Mikrokontrolery Espressif - rewolucja w dziedzinie IoT

| Prezentacje firmowe

Gdy w 2014 roku firma Espressif wypuściła na rynek chip ESP8266, definitywnie zmieniło to status quo w obszarze układów do komunikacji bezprzewodowej. Bardzo szybko okazało się, że "chip za dolara" nie jest zwykłym komunikacyjnym frontendem dla Wi-Fi, a mikrokontrolerem o szerokim zastosowaniu w aplikacjach IoT. Sprawy potoczyły się bardzo szybko - kilkadziesiąt milionów układów sprzedanych w ciągu pierwszych trzech lat, wiele nagród i wprowadzenie jeszcze bardziej zaawansowanego układu, mianowicie ESP32. Układ zapewnił zacieśnienie współpracy z chińskim gigantem Xiaomi i otworzył drogę do współpracy na wielu płaszczyznach z amerykańskim Amazonem. W 2018 roku Espressif świętował 10. rok istnienia, zatrudniając blisko 400 osób i prowadząc biura w Chinach, Indiach, Rosji oraz Europie.

Mikrokontrolery Espressif - rewolucja w dziedzinie IoT

Ten gigantyczny sukces nie jest żadnym zaskoczeniem - mikrokontroler ESP32 nie ma dziś konkurencji w kategorii funkcjonalności do ceny. Obsługa wielu metod programowania (C++, FreeRTOS, a także kilka języków skryptowych przydatnych w prostszych aplikacjach) powoduje, że po układ i bazujące na nim moduły sięgają programiści z różnym doświadczeniem oraz wymaganiami.

Mikrokontroler firmy Espressif wyposażony jest właściwie w trzy rdzenie. Pierwszy z nich (Protocol CPU) obsługuje rozbudowane peryferia (m.in. I²C, SPI, ADC) oraz protokoły sieciowe Wi-Fi i Bluetooth. Zasoby drugiego rdzenia (APP_CPU), pracującego niezależnie od pierwszego, są dostępne dla aplikacji użytkownika. Taka architektura sprawia, że układ jest bardzo wydajny oraz obsługuje wiele wątków i funkcji jednocześnie.

Do dyspozycji programisty jest także trzeci rdzeń - oszczędny energetycznie, z własną pamięcią i RTC. To właśnie on odpowiada za wprowadzenie układu w najbardziej oszczędne tryby pracy, których łącznie jest 5. Oprócz pracy z pełną funkcjonalnością, w razie potrzeby można wyłączyć komunikację bezprzewodową, główne rdzenie, a nawet rdzeń oszczędny, pozostawiając aktywnym jedynie zegar czasu rzeczywistego i jego GPIO.

Tryb ten pozwala na utrzymanie zużycia energii na poziomie 2,5 μA. Oprócz wspomnianych SPI, I²C, ADC, mikrokontroler wyposażony jest w UART, interfejsy SD/SDIO/MMC, Ethernet, PWM, DAC, CAN, przyciski pojemnościowe, a także watchdog. Warto również wspomnieć o wbudowanej akceleracji sprzętowej pozwalającej na szyfrowanie Flash, bezpieczne przechowywanie kodu oraz funkcję "secure boot". Ponadto mikrokontroler umożliwia zabezpieczenie połączeń bezprzewodowych za pomocą TLS (SSL).

 
Rys. 1.

Espressif, mając na uwadze potrzeby klienteli, zdywersyfikował swoją ofertę, dzięki czemu projektanci mogą wybierać w różnych wariantach. Modelem, który jako pierwszy pojawił się na rynku, był mikrokontroler ESP8266 (rys. 1). Produkt ten napędzał jeden rdzeń obliczeniowy, miał on Wi-Fi i ograniczoną liczbę obsługiwanych peryferii.

Następujący po nim mikrokontroler ESP32 przewyższał swojego poprzednika liczbą rdzeni (do dwóch rdzeni obliczeniowych oraz jeden niskoenergetyczny), a także obsługą łączności BLE. Miał on także więcej obsługiwanych interfejsów. Nie jest to jednak koniec, gdyż producent zdecydował się na wypuszczenie zróżnicowanych wariantów w obrębie poszczególnych rodzin.

Tak więc obok modelu ESP8266 znalazł się niemalże bliźniaczy mikrokontroler o oznaczeniu ESP8285, który wyróżniał się tym, że miał zintegrowaną pamięć Flash. Co się natomiast tyczy ESP32, to tutaj inżynierowie firmy Espressif stworzyli kilka wersji mikrokontrolera: ESP32-S0WD - jednordzeniowy w obudowie 5×5 mm, ESP32-D0WD dwurdzeniowy w obudowie 5×5 mm oraz ESP32-D0WDQ6 dwurdzeniowy w obudowie 6×6 mm.

 
Rys. 2.

Ponadto powstała także wersja z wbudowanymi 2 MB Flash (ESP32-D2WD) oraz moduł SiP (System-in-Package) o wielkości chipa, który oprócz 32-bitowego MCU ma dodatkowo kwarc, pamięć Flash 4 MB, filtry oraz kondensatory potrzebne do układów w.cz., a wszystko to zawiera się w obudowie 7×7 mm (rys. 2).

Co więcej, w oparciu o poszczególne SoC, producent przygotował także rozbudowane moduły, co daje obraz, jak szeroką gamę potencjalnych aplikacji mogą wspierać produkty firmy Espressif.

Na bazie chipu ESP8266 powstały moduły: ESP-WROOM-02D z anteną wewnętrzną oraz ESP-WROOM-02U z wyprowadzeniem na antenę zewnętrzną (gniazdo UFL). Obydwie wersje są względem siebie kompatybilne pinowo oraz mogą mieć Flash o pojemności 2 lub 4 MB. Wersja z anteną wewnętrzną i wyprowadzeniem na zewnętrzną ma pełną certyfikację CE, FCC.

W oparciu o wariant ESP32-S0WD powstał moduł ESP32-SOLO-1 4 MB z anteną wewnętrzną, a z kolei na podstawie wersji ESP32-D0WD opracowano: ESP32-WROOM-32D z anteną wewnętrzną oraz ESP32-WROOM-32U z wyprowadzeniem na antenę zewnętrzną (gniazdo UFL). Ponadto na tym samym SoC bazują: ESP32-WROVER-B z anteną wewnętrzną oraz ESP32-WROVER-IB z wyprowadzeniem na antenę zewnętrzną (gniazdo UFL).

 
Rys. 3.

Warto wspomnieć, że moduł ESP32-WROOM-32D jest kompatybilny pinowo z wersją ESP32-WROOM-32U, podobnie jak ESP32-WROVER-B z wariantem ESP32-WROVER-IB. Moduły te mogą być wyposażone we Flash 4, 8 lub 16 MB. Wersje ESP32-WROVER-B oraz ESP32-WROVERIB mają dodatkowo 8 MB PSRAM. Wszystkie te moduły mają certyfikaty CE, FCC, SIG (rys. 3).

Liczba potencjalnych rynków i konkretnych rozwiązań, w których można wykorzystać mikrokontroler, jest praktycznie nieograniczona, zwłaszcza mając na uwadze wbudowane technologie bezprzewodowe oraz małe zużycie energii ESP32 (rys. 4). Funkcje takie jak ESP-TOUCH (szybkie parowanie urządzeń bazujących na ESP ze smartfonem) czy IoT Espressif App (szablony i przykłady aplikacji mobilnych dla iOS i Android) powodują, że urządzenia mobilne stają się tanią i łatwo dostępną bramą do konfiguracji oraz odczytu parametrów urządzeń przemysłowych (np. maszyny produkcyjne czy sterowniki automatyki).

Energooszczędność, wysoki stopień zintegrowania oraz bardzo małe wymiary mikrokontrolera ESP32 to atuty, które są szczególnie pożądane w urządzeniach zasilanych bateryjnie, takich jak przenośna elektronika użytkowa (wearables), czujniki w logistyce (np. temperatury) czy automatyce domowej. Z myślą o tej ostatniej powstały takie funkcje jak ESP-NOW (możliwość połączeń między urządzeniami bez potrzeby dodatkowego routera) czy ESP-MESH (budowa automatycznie generowanej sieci w topologii siatki, obsługującej do 1000 urządzeń). Duża redundancja, znaczące zwiększenie zasięgu oraz łatwość implementacji powodują, że to ostatnie rozwiązanie znajduje szereg zastosowań w oświetleniu (biurowym, przemysłowym czy awaryjnym), systemach parkingowych, sieciach czujników oraz fabrykach.

 
Rys. 4.

W lipcu 2019 swoją premierę miał najnowszy chip Espressif - ESP32-S2. Rozwiązanie to odchudzono o jeden rdzeń i komunikację Bluetooth, niemniej dzięki nowszej architekturze (Xtensa LX7) układ jest wydajniejszy w specyficznych przypadkach i ma możliwość wykonywania większej liczby operacji zmiennoprzecinkowych (FLOPS) w stosunku do swojego poprzednika.

Ma to szczególne znaczenie w aplikacjach Mesh, gdzie zależy nam na dużej responsywności sieci oraz szybkości jej konfiguracji. Ponadto rdzeń oszczędny energetycznie jest łatwiejszy w konfiguracji i programowaniu, a jednocześnie jeszcze oszczędniejszy. Do dyspozycji jest aż 43 programowalnych GPIO i 14 przycisków pojemnościowych, co jest szczególnie interesujące w kontekście aplikacji z rynku AGD.

Producent wprowadził także obsługę USB OTG, na co czekało wiele osób oraz funkcję TimeofFlight. Ta druga daje możliwość lokalizacji urządzenia wewnątrz budynków, co daje możliwość wykorzystania układów w jeszcze szerszym i ciekawszym spektrum zastosowań. Wszystko to dostępne jest w układzie za cenę wynoszącą zaledwie około 1 dolara. Można śmiało stwierdzić, że mówimy tu o prawdziwym "chipie przyszłości", który ponownie zmienia zasady gry na rynku, jak zdążyła już stwierdzić część publicystów.

Renomowany dostawca

Soyter Components jest oficjalnym przedstawicielem Espressif Systems na polskim rynku od 2015 roku. Nasi specjaliści służą pomocą w doborze odpowiednich rozwiązań do jednostkowych wymagań aplikacji. Moduły i zestawy startowe producenta są u nas dostępne od ręki, prosto z magazynu.

Doświadczenie projektowe, które zdobyliśmy, współpracując z naszymi klientami w wielu różnych aplikacjach, pozwala nam wspierać projekty poprzez profesjonalne doradztwo oraz wsparcie techniczne. Niezwykle satysfakcjonujące jest dla nas brać udział w budowaniu rynku najnowszych technologii i być częścią rewolucji w funkcjonalności urządzeń, które tworzą nasi klienci.

Specjalnie dla czytelników "Elektronika" przygotowaliśmy specjalną promocję. Zeskanuj kod QR i odbierz rabat 30% na wszystkie zestawy startowe Espressif, dostępne w ofercie naszego sklepu internetowego! Promocja trwa do odwołania!

Soyter Components