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第 10 章 - 應用 ESP8266 開發板

上次更新日期 2022/11/27

有 wifi 模組的開發板當中，在台灣使用度較廣的，還是比較便宜的 ESP8266 這一塊。這一塊板子擁有 wifi 模組， 而且比起 arduino nano 33 IoT 來說，確實便宜很多，因次，很多朋友們在開發 wifi 連線的 IoT 時， 其實主要還是拿這張板子來開發的。我們就簡單的使用一下 EPS8266 吧！

學習目標：

  1. 認識 ESP8266 開發版
  2. 使用 arduino IDE 進行 ESP8266 的程式撰寫
  3. 使用 wifi 模組

10.1： 認識 ESP8266 與 IDE 環境建置

我們這個短篇資料 (其實也寫了 10 多章節) 當中，介紹了兩款常用於 IoT 的開發板，分別是架構相對簡單沒有無線通訊的 arduino nano，以及包含 wifi 與藍芽的 arduino nano 33 IoT 這兩款。如果是可以附掛在諸如樹莓派上面的開發板， 那首選當然是便宜的 arduino nano 了！穩定又不會發燙！那如果是需要獨立存在的，可能就得要使用到 arduino nano 33 IoT 之類的開發板。問題是，這塊開發板，越來越貴了...用大量佈建，真的很有點傷腦筋！

  • NodeMCU, ESP-12E, ESP8266...

在台灣，想要使用 wifi 模組的話，通常會使用到另外一個開發板，這個開發板稱為 NodeMCU (node micro-controller unit, 微控制器單元)。 NodeMCU 開發板是架構在 ESP-12E 這個型號的板子上，而 ESP-12E 裡面的主要元件就是支援 wifi 的 ESP8266。 因為我們通常最需要的就是 wifi 模組，所以，通常就會通稱這種板子為 ESP8266 了！因此，我們用的開發板， 實際上應該稱為 NodeMCU 啦！也是因為這樣，你才會發現到，你所謂的『ESP8266』上面，其實是兩塊板子焊接在一起的！ 因為，這種擴展板上面確實包含了 ESP-12E，同時也加入了 ch340 或 cp2102 的 UART 晶片～

ESP8266 示意圖 ESP8266 示意圖
圖片來源：蝦皮購物-【樂意創客官方店】-NodeMcu Lua WIFI V3

就如上圖左圖所示，其實就是一個 NodeMCU 的開發板，上方那個金屬片，就是主要元件的 ESP8266 了！ 仔細查看一下金屬片表面的刻字，就可以看到支援的 WiFi 以及使用的頻道為 2.4GHz 了！右側只是一個 GPIO 的示意圖，詳細的腳位用途，其實在 NodeMCU 上面都寫得很清楚了！接上腳位的時候，得要注意看啊！

  • 使用 arduino IDE 的環境

另外，使用 ESP8266 的擴充開發板實在很多喔！不只有 NodeMCU 呢！為了方便介紹起見，大家還是習慣通稱這種板子就是 ESP8266 喔！ 底下鳥哥不會再使用 NodeMCU 或 ESP-12E 來說明這塊開發板，而是使用通稱的 ESP8266 來介紹，大家理解就好了！

為了簡化開發板的程式開發，大家還是習慣使用原廠的 arduino 整合開發環境 (IDE)，只是，我們得要載入 ESP8266 的模組才行！ 不過，這塊開發板的模組並沒有被加入 arduino 的官網當中 (我猜，畢竟是競爭關係...)，所以，我們得要手動處理一下， 讓 arduino IDE 可以更新開發板的元件，讓 IDE 能夠支援 ESP8266 ！

首先，打開 IDE 環境，在『檔案』、『偏好設定』裡面，找到『額外的開發板管理員網址』， 你可以點選右側的小圖示，就會出現『額外的網址，一行一個』的視窗，在裡面填入底下兩個網址，分別代表 ESP8266 以及其下一代產品的 ESP32 開發板位址：

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json

示意圖有點像底下這樣：

ESP8266 IDE 示意圖 ESP8266 IDE 示意圖 加入 ESP8266 與其下一代 ESP32 的開發板型號支援

處理完畢之後按下確定，你就會在 IDE 環境的左下角出現提醒你可以安裝新開發板的訊息通知！如果略過也沒關係， 接下來直接到『工具』、『開發板：XXX』、『開發板管理員』，在搜尋列輸入 esp8266，看到的開發板資訊， 直接按下『安裝』後，等待幾秒鐘，就安裝好可以離開了！

ESP8266 IDE 示意圖 安裝開發板在 IDE 環境下

然後在『工具』、『開發板：XXX』、『ESP8266 Boards』、『NodeMCU 1.0(EPS-12E Module)』勾選！ 之後跟 arduino nano 一樣，選擇正確的序列埠，這樣就做好了開發板 IDE 環境的建置了！

  • 第一隻內建 LED 亮燈的 blink 程式

跟 arduino 一樣，ESP8266 也有個內建的 LED 燈，我們來測試一下，這個 LED 燈能不能閃爍呢！ 以確定 IDE 與 ESP8266 是可以連動的。從『檔案』、『範例』、『ESP8266』、『Blink』呼叫出 blink 程式， 將 delay 的延遲時間都改成 500 (0.5 秒)，之後就直接燒錄上傳，如果一切順利， 你應該會看到 ESP8266 上頭那顆藍色 LED 燈號會持續閃爍了！這就代表你的 ESP8266 開發板沒有問題！

10.2： 啟用 wifi 模組

就說 ESP8266 的重點在於 wifi 模組，要使用這個模組，當然就是先來掃描一下環境中的可用基地台了！ 從『檔案』、『範例』、『ESP8266WiFi』、『WiFiScan』翻出程式碼，主要是得要先修改鮑率，我們習慣使用 9600 呢！ 其他不用改！直接燒錄上傳，並打開終端界面，基本上就應該會看到如下的畫面才對喔！

 Starting WiFi scan...
 5 networks found:
   00: [CH 01] [B8:27:EB:D8:AE:89] -43dBm * V RPi-vbird
....

同樣是可以看到我們先前架設好的 RPi-vbird 基地台喔！

  • 連線到無線 AP

ESP8266wifi 模組畢竟與 WiFiNINA 不太一樣，雖然大部分的模組使用情況一樣，不過，並不是全部相同啊！ 所以，可能無法直接拿 code-wifi-connect 來修改...倒是可以從『檔案』、『範例』、『ESP8266WiFi』裡面的『WiFiClient』來修改！ 鳥哥稍微改一下內容，變成類似如下的程式碼：

#include <ESP8266WiFi.h>

char ssid[]     = "RPi-vbird";
char password[] = "xxxxxxxxx";

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);
  
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.print(ssid);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }

  Serial.println("WiFi connected");
}

void loop() {
  printwifidata();
  delay(5000);
}

void printwifidata() {
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  Serial.print("GW address: ");
  Serial.println(WiFi.gatewayIP());
  Serial.print("DNS address: ");
  Serial.println(WiFi.dnsIP());
  Serial.print("Signal strength (RSSI): ");
  Serial.print(WiFi.RSSI());
  Serial.println("dBm");
}

檔名就取為 code-esp8266-connect，燒錄後上傳，如果一切順利，終端機會出現類似如下的情況：

 Connecting to RPi-vbird.........WiFi connected
 IP address: 192.168.33.236
 GW address: 192.168.33.254
 DNS address: 192.168.33.254
 Signal strength (RSSI): -48dBm
  • 取得網路校時

跟之前一樣，請整合 code-wifi-NTP 與剛剛的 code-esp8266-connect 讓你的 ESP8266 可以取得正確的時間！ 首先，在匯入模組的部份，需要有底下的資料：

#include <WiFiUdp.h>
#include <NTPClient.h>
WiFiUDP ntpUDP;

然後在全域變數的地方，得要宣告你的時間伺服器與時區的時差小時值

char ntpserver[] = "tw.pool.ntp.org";
int GMT = +8;
NTPClient ntpClient(ntpUDP, ntpserver, 3600*GMT);

在 setup 的函數當中，啟動 wifi 之前與之後，增加 LED 燈的開關。只是與 arduino nano 不一樣， 在 digitalWrite 的函數中，輸出 HIGH 反而是關燈，輸出 LOW 才是亮燈！這個相當有趣喔！

  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  .....
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);

同樣在 setup 函數最下方，得要讓 ntpClient 啟動才行：

  ntpClient.begin();
  ntpClient.update();

然後在 loop 函數中，就跟之前的 code-wifi-NTP 相同了！請列出相關的時間即可喔！

  printwifidata();
  Serial.println(ntpClient.getFormattedDate());
  Serial.println(ntpClient.getFormattedTime());
  Serial.println(ntpClient.getHours());
  Serial.println(ntpClient.getMinutes());
  Serial.println(ntpClient.getSeconds());
  delay(5000);

其他程式保持不變，燒錄後上傳，應該就可以看到正確的時間輸出才對！

10.3： web server / web client 的應用 (GPIO 腳位對應)

基本上， esp8266 要做成與 arduino nano 相同的 web server / web client 方式幾乎相同！ 這是因為 esp8266wifi 與 wifinina 模組當中，使用的函數名稱幾乎相同的緣故！所以，你可以將前一章的 code-wifi-server1 相關內容彙整到 code-esp8266-server1 當中，只是要注意的是，ESP8266 能讀取的數位腳位名稱並不是使用 D1, D2 這樣的方式， 而是透過 GPIO 的腳位對應而來喔！相關對應的腳位有點像是這樣：

  • D0: GPIO16
  • D1: GPIO5
  • D2: GPIO4
  • D3: GPIO0
  • D4: GPIO2
  • D5: GPIO14
  • D6: GPIO12
  • D7: GPIO13
  • D8: GPIO15
  • D9: GPIO3
  • D10: GPIO1

所以，如果如同前一章使用了 D5 腳位作為 LED 的連結時，那麼 led 的腳位就得要寫成 14 才對喔！這對於一般剛剛從 arduino 轉到 ESP8266 的朋友來說，會覺得有點莫名其妙喔！這點要注意！要注意！

  • 使用 web server 控制 LED 燈

請前往前一章，將 code-wifi-server1 的相關內容資訊，移植到 code-esp8266-server1 上面，特別要注意的就是上面提到的， 在 digitalWrite 函數中，那個 led 號碼得要改成對應的 GPIO 號碼才對！否則供電會錯誤！哈哈！因為程式碼幾乎一模一樣， 這裡就不再重複處理了！

  • 使用 web client 控制 LED 燈

這部份則相同使用 code-wifi-client1 來處理！同樣的， led 的腳位也是要改成 GPIO 的對應腳位喔！ 處理完畢之後，同樣透過修改樹莓派上面的檔案資訊，就能夠處理來自 ESP8266 的資料了！

例題 10.3.1： 分別參考前一章的三軸加速器搭配樹莓派 PHP 的應用以及配合第五章外接三軸加速器的功能， 將數據由 ESP8266 傳送到樹莓派上面！

10.4： 參考資料