ trợ
Các linh kiện sử dụng
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiều về “ Mô hình lập trình điều khiển từ xa với Esp8266 và Arduino” sao cho phù hợp với nguyên lí hoạt động của mình.
3.3.Phương tiện thực hiện Đối với phạm vi đề tài này, phương tiện thực hiện sẽ chia làm hai phần:
Phương pháp thực hiện
Tiến hành thực hiện đề tài theo các bước sau:
Bước 1: Tìm hiểu những kiến thưc cơ bản về module ESP8266, phần mềm và phần cứng Arduino.
Bước 2: Cài đặt phần mềm và các thư viện cần thiết của Arduino
Bước 3: Thực hiện các thao tác cơ bản với Arduino và module ESP8266
Bước 4: Thực hiện mô hình hiển thị nhiệt độ và độ ẩm trên máy chủ Web
CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Bước 5: Thực hiện trạm dự báo thời tiết sử dụng wifi ESP8266 Bước 6: Viết chương trình cho cả hai mô hình
Bước 8: Kiểm tra và đánh giá kết quá
