초코볼의 inside Tech

작년 발매 부터 구입하고 싶었으나, 사용 중인 미밴드 2/3 들이 고장나지 않아 구입을 미뤄 왔었습니다.

이번에 회사 동료가 Apple Watch 로 넘어가고 미밴드 4 를 분양해 줬습니다. (고마워요~!)

마침 가족이 사용 중인 미밴드 2의 화면 밝기가 어두워지는 현상도 나타나 (미밴드 2의 유명한 문제), 교체하게 되었습니다.

지금까지 미밴드 관련된 글은 아래를 참고해 주세요.

* Hardware | 샤오미 Mi Band 3 화면 보호 필름 구매기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-xiaomi-mi-band-3-screen-protect-film

* Hardware | 미밴드 3 스트랩 구매기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-mi-band-3-strap

* Hardware | Xiaomi Mi Band 3 구매기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-Xiaomi-Mi-Band-3-unboxing

* Life | Xiaomi Mi Band 2 고무밴드 교환기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Life-Xiaomi-Mi-Band-2-replacement

* Life | 샤오미 미밴드 1S 손목밴드 교환기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Life-Xiaomi-Mi-Band-1S-strap

누가보면 미밴드빠 라고 생각하겠군요. 네 맞아요.

1. 첫 대면

꼭 필요한 구성품으로 이루어진 미밴드 4를 분양 받았습니다.

이번에 달라진 점은 "또" 충천 단자가 바뀌었군요. 이전 버전까지는 옆으로 삽입의 방식이었는데, 미밴드 4 는 밑으로 끼우는 방식입니다.

스트랩도 미밴드 3와 미묘하게 크기가 다릅니다. 호환될 수 있는 부분은 호환되게 만들면 좋을 터인데요.

혹시 나올 올해 새로운 미밴드도, 기존 충전기나 스트랩을 사용할 수 없다는 것에 500원 겁니다.

완전 방전이 되어 있었지만, 충전은 문제 없이 되었습니다. 미밴드에서 가장 큰 차이인, 0.95인치의 Amoled 컬러 화면이 확 눈에 들어 오네요.

사용해본 "미밴드 1S > 미밴드 2 > 미밴드 3 > 미밴드 4" 까지 오면서, 가장 큰 변화로 느껴집니다.

미밴드는 완전 방전이 되면, 기존 기기의 정보가 날라가기 때문에 새로운 기기에 붙이기엔 좋은 상태인 듯 합니다.

적어도 미밴드 3는 그랬네요.

옆에는 제품 바코드가 표시되어 있고, 맥박센서가 두 개가 보입니다.

2. 기존 기기 연결 해제 > 기기 연결

메뉴 구성상 미밴드 2를 사용하면서 미밴드 4를 추가하여 사용할 수 있어 보입니다만, 밝기도 어두워진 미밴드 2와는 작별하기로 합니다.

그간 고마웠어~.

열결 해제 후, "기기 추가" 를 눌러 추가해 줍니다.

완전 방전된 상태에서 충전했더니만, 자연스럽게 미밴드 4를 인식합니다. Paring 해줍니다.

Amoled 컬러를 확인해 볼 수 있는 배경화면을 바꿔 봅니다. 중국 제품 답게 중국스러운 배경화면이 많이 보입니다.

Firmware 나 Font 용량이 늘어났을 터인데, 배경화면이 150KB 이상인 것도 커버하니, 내부 저장공간은 꽤 커진 듯 하네요.

심봉사 눈뜬 것 처럼, 세상이 풀컬러로 바뀌었습니다.

그러나 역시... 한글이 깨지는군요.

동료가 구매한 버전은 "글로벌 버전" 인 듯 합니다. 처음부터 영어만 나왔으니까.

아래부터는 본격적으로 한글 패치에 관한 내용입니다.

여러 과정을 거쳐야 해서, 진행하면서 꽤 혼란스러웠습니다. 우선 큰 줄기를 아래처럼 정리해 봤습니다.

* 최신 firmware 로 update

* 최신 firmware 에 맞는 Resource 파일과 Font 파일을 다운로드

* 다운 받은 Resource / Font 파일로 update

* AmazTools 에서 "Simplified Chinese" 로 변경

위의 과정이 큰 줄기 이고, 각 항목을 진행하기 위해, 자잘한 설정 변경들은 각 항목에서 설명하겠습니다.

3. 최신 firmware 로 update

Mi Fit 한글 환경에서는 최신 firmware 가 적용되기 까지 시간이 걸린다고 합니다.

이왕이면 최신 버전을 가지고 진행하는 것이 좋으니, Mi Fit 최신버전 > Mi Band 4 최신 firmware 가 적용될 수 있도록 하기 위함입니다.

iOS 의 언어를 English 로 변경 후, Mi Fit 을 실행시키니 알아서 최신 버전으로 firmware 를 업데이트 합니다.

혹시나 남아있는 업데이트가 없는지, "Check for updates" 를 눌러 봅니다. 현재의 최신은 1.0.9.42 네요. 이 버전 넘버를 잘 기억해야 합니다.

열씸히 Updating firmware... 를 하고 있습니다.

이제 최신 firmware 로 올렸으니, iOS 에서 다시 한글로 언어를 되돌려 놓습니다.

4. Resource / Font 파일 다운로드

최신 firmware 에 맞는 한글화된 Resource / Font 파일을 다운로드 해야 합니다.

이와 관련 가장 유명한 사이트인 아래 카페이 등록하고 다운로드 하였습니다.

* 샤오미스토리 - 해외직구 커뮤니티 [샤오미, 홍미, 미지아]
    - https://cafe.naver.com/xst

이 카페에서 활동하시는 하얀종이님의 아래 글을 확인해 봅니다.

* 미밴드4 펌웨어 리소스 적합성 확인표 (2020. 03. 31기준)

- https://cafe.naver.com/xst/417081

최신 Mi Band 4 firmware / Mi Fit 버전 등이 조성 되었는지 확인합니다.

자기가 가지고 있는 버전과 다른 부분이 있으면 표를 보고 맞추면 됩니다.

이제 하얀종이 님이 배포하신 필요한 Resource / Font 파일을 다운로드 받습니다.

* 미밴드4 용 1.0.9.42 펌웨어와, 리소스 그리고 폰트파일

- https://cafe.naver.com/xst/417077

저는 글로벌 버전이므로, 아래 두 개의 파일을 받았습니다.

cinco_v92.kor.res

MB4_Font_KJC_R6.ft

위의 두 파일은 firmware 1.0.9.42 버전 기준 Resource / Font 파일 입니다.

향후 버전이 바뀌면, Mi Fit / firmware / Resource / Font 간에 맞는 짝들을 찾아서 다시금 환경 조성 + 파일 다운로드가 필요하겠습니다.

저는 아이폰의 iOS 이므로, 인터넷을 통해서 아이폰에 파일을 다운로드 하면, 아래 아이콘처럼 생긴 어플에서 확인 가능합니다.

5. 다운로드 한 Resource / Font 파일로 update

위의 두 파일을 Mi Band 4 에 밀어 넣어줘야 합니다. 그러기 위해서는 다음 과정이 필요합니다.

Mi Fit 에서 "검색 가능" 기능을 On.

AmazTools 다운로드.

결국은 AmazTools 에서 작업할 것인데, 이 어플이 Mi Band 4 에 접근하기 위해서는 Mi Fit 에서 "검색 가능" 기능을 켜줘야 합니다.

AmazTools 에서 Resource / Font files 전송 > Mi Fit > Mi Band 4

AmazTools 에서 연결해제한 Mi Band 2 는 무시하고, 새로운 Mi Band 4를 선택해 줍니다.

미밴드 4 에서도 AmazTools 가 연결되었다고 뜹니다.

AmazTools 에서 "Install Custom FIle" 을 선택하면, 위에서 받은 파일이 보입니다.

6. Simplified Chinese

아니 왜 중국어야? 라고 할 수 있겠지만, Mi Band 에서는 "중국어 (한국어, 일본어), 아니면 영어" 라는 양대 구조여서 그런 것 같아요.

Korean 이나 English 를 선택하면 변화가 일어나지 않습니다.

짜잔~~~!!! 메뉴와 메시지 모두 한글로 변경되었습니다.

삽질을 많이 해서 한 4시간 걸렸네요.

지금까지 한 모든 작업들이 전혀 필요 없어요. 자동으로 됩니다. 아놔...

한글도 이렇게 해주면 안되겠니?

검색엔진에 블로그를 노출시키기 위해 여러 작업들을 해 왔습니다.

* Software | 블로그를 검색엔진에 노출시키기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Software-showing-blog-at-search-engine

이번에는 Microsoft 의 검색 엔진인 bing 에 노출시켜 보겠습니다.

1. 등록

MS 계정이 있으면 그대로 사용해도 되고, 새로 만들어도 됩니다. 요즘은 Facebook / Google 계정으로도 생성할 수 있습니다.

다른 webmaster tool 에서처럼 사이트를 등록하면서 시작합니다.

Google Search Console 을 통해 사이트 정보를 긁어오겠다고 합니다. 역시 구글 갓!

역시나 관련된 code 를 HTML 의 HEAD 에 삽입해줘야 합니다.

Bing 에서 발급한 XML 파일을 심어줘도 되는데, 파일 하이제킹이 가능할 수 있으니, meta code 형식으로 등록해 줍니다.

Bing 과 연결될 meta code 를 HTML HEAD 에 넣어 줍니다.

뿅! 연동 완료 되었습니다. 다만 시간차가 좀 있습니다. Bing 의 시스템은 빠릿빠릿 하지 않는 듯 해요. 조금 답답합니다.

2. Meta Tag

티스토리에는 이런 류의 Meta Tag 등록 플러그인이 있습니다.

등록 방법은, "블로그홈 관리 > 플러그인" 메뉴에서 선택할 수 있습니다.

 Meta Tag 플러그인을 활용하여 위의 스샷처럼 등록할 수도 있고, 유명한 태그들은 이미 플러그인이 준비되어 있는 것을 활용해도 됩니다.

구글 에널리틱 도 준비되어 있습니다.

다만 차이는, 준비된 플러그인을 통해서 만들어진 JavaScript 와 해당 업체에서 안내한 것과 조금 다릅니다.

참고로, 네이버 애널리틱스 등록입니다.

플러그인에서 제공하는 NAVER Analytics 등록 JavaScript.

요는 어느 쪽을 선택하든 동일하다는 것. 관리적인 측면을 보면 플러그인 방식을 추천.

3. Sitemap

가장 효과적인 Sitemap 등록 기능도 제공합니다.

가지고 있던 Sitemap 을 등록시켜 줍니다. 크롤링이 제대로 동작하지 않는 Bing 에서는 Sitemap 에 꽤나 의존하는 듯 합니다.

Sitemap XML 파일 생성과 활용법에 대해서는 이 글의 맨 처음에 소개된 아래 글에서 확인할 수 있습니다.

* Software | 블로그를 검색엔진에 노출시키기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Software-showing-blog-at-search-engine

4. 모니터링

등록 하고 일주일이 넘도록 제대로 동작하지 않았습니다. 그러다가 조금씩 조금씩 데이터가 쌓여 가더군요.

Bing 의 낮은 인지도 때문인가, 아니면 시스템이 세련되지 못해서 그런지는 잘 모르겠네요.

그치만 확실한건 아직 쓰레기 레벨이라는 것.

5. 기타 기능

결국 사이트를 분석해주는 툴이기 때문에, 요즘 트렌드에 맞게 모바일 기기 대응인지 확인하는 기능이 있습니다.

모바일 친화적으로 결과를 표시해 줍니다. 만, 제가 느끼기엔 저의 블로그는 전혀 모바일 친화적이 아닙니다.

그림 re-size 라든지, 글의 개행이 모바일에서 보면 개판인 것을 알고 있거든요. 적용 된 Skin 문제에서 기인한 부분도 있습니다만, 자세히 테스트를 못한다는 부분에서 별로 믿을만한 툴은 아닙니다.

SEO 대책을 위한 어드바이스도 해줍니다.

이 기능은 잘 되어 있습니다.

이렇게 평가한 이유는 잘 잡아내서 입니다.

og:sitename 등은 bot 들이 크롤링 함에 있어서 중요한 확인 항목입니다만, 티스토리는 이걸 자동 생성 해버립니다.

영어 사이트들에서 잘 검색되도록 영어로 노출되게 하고 싶으나, 블로그 이름을 그냥 박아 버립니다.

Markup Validator 는 HTML code 와 Meta tag 들이 잘 사용되어 있는지를 확인해 줍니다. 이 기능도 별로 입니다.

이유로는 한글을 제대로 인식하지 못합니다. UTF-8 을 표준으로 밀었던 Microsoft 아니였어? 라는 생각이 드는 대목.

이건 마음에 듭니다.

티스토리에서 Bing 관련 Bot 은 block 에 분류되어 있는게 아닌가 합니다. 아마도 WAF 에서 막는 설정이 되어 있는지도.

그만큼 Bing 은 인기가 없는 것이겠죠.

관리자에게 이야기 해서 Bot 이 정상 작동할 수 있도록 하라고 안내해 줍니다.

7. SEO Reports

이 Bing Webmaster Tool 의 사용의미인 "SEO Reports" 입니다.

역시 위에서 이야기한 og 관련된 description 문제가 가장 크다고 알려 줍니다.

티스토리가 개선되어 og:name / og:description 을 사용자가 직접 지정한 것이 유효하게 되면 SEO 대책은 끝날 것 같습니다.

FIN

블로그 방문자 및 웹사이트 전략 - SEO - 를 위해 Google Analytics 에 대해 알아 봤었습니다.

* Software | GAIQ - Google Analytics for Beginners
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Software-GAIQ-Google-Analytics-for-Beginners

* Software | Google Analytics 를 이용한 블로그 분석
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Software-Google-Analytics-blog

Google Analytics 를 통해 개선 사항이나, 접속 증가를 위해 몇 가지 튜닝도 해 봤었죠.

* Software | Daum AdFit 등록해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Software-Daum-AdFit-apply

검색 사이트에서 노출을 높이기 위해서, 몇 가지 포털에 등록하기도 했습니다.

* Software | 블로그를 검색엔진에 노출시키기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Software-showing-blog-at-search-engine

블로그 활성화를 위해, 이번에는 NAVER Analytics 를 사용해 봤습니다.

1. NAVER Analytics

당연하게도 NAVER 계정이 있으면, 아래 사이트에 로그인 하면 됩니다.

* 네이버 애널리틱스

- https://analytics.naver.com/

NAVER 계정이 있으면 로그인 하면 되고, 없으면 만들면 됩니다.

2. 사이트 등록

이용 개시하면서, 약관에 동의 합니다.

그렇다고 합니다.

본격적으로 사용하려면, 모니터링 할 사이트가 필요합니다. 저는 제 블로그를 등록했습니다.

본인 소유의 확인을 위해, 그리고 사이트 분석을 위해, 등록시 발급 된 "등록 스크립트" 를 HEAD 부분에 넣어 줍니다.

등록 스크립트에는 사이트 ID 를 통해, 누구 소유의 사이트인지를 구분하고 분석해 줍니다.

3. 요약 - 사이트 현황

정상적으로 사이트 ID 가 등록되고, 접속한 유저들의 브라우저가 심어놨던 JavaScript 를 통해 NAVER 서버에 정보를 보내기 시작하면, NAVER Analytics 에서 정보가 보이기 시작합니다.

사이트현황 에서는 정의한 기간 동안의 전반적인 접속 동향을 보여줍니다.

신규방문횟수, 재방문횟수, 평균 체류시간 등, 유용한 정보를 한눈에 볼 수 있다는 것이 장점입니다.

유입경로 및 단말 정보, 그리고 유입검색어 정보도 보여줍니다.

TOP10 인기페이지 까지 보여줘서, 사이트현황 만으로 거의 모든 내용을 확인할 수 있어요.

4. 요약 - 대시보드

각 항목을 보면, "+ 대시보드추가" 가 있습니다. 의미하는 그대로, 원하는 항목에서 버튼 하나로 대시보드에 추가할 수 있어요.

저는 아래 항목들을 대시보드에 추가했습니다.

아래 보이는 것 처럼, 추가된 모든 그래프들이 대시보드에서 열람이 가능하다는 것을 알 수 있습니다.

참고로, 대시보드 상단의 "Check Points" 버튼을 클릭하면, 위의 메뉴가 뜨면서 넣고 빼기를 언제든 할 수 있습니다.

방문체류시간이 점점 늘어나는 것을 알 수 있구요.

TOP 방문지역 정보는 조금 이상하게 나오는 군요. NAVER 가 보유한 GeoIP 정보를 가지고 있는 IPDB 갱신이 필요해 보입니다.

다만, 행정구역 "구" 단위로 보여주는 것은 좋네요.

저의 블로그는 구글에서 가장 많이 검색되어 유입된다는 것을 알 수 있습니다. (글로벌 가자~)

당연 남초 사이트 이며, 35~39 연령대가 가장 많이 접속해 주시는 군요.

사람들 생활 패턴과 동일하게 "월요일" 이 가장 많이 방문하는 요일이고, 주말인 토/일에 낮은 방문률을 보여줍니다.

5. 방문분석

Visitor 분석 입니다. 대쉬보드에서 이미 확인할 수 있으나, 자세한 정보 열람이 가능합니다.

전일 대비 증감과 어떤 유형의 방문인지를 자세하게 알려줍니다.

페이지들의 열람 정보 입니다.

PV 가 UV 보다 살짝 높은 것을 보면, 방문해서 한페이지 정도만 보고 이탈하는 것 같습니다.

좀더 오랜동안 채류할 수 있도록 컨텐츠를 풍부하게 만들어야 겠네요. 인기 포스트들을 중심으로 연관된 글들에 집중해야 할 듯 합니다.

그치만, 취미로 하는 것이니 실제로는 신경쓰지 않을 껍니다.

시간대별로는 기상시 높아졌다가, 점심에 좀더 올라가고, 퇴근 전에 피크를 칩니다. 일하기 싫은 시간대에 인기있는 사이트... ㅠㅠ

퇴근시간대에도 한번 더 웨이브가 오네요. 이를 통하여 주요 방문자는 남자/30대 후반/직장인 이라는 것을 알 수 있습니다.

시간대별 방문 상세정보 입니다.

대시보드에서 봤던 정보 입니다.

요일별 방문분포의 자세한 내용 입니다.

방문체류시간은 처참하네요. 어떻게 1초를 못 넘기지? 접속 하자마자 바로 "아 아니구나..." 를 알 수 있다는 것인가?

어찌 되었든, 이 "방문체류시간" 을 늘리는 것이 광고 노출 최대의 결과가 됩니다.

방문경로깊이도 뼈아픈 정보 입니다. 대부분 접속한 글만 보고 이탈한다는 이야기 입니다.

하긴 저의 글들이 대중적이지는 않다는거 인정합니다.

미국이 가장 높게 나온건 이상합니다. 이참에 영어 사이트로 전환할까요?

영어 사용 언어권에 어필이 되면, 확실히 효과는 대단할 것 같습니다.

6. 유입분석

유입 현황 입니다. 검색을 통해서 노출된 링크를 타고 들어오는 사람이 대부분 입니다.

검색 사이트로는 구글을 통해서 제일 많이 들어왔네요.

한국어 블로그 이지만, 네이버 등 한국 포털을 통해서 들어오지 못하는 이유로는, 네이버가 자체 블로그 서비스를 가지고 있고, 블로그 노출에 대해 네이버 블로그들에 대해 우선순위를 높여놔서 그런게 아닌가 합니다.

이미 "네이버 웹마스터도구" 에도 등록되어 있음에도 불구하고, 이 현상은 NAVER 블로그를 더 노출하는 로직의 결과로 보입니다.

* Software | 블로그를 검색엔진에 노출시키기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Software-showing-blog-at-search-engine

각 항목을 클릭하면, 검색어도 표시해 줍니다. 이 기능은 좋아 보입니다. 2차원 정보를 같은 페이지에 보여주려는 노력의 결과인 듯.

유입검색어는 의지로 되는 것이 아닌 듯 합니다. 전혀 예상하지 못한 검색어가 인기 좋군요.

유입상세URL 은 당연 검색 사이트가 랭킹되어 있습니다.

7. 페이지분석

페이지들의 순위 입니다.

일전에 AWS 자격증 취득글이 가장 인기가 좋군요 :-)

시작 페이지와 종료 페이지는 동일합니다. 대부분 다른 글들은 보지 않고 떠났다는 이야기 이죠. ㅠㅠ

반송페이지의 의미는 들르지 마자, 그 페이지에서 바로 나갔다는 의미랍니다.

8. 실시간분석

말 그대로, 실시간 분석 입니다. 5초와 1분 단위로 접속자를 확인할 수 있습니다.

실시간 접속자 들의 인기 페이지 정보 입니다.

9. 사용자분석

뼈때리는 정보 입니다. 남초 사이트 인증!

성별 + 연령별 정보까지, 후벼 파 줍니다.

접속 단말의 정보. 이거야 User-Agent 분석의 결과.

각 OS 안에서 어떤 브라우저를 사용했는지도 보여 줍니다. 이런 2차원적인 표시 좋습니다.

웹브라우저 사용 비율 기준 + OS 정보를 표시해 줍니다.

아까는 OS > 웹브라우저 순서였고, 이 페이지는 그 반대인 웹브라우저 > OS 입니다.

CSS 디자이너에게는 필요한 화면해상도 정보도 알려줍니다.

해상도에 따른 OS 사용 비율도 보여줍니다.

FIN

Google Analytics 와는 다르게, 기본 한글 사용과 직관적인 구성으로 사이트 분석의 입문으로 추천합니다.

다만, 다차원적인 검색과 목표 설정하는 Campaign (Google 가지고 있슴) 등의 기능까지 활용하는 상위 레벨로는 맞지 않습니다.

분석용 JavaScript 들을 블로그에 집어 넣다보니, 페이지가 열리는 시간이 조금 무거워진 느낌은 나네요.

다만, 요즘 기기들과 인터넷 환경이 좋으므로 당분간 유지해 보려 합니다.

지금까지 ESP32 에 관한 글은 아래를 참고해 주세요.

* Hardware | ESP32 Deep sleep 알아보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Deep-sleep

* Hardware | ESP32 Cryptographic HW 가속 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Cryptographic-HW-acceleration

* Hardware | EPS32 PWM 기능 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-EPS32-PWM

* Hardware | ESP32 의 internal sensor 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-internal-sensors

* Hardware | ESP32 의 Dual core 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Dual-core

* Hardware | ESP32 스펙 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-spec-check

* Hardware | ESP32 간단 사용기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-simple-review-ESP32

이 글을 마지막으로 ESP32 에 대해 대략적인 내용은 얼추 확인해 본 것 같습니다.

이후에는 WiFi 이용한 활용시에는 가능한 ESP32 를 사용해 보려 합니다.

1. NTP

본 포스트는 아래 글을 참조 하였습니다.

* Getting Date & Time From NTP Server With ESP32

- https://lastminuteengineers.com/esp32-ntp-server-date-time-tutorial/

동일한 시간 기준으로 동작해야 하는 서비스를 위해, 인터넷에서는 NTP 라는 서비스가 지원되고 있습니다.

* Network Time Protocol

- https://en.wikipedia.org/wiki/Network_Time_Protocol

이를태면, 정확한 시간 정보를 가져올 수 있는 서버들이 존재한다는 것이죠.

2. WiFi

"인터넷" 을 통해 시간 정보를 가져와야 하므로, WiFi 등의 인터넷 연결이 필수 입니다.

ESP32 는, WiFi 연결을 위해 "WiFi.h" 라이브러리를 지원합니다. 이를 통해 쉽게 WiFi 연결을 실현해 줍니다.

지금까지 Arduino + ESP8266 에서는 AT command 를 이용하여, 하나하나 명령어를 정의해야 했었는데, 그럴 수고를 덜어줍니다.

const char* ssid       = "YOUR_SSID";
const char* password   = "YOUR_PASS";

인터넷 접속을 위한 WiFI SSID 및 비번 정의를 하면 끝 입니다. 정말로 이걸로 끝입니다.

3. NTP

#include "WiFi.h"
#include "time.h"

const char* ssid       = "YOUR_SSID";
const char* password   = "YOUR_PASS";

const char* ntpServer = "pool.ntp.org";
const long  gmtOffset_sec = 3600;
const int   daylightOffset_sec = 3600;

void printLocalTime() {
	struct tm timeinfo;
	if(!getLocalTime(&timeinfo)) {
		Serial.println("Failed to obtain time");
		return;
	}
	Serial.println(&timeinfo, "%A, %B %d %Y %H:%M:%S");
}

void setup() {
	Serial.begin(115200);
	
	// connect to WiFi
	Serial.printf("Connecting to %s ", ssid);
	WiFi.begin(ssid, password);
	while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
		delay(500);
		Serial.print(".");
	}
	Serial.println(" CONNECTED");
	
	// init and get the time
	configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
	printLocalTime();
	
	// disconnect WiFi as it's no longer needed
	WiFi.disconnect(true);
	WiFi.mode(WIFI_OFF);
}

void loop() {
	delay(1000);
	printLocalTime();
}

위의 소스를 각 로컬 상황에 맞게 설정해줘야 합니다.

const char* ntpServer = "pool.ntp.org";
const long  gmtOffset_sec = 3600;
const int   daylightOffset_sec = 3600;

우선, NTP 서버는 "pool.ntp.org" 로 정의 합니다. 이 FQDN 을 통해 NTP 서버를 할당 받습니다.

"gmOffset_sec" 는 GMT 기준으로 얼마나 차이나는지를 확인합니다.

한국은 그리니치 천문대 기준 9시간 추가된 시간대인, "GMT+9" 이므로 "3600 * 9 = 32400" 만큼 더해주면 됩니다.

또한, "daylightOffset_sec" 은, 서머타임 적용 지역이면, 한시간인 3600 을 적용하면 됩니다.

우리나라는 서머타임 적용은 80년대에 일시적으로 적용하고, 그 이후 사용되지 않으므로 "0" 으로 정의합니다. (옛날 사람...)

위의 내용을 적용하고 실행하면 다음과 같이 됩니다.

ESP32 는 WiFi 및 Bluetooth 에 추가하여 Dual-core CPU 에 sensor 등, 작은 사이즈에 많은 기능을 내포하고 있습니다.

본격적인 IoT 생활을 위해 Arduino 보드에서 ESP32 로 넘어가는 중이라 ESP32 에 대해 공부하고 있습니다.

지금까지 작성된 ESP32 에 관한 글들은 아래 포스트들을 참고해 주세요.

* Hardware | ESP32 Cryptographic HW 가속 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Cryptographic-HW-acceleration

* Hardware | EPS32 PWM 기능 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-EPS32-PWM

* Hardware | ESP32 의 internal sensor 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-internal-sensors

* Hardware | ESP32 의 Dual core 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Dual-core

* Hardware | ESP32 스펙 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-spec-check

* Hardware | ESP32 간단 사용기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-simple-review-ESP32

1. Power Modes

ESP32 는 사용 전력량을 알맞게 활용할 수 있도록 5가지 Power 모드를 제공하고 있습니다. Off-Grid 에서의 활용에서는 필수겠죠.

아래 테이블은, 각 mode 들에 따른 ESP32 부위별 active / inactive 와 사용 전력 정보 입니다.

* Insight Into ESP32 Sleep Modes & Their Power Consumption
    - https://lastminuteengineers.com/esp32-sleep-modes-power-consumption/

--------------------------------------------------------------------------------
| Power Mode  | Active                 | Inactive               | Power        |
|             |                        |                        | Consumption  |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Active      | WiFi, Bluetooth, Radio |                        | 160 ~ 260 mA |
|             | ESP32 Core             |                        |              |
|             | ULP Co-processor       |                        |              |
|             | Peripherals, RTC       |                        |              |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Modem Sleep | ESP32 Core             | WiFi, Bluetooth, Radio |   3 ~ 20 mA  |
|             | ULP Co-processor, RTC  | Peripherals            |              |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Light Sleep | ULP Co-processor, RTC  | WiFi, Bluetooth, Radio |     0.8 mA   |
|             | ESP32 Core (Paused)    | Peripherals            |              |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Deep Sleep  | ULP Co-processor, RTC  | WiFi, Bluetooth, Radio |     10 uA    |
|             |                        | ESP32 Core, Peripherals|              |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Hibernation | RTC                    | ESP32 Core             |     2.5 uA   |
|             |                        | ULP Co-processor       |              |
|             |                        | WiFi, Bluetooth, Radio |              |
|             |                        | Peripherals            |              |
--------------------------------------------------------------------------------

사용하지 않는 부분을 죽이고 최대한 사용 전력을 아끼는 방법입니다.

사양서에는, 좀더 자세한 power mode 별 소비 전력이 안내되어 있습니다.

이번 포스트에서 집중적으로 확인해 볼 Deep sleep 에서는 CPU 를 사용하지 않고, 소전력으로 돌아가는 ULP processor 를 활용합니다.

참고고, ESP32 에서 사용되는 전력의 많은 부분은 역시 WiFi/Bluetooth 이군요.

2. RTC_IO / Touch

Deep sleep 시에 ESP32 를 깨우거나 입력을 받아들이는 pin 은 RTC_IO / Touch 핀들 입니다.

즉, 이 pin 들을 통하여 ULP co-processor 에 자극을 줘서 deep sleep 에서 깨어날 수 있도록 open 된 핀들이라고 할 수 있겠네요.

참고로 모든 Touch 핀들은 RTC_IO 핀들에 포함되어 있습니다.

3. 깨우기 - timer

/*
Simple Deep Sleep with Timer Wake Up
=====================================
ESP32 offers a deep sleep mode for effective power
saving as power is an important factor for IoT
applications. In this mode CPUs, most of the RAM,
and all the digital peripherals which are clocked
from APB_CLK are powered off. The only parts of
the chip which can still be powered on are:
RTC controller, RTC peripherals ,and RTC memories

This code displays the most basic deep sleep with
a timer to wake it up and how to store data in
RTC memory to use it over reboots

This code is under Public Domain License.

Author:
Pranav Cherukupalli - cherukupallip@gmail.com
*/

#define uS_TO_S_FACTOR 1000000ULL  /* Conversion factor for micro seconds to seconds */
#define TIME_TO_SLEEP  5        /* Time ESP32 will go to sleep (in seconds) */

RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;

/*
Method to print the reason by which ESP32
has been awaken from sleep
*/
void print_wakeup_reason(){
  esp_sleep_wakeup_cause_t wakeup_reason;

  wakeup_reason = esp_sleep_get_wakeup_cause();

  switch(wakeup_reason)
  {
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_IO"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_CNTL"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER : Serial.println("Wakeup caused by timer"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD : Serial.println("Wakeup caused by touchpad"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_ULP : Serial.println("Wakeup caused by ULP program"); break;
    default : Serial.printf("Wakeup was not caused by deep sleep: %d\n",wakeup_reason); break;
  }
}

void setup(){
  Serial.begin(115200);
  delay(1000); //Take some time to open up the Serial Monitor

  //Increment boot number and print it every reboot
  ++bootCount;
  Serial.println("Boot number: " + String(bootCount));

  //Print the wakeup reason for ESP32
  print_wakeup_reason();

  /*
  First we configure the wake up source
  We set our ESP32 to wake up every 5 seconds
  */
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(TIME_TO_SLEEP * uS_TO_S_FACTOR);
  Serial.println("Setup ESP32 to sleep for every " + String(TIME_TO_SLEEP) +
  " Seconds");

  /*
  Next we decide what all peripherals to shut down/keep on
  By default, ESP32 will automatically power down the peripherals
  not needed by the wakeup source, but if you want to be a poweruser
  this is for you. Read in detail at the API docs
  http://esp-idf.readthedocs.io/en/latest/api-reference/system/deep_sleep.html
  Left the line commented as an example of how to configure peripherals.
  The line below turns off all RTC peripherals in deep sleep.
  */
  //esp_deep_sleep_pd_config(ESP_PD_DOMAIN_RTC_PERIPH, ESP_PD_OPTION_OFF);
  //Serial.println("Configured all RTC Peripherals to be powered down in sleep");

  /*
  Now that we have setup a wake cause and if needed setup the
  peripherals state in deep sleep, we can now start going to
  deep sleep.
  In the case that no wake up sources were provided but deep
  sleep was started, it will sleep forever unless hardware
  reset occurs.
  */
  Serial.println("Going to sleep now");
  Serial.flush(); 
  esp_deep_sleep_start();
  Serial.println("This will never be printed");
}

void loop(){
  //This is not going to be called
}

Serial Monitor 를 통해, 5초마다 깨어나는 상황을 확인 할 수 있습니다.

4. 깨우기 - touch pin

터치센서를 통하여 잠에서 깨우는 소스 입니다. 이것도 마찬가지로 기본 제공되는 Example 을 이용하여 확인해 봤습니다.

/*
Deep Sleep with Touch Wake Up
=====================================
This code displays how to use deep sleep with
a touch as a wake up source and how to store data in
RTC memory to use it over reboots

This code is under Public Domain License.

Author:
Pranav Cherukupalli - cherukupallip@gmail.com
*/

#define Threshold 40 /* Greater the value, more the sensitivity */

RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;
touch_pad_t touchPin;
/*
Method to print the reason by which ESP32
has been awaken from sleep
*/
void print_wakeup_reason(){
  esp_sleep_wakeup_cause_t wakeup_reason;

  wakeup_reason = esp_sleep_get_wakeup_cause();

  switch(wakeup_reason)
  {
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_IO"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_CNTL"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER : Serial.println("Wakeup caused by timer"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD : Serial.println("Wakeup caused by touchpad"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_ULP : Serial.println("Wakeup caused by ULP program"); break;
    default : Serial.printf("Wakeup was not caused by deep sleep: %d\n",wakeup_reason); break;
  }
}

/*
Method to print the touchpad by which ESP32
has been awaken from sleep
*/
void print_wakeup_touchpad(){
  touchPin = esp_sleep_get_touchpad_wakeup_status();

  switch(touchPin)
  {
    case 0  : Serial.println("Touch detected on GPIO 4"); break;
    case 1  : Serial.println("Touch detected on GPIO 0"); break;
    case 2  : Serial.println("Touch detected on GPIO 2"); break;
    case 3  : Serial.println("Touch detected on GPIO 15"); break;
    case 4  : Serial.println("Touch detected on GPIO 13"); break;
    case 5  : Serial.println("Touch detected on GPIO 12"); break;
    case 6  : Serial.println("Touch detected on GPIO 14"); break;
    case 7  : Serial.println("Touch detected on GPIO 27"); break;
    case 8  : Serial.println("Touch detected on GPIO 33"); break;
    case 9  : Serial.println("Touch detected on GPIO 32"); break;
    default : Serial.println("Wakeup not by touchpad"); break;
  }
}

void callback(){
  //placeholder callback function
}

void setup(){
  Serial.begin(115200);
  delay(1000); //Take some time to open up the Serial Monitor

  //Increment boot number and print it every reboot
  ++bootCount;
  Serial.println("Boot number: " + String(bootCount));

  //Print the wakeup reason for ESP32 and touchpad too
  print_wakeup_reason();
  print_wakeup_touchpad();

  //Setup interrupt on Touch Pad 3 (GPIO15)
  touchAttachInterrupt(T3, callback, Threshold);

  //Configure Touchpad as wakeup source
  esp_sleep_enable_touchpad_wakeup();

  //Go to sleep now
  Serial.println("Going to sleep now");
  esp_deep_sleep_start();
  Serial.println("This will never be printed");
}

void loop(){
  //This will never be reached
}

5. 깨우기 - EXT(0) external wake ups

Pin 의 HIGH/LOW 입력을 통하여 깨우는 방법 입니다.

/*
Deep Sleep with External Wake Up
=====================================
This code displays how to use deep sleep with
an external trigger as a wake up source and how
to store data in RTC memory to use it over reboots

This code is under Public Domain License.

Hardware Connections
======================
Push Button to GPIO 33 pulled down with a 10K Ohm
resistor

NOTE:
======
Only RTC IO can be used as a source for external wake
source. They are pins: 0,2,4,12-15,25-27,32-39.

Author:
Pranav Cherukupalli -cherukupallip@gmail.com
*/

//#define BUTTON_PIN_BITMASK 0x200000000 // 2^33 in hex
#define BUTTON_PIN_BITMASK 0x16 // 2^4 in hex

RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;

/*
Method to print the reason by which ESP32
has been awaken from sleep
*/
void print_wakeup_reason(){
  esp_sleep_wakeup_cause_t wakeup_reason;

  wakeup_reason = esp_sleep_get_wakeup_cause();

  switch(wakeup_reason)
  {
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_IO"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_CNTL"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER : Serial.println("Wakeup caused by timer"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD : Serial.println("Wakeup caused by touchpad"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_ULP : Serial.println("Wakeup caused by ULP program"); break;
    default : Serial.printf("Wakeup was not caused by deep sleep: %d\n",wakeup_reason); break;
  }
}

void setup(){
  Serial.begin(115200);
  delay(1000); //Take some time to open up the Serial Monitor

  //Increment boot number and print it every reboot
  ++bootCount;
  Serial.println("Boot number: " + String(bootCount));

  //Print the wakeup reason for ESP32
  print_wakeup_reason();

  /*
  First we configure the wake up source
  We set our ESP32 to wake up for an external trigger.
  There are two types for ESP32, ext0 and ext1 .
  ext0 uses RTC_IO to wakeup thus requires RTC peripherals
  to be on while ext1 uses RTC Controller so doesnt need
  peripherals to be powered on.
  Note that using internal pullups/pulldowns also requires
  RTC peripherals to be turned on.
  */
//  esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_33,1); //1 = High, 0 = Low
  esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_4,1); //1 = High, 0 = Low

  //If you were to use ext1, you would use it like
  //esp_sleep_enable_ext1_wakeup(BUTTON_PIN_BITMASK,ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);

  //Go to sleep now
  Serial.println("Going to sleep now");
  esp_deep_sleep_start();
  Serial.println("This will never be printed");
}

void loop(){
  //This is not going to be called
}

2^(pin 번호) 를 16진수로 표현하여 정의합니다. GPIO_4 이므로, 우선 2 의 4승 계산은 다음과 같습니다.

2^4 = 16

위의 결과를 16진수로 변경해야 합니다. 아래 사이트의 converter 를 이용하면 편합니다.

* Decimal to Hexadecimal converter
    - https://www.rapidtables.com/convert/number/decimal-to-hex.html

최종적으로 2^4 = 16 > 10 (Hexadecimal) 가 됩니다.

...

//#define BUTTON_PIN_BITMASK 0x200000000 // 2^33 in hex
#define BUTTON_PIN_BITMASK 0x10 // 2^4 in hex

...

//  esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_33,1); //1 = High, 0 = Low
  esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_4,1); //1 = High, 0 = Low

...

정상 작동 되는군요.

6. 깨우기 - EXT(1) external wake ups

외부 입력을 통한 방법은 위의 EXT(0) 와 같으나, 이번에는 두 개의 스위치를 이용하는 방법 입니다.

/*
Deep Sleep with External Wake Up
=====================================
This code displays how to use deep sleep with
an external trigger as a wake up source and how
to store data in RTC memory to use it over reboots
 
This code is under Public Domain License.
 
Hardware Connections
======================
Push Button to GPIO 33 pulled down with a 10K Ohm
resistor
 
NOTE:
======
Only RTC IO can be used as a source for external wake
source. They are pins: 0,2,4,12-15,25-27,32-39.
 
Author:
Pranav Cherukupalli - cherukupallip@gmail.com
*/
 
#define BUTTON_PIN_BITMASK 0x8004 // GPIOs 2 and 15
 
RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;
 
/*
Method to print the reason by which ESP32
has been awaken from sleep
*/
void print_wakeup_reason(){
  esp_sleep_wakeup_cause_t wakeup_reason;
 
  wakeup_reason = esp_sleep_get_wakeup_cause();
 
  switch(wakeup_reason)
  {
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_IO"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1 : Serial.println("Wakeup caused by external signal using RTC_CNTL"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER : Serial.println("Wakeup caused by timer"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD : Serial.println("Wakeup caused by touchpad"); break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_ULP : Serial.println("Wakeup caused by ULP program"); break;
    default : Serial.printf("Wakeup was not caused by deep sleep: %d\n",wakeup_reason); break;
  }
}
 
/*
Method to print the GPIO that triggered the wakeup
*/
void print_GPIO_wake_up(){
  int GPIO_reason = esp_sleep_get_ext1_wakeup_status();
  Serial.print("GPIO that triggered the wake up: GPIO ");
  Serial.println((log(GPIO_reason))/log(2), 0);
}
   
void setup(){
  Serial.begin(115200);
  delay(1000); //Take some time to open up the Serial Monitor
 
  //Increment boot number and print it every reboot
  ++bootCount;
  Serial.println("Boot number: " + String(bootCount));
 
  //Print the wakeup reason for ESP32
  print_wakeup_reason();
 
  //Print the GPIO used to wake up
  print_GPIO_wake_up();
 
  /*
  First we configure the wake up source
  We set our ESP32 to wake up for an external trigger.
  There are two types for ESP32, ext0 and ext1 .
  ext0 uses RTC_IO to wakeup thus requires RTC peripherals
  to be on while ext1 uses RTC Controller so doesnt need
  peripherals to be powered on.
  Note that using internal pullups/pulldowns also requires
  RTC peripherals to be turned on.
  */
  //esp_deep_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_15,1); //1 = High, 0 = Low
 
  //If you were to use ext1, you would use it like
  esp_sleep_enable_ext1_wakeup(BUTTON_PIN_BITMASK,ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);
 
  //Go to sleep now
  Serial.println("Going to sleep now");
  delay(1000);
  esp_deep_sleep_start();
  Serial.println("This will never be printed");
}
 
void loop(){
  //This is not going to be called
}

여기서의 포인트는, 입력을 받는 복수의 GPIO 번호를 더해서 BITMASK 를 구하는 것 입니다.

사용된 GPIO 정보는 2번과 15번 입니다.

GPIO_2 + GPIO_15 > 2^2 + 2^15 = 32772

32772 의 16진수는 8004 입니다.

원본 소스에서 아래처럼 GPIO 의 BITMASK 변경과, 어떤 GPIO 가 눌렀는지의 표시, 그리고 EXT1 을 정의해 줍니다.

...

#define BUTTON_PIN_BITMASK 0x8004 // GPIOs 2 and 15
...

/*
Method to print the GPIO that triggered the wakeup
*/
void print_GPIO_wake_up(){
  int GPIO_reason = esp_sleep_get_ext1_wakeup_status();
  Serial.print("GPIO that triggered the wake up: GPIO ");
  Serial.println((log(GPIO_reason))/log(2), 0);
}
  
...

  //If you were to use ext1, you would use it like
  esp_sleep_enable_ext1_wakeup(BUTTON_PIN_BITMASK,ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);

...

Serial Monitor 의 결과는 다음과 같아요. 어느 GPIO 핀에서 입력 받았는지를 표시해 줍니다.

7. 전류 확인 - Deep sleep

실재로 전류 변화가 있는지 확인해 봤습니다.

음... 그리 많이 차이나지 않군요.

Examples 에서 제공되는 기본 소스는 Wake up 만 확인하는 소스이지, 계산을 시키거나 하는 것이 아니라서 그런 것 같습니다.

FIN

배터리를 가지고 동작하는 장비들은 필수로 가지고 있어야 할 Power mode 들, 특히 Deep sleep 에 대해 알아 봤습니다.

전력 소비가 가장 심한 WiFi/Bluetooth 부분을 어떻게 활용하면서 운용해야 하는지를 많이 고민해야 할 것 같네요.

- WiFi/Bluetooth 연결 정보는 연결 실패 exception 이나 스케줄에 따라 실시

- 가능한 정보는 memory 에 저장하여 꺼내 쓰는 방식으로

- 배터리 방전 threshold 값을 모니터링 하고, 일정 값 이하로 내려가면 지속적인 alert 발생

- WiFi/Bluetooth 에 사용되는 전류량을 컨트롤 하여, 근거리 통신 -> 중거리 -> 장거리 통신으로 연결하게끔 구성

- DTIM (Delivery Traffic Indication Message) beacon mechanism 등을 활용

- 등등...

ESP32 에 관한 글들은 아래 링크들을 참고해 주세요.

* Hardware | EPS32 PWM 기능 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-EPS32-PWM

* Hardware | ESP32 의 internal sensor 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-internal-sensors

* Hardware | ESP32 의 Dual core 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Dual-core

* Hardware | ESP32 스펙 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-spec-check

* Hardware | ESP32 간단 사용기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-simple-review-ESP32

1. Cryptographic Hardware Acceleration

한 13여년 전에 웹 서비스 구축 시, HTTPS (SSL) 처리에 CPU 연산을 너무 많이 사용해서 골치가 아팠던 경험이 있습니다.

당시에는 NIC 에 붙어있는 Intel 칩에서 SSL 가속 처리를 못해줘, OS 에서 처리하다 보니 CPU 들이 죽어 나갔죠.

막 HW 가속기 (PCI daughter card 형식) 들이 등장하기도 했습니다만, 어디까지나 실험적인 제품들이었고, OS 와 HW 특성을 많이 타다 보니 PoC 단계에서도 그닥 실효를 거두지 못했었습니다.

암호 연산에 대해서는 요즘 NIC 나 CPU 자체적으로 전용 명령어 set을 가지고 지원하는 시대이다 보니, 예전같은 걱정은 말끔히 사라졌네요.

근래에 출시된 ESP32 에도, 이 암호 연산용 HW 가속 기능이 내장되어 있습니다!

다이어그램 상, SHA / RSA / AES / RNG 등이 있네요.

사양서에도 이 HW Accelerator 에 대한 안내가 되어 있습니다.

Cryptographic hardware acceleration

- AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography (ECC), random number generator (RNG)

이번 글은 위의 HW Accelerator 의 몇 가지 기능 중, ESP32 의 hardware AES 에 대해 알아보고자 합니다.

AES 는 "Advanced Encryption Standard" 의 약자로 cryptographic symmetric cipher algorithm 을 기반으로 encryption 과 decryption 양쪽에 사용될 수 있는 장점을 가지고 있습니다.

참고로 아래 두 가지의 parameter 를 필요로 합니다.

IV (Initial Vector)

맨 처음 block 을 XOR 처리를 할 때, 덮어 씌우는 data block 이 존재하지 않습니다. 이를 보충해 주기 위한 인위적인 블럭이 IV 입니다.

Encryption Key

암호화 / 복호화에 사용되는 고유의 키 입니다.

너무 자세한 설명에 들어가면, 저의 지식이 바닦 치는 것이 보이기에 여기서 그만 합니다.

인터넷에 관련된 문서 및 동영상들이 어마어마 하니, 자세히 공부해 보고 싶으신 분을 넓은 인터넷의 세계로...

3. Software AES - ESP32

HW 가속을 시험해 보기에 앞서, AES 를 소프트웨어적으루 구현해본 분이 계셔서 따라 해봤습니다.

* AES Encryption/Decryption using Arduino Uno
    - https://www.arduinolab.net/aes-encryptiondecryption-using-arduino-uno/

우선 필요한 것은, Spaniakos 라는 분이 만드신 AES 라이브러리를 설치해 줍니다. 아래 Github 에서 라이브러리를 다운 받습니다.

* AES for microcontrollers (Arduino & Raspberry pi)
    - https://github.com/spaniakos/AES

그리고, Arduino libraries 폴더에 심어 놓으면 됩니다.

기본 준비가 되었으니, ESP32 에서 AES-CBC 방식의 암호화/복호화를 실행 해봅니다.

/*------------------------------------------------------------------------------ 
Program:      aesEncDec 
 
Description:  Basic setup to test AES CBC encryption/decryption using different 
              key lengths.
 
Hardware:     Arduino Uno R3 
 
Software:     Developed using Arduino 1.8.2 IDE
 
Libraries:    
              - AES Encryption Library for Arduino and Raspberry Pi: 
                https://spaniakos.github.io/AES/index.html
 
References: 
              - Advanced Encryption Standard by Example: 
              http://www.adamberent.com/wp-content/uploads/2019/02/AESbyExample.pdf
              - AES Class Reference: https://spaniakos.github.io/AES/classAES.html
 
Date:         July 9, 2017
 
Author:       G. Gainaru, https://www.arduinolab.net
              (based on AES library documentation and examples)
------------------------------------------------------------------------------*/
#include "AES.h"

AES aes ;

unsigned int keyLength [3] = {128, 192, 256}; // key length: 128b, 192b or 256b

byte *key = (unsigned char*)"01234567890123456789012345678901"; // encryption key
byte plain[] = "https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Cryptographic-hardware-acceleration"; // plaintext to encrypt

unsigned long long int myIv = 36753562; // CBC initialization vector; real iv = iv x2 ex: 01234567 = 0123456701234567

void setup () {
	Serial.begin(115200);
}

void loop () {
	for (int i=0; i < 3; i++) {
		Serial.print("- key length [b]: ");
		Serial.println(keyLength [i]);
		aesTest (keyLength[i]);
		delay(2000);
	}
}

void aesTest (int bits) {
	aes.iv_inc();
	
	byte iv [N_BLOCK];
	int plainPaddedLength = sizeof(plain) + (N_BLOCK - ((sizeof(plain)-1) % 16)); // length of padded plaintext [B]
	byte cipher [plainPaddedLength]; // ciphertext (encrypted plaintext)
	byte check [plainPaddedLength]; // decrypted plaintext
	
	aes.set_IV(myIv);
	aes.get_IV(iv);
	
	Serial.print("- encryption time [us]: ");
	unsigned long ms = micros ();
	aes.do_aes_encrypt(plain, sizeof(plain), cipher, key, bits, iv);
	Serial.println(micros() - ms);
	
	aes.set_IV(myIv);
	aes.get_IV(iv);
	
	Serial.print("- decryption time [us]: ");
	ms = micros ();
	aes.do_aes_decrypt(cipher,aes.get_size(),check,key,bits,iv); 
	Serial.println(micros() - ms);
	
	Serial.print("- plain:   ");
	aes.printArray(plain,(bool)true); //print plain with no padding
	
	Serial.print("- cipher:  ");
	aes.printArray(cipher,(bool)false); //print cipher with padding
	
	Serial.print("- check:   ");
	aes.printArray(check,(bool)true); //print decrypted plain with no padding
	
	Serial.print("- iv:      ");
	aes.printArray(iv,16); //print iv
	printf("\n-----------------------------------------------------------------------------------\n");
}

암호화를 걸 평문은, 이 포스트의 URL 을 사용했습니다. :-)

암호화/복호화 잘 됩니다. 속도도 좋네요.

4. Software AES - ATmega328

비교 대상으로 궁금하여, ATmega328 을 탑재한 Arduino nano 로 동일한 계산을 시켜보기로 합니다.

다만, "AES.h" 라이브러리를 include 한다고 제대로 실행되진 않는군요.

	aes.printArray(plain,(bool)true); //print plain with no padding

이유는, ATmega328 의 라이브러리에는 위의 printArray 에서 사용하는 printf_P 함수가 없기 때문입니다. (AES.cpp 에서 정의됨)

ESP32 의 FreeRTOS 에는 C 라이브러리 기본 탑재로 문제 없이 동작하지만, Arduino nano 에서는 동작하지 않습니다.

그리하여, 이를 대신할 function 을 만들어 봤는데, 징그럽게도 동작하지 않더군요.

수많은 삽질을 통해, 배열을 다른 함수의 인자로 전달하려면 배열의 pointer 와 그 배열의 크기를 명시해야 하는 것을 알게 되었습니다.

결국 아래처럼 변경하여 Arduino nano 에서도 동작을 성공 시켰습니다.

...

	showArray(iv, array_size_iv, 1);

...

void showArray (byte *result, int array_length, int hex_conv) {
	for (int i=0; i < array_length; i++) {
		if (hex_conv) {
			Serial.print(result[i], HEX);
		} else {
			Serial.print((char)result[i]);
		}
	}
	Serial.println();
}

#include "AES.h"

AES aes ;

unsigned int keyLength [3] = {128, 192, 256}; // key length: 128b, 192b or 256b

byte *key = (unsigned char*)"01234567890123456789012345678901"; // encryption key
byte plain[] = "https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Cryptographic-hardware-acceleration"; // plaintext to encrypt

unsigned long long int myIv = 36753562; // CBC initialization vector; real iv = iv x2 ex: 01234567 = 0123456701234567

void setup () {
	Serial.begin(115200);
}

void loop () {
	for (int i=0; i < 3; i++) {
		Serial.print("- key length [b]: ");
		Serial.println(keyLength [i]);
		aesTest (keyLength[i]);
		delay(2000);
	}
}

void aesTest (int bits) {
	aes.iv_inc();
	
	byte iv [N_BLOCK];
	int plainPaddedLength = sizeof(plain) + (N_BLOCK - ((sizeof(plain)-1) % 16)); // length of padded plaintext [B]
	byte cipher [plainPaddedLength]; // ciphertext (encrypted plaintext)
	byte check [plainPaddedLength]; // decrypted plaintext
	
	aes.set_IV(myIv);
	aes.get_IV(iv);
	
	Serial.print("- encryption time [us]: ");
	unsigned long ms = micros ();
	aes.do_aes_encrypt(plain, sizeof(plain), cipher, key, bits, iv);
	Serial.println(micros() - ms);
	
	aes.set_IV(myIv);
	aes.get_IV(iv);
	
	Serial.print("- decryption time [us]: ");
	ms = micros ();
	aes.do_aes_decrypt(cipher,aes.get_size(),check,key,bits,iv);
	Serial.println(micros() - ms);
	
	Serial.print("- plain:   ");
	//aes.printArray(plain,(bool)true); //print plain with no padding
	int array_size_p = sizeof(plain);
	showArray(plain, array_size_p, 0);
	
	Serial.print("- cipher:  ");
	//aes.printArray(cipher,(bool)false); //print cipher with padding
	int array_size_ci = sizeof(cipher);
	showArray(cipher, array_size_ci, 0);
	
	Serial.print("- check:   ");
	//aes.printArray(check,(bool)true); //print decrypted plain with no padding
	int array_size_ch = sizeof(check);
	showArray(check, array_size_ch, 0);
	
	Serial.print("- iv:      ");
	//aes.printArray(iv,16); //print iv
	int array_size_iv = sizeof(iv);
	showArray(iv, array_size_iv, 1);
	Serial.println("-----------------------------------------------------------------------------------");
}

void showArray (byte *result, int array_length, int hex_conv) {
	for (int i=0; i < array_length; i++) {
		if (hex_conv) {
			Serial.print(result[i], HEX);
		} else {
			Serial.print((char)result[i]);
		}
	}
	Serial.println();
}

ESP32 vs. ATmega328 의 CPU 차에 의한 software AES 계산은 encryption = 27 배, decryption = 20 배 정도 차이 났습니다.

----------------------------------------------
| bits | ESP32 | ATmega328 | diff. (multiply)|
|--------------------------------------------|
| 128  |  159  |   4396    |       27.6      |
|      |  267  |   5388    |       20.1      |
|--------------------------------------------|
| 192  |  189  |   5156    |       27.2      | 
|      |  321  |   6392    |       19.9      |
|--------------------------------------------|
| 256  |  220  |   5964    |       27.1      |
|      |  376  |   7432    |       19.7      |
----------------------------------------------

ESP32 를 찬양하라!

5. Hardware AES - library

마지막으로 ESP32 의 HW AES 를 걸어볼 차례 입니다.

HW accelerator 의 Native library 는 아래 글에서 설명이 잘 되어 있습니다.

* AES-CBC encryption or decryption operation
    - https://tls.mbed.org/api/aes_8h.html#a321834eafbf0dacb36dac343bfd6b35d

int mbedtls_aes_crypt_cbc ( mbedtls_aes_context *	ctx,
							int						mode,
							size_t					length,
							unsigned char			iv[16],
							const unsigned char *	input,
							unsigned char *			output
)

---------------------------------------------------------------------------------------------------
| Parameters | Meaning                                                                            |
---------------------------------------------------------------------------------------------------
|    ctx     | The AES context to use for encryption or decryption.                               |
|            | It must be initialized and bound to a key.                                         |
---------------------------------------------------------------------------------------------------
|    mode    | The AES operation: MBEDTLS_AES_ENCRYPT or MBEDTLS_AES_DECRYPT.                     |
---------------------------------------------------------------------------------------------------
|   length   | The length of the input data in Bytes.                                             |
|            | This must be a multiple of the block size (16 Bytes).                              |
---------------------------------------------------------------------------------------------------
|    iv      | Initialization vector (updated after use).                                         |
|            | It must be a readable and writeable buffer of 16 Bytes.                            |
---------------------------------------------------------------------------------------------------
|   input    | The buffer holding the input data. It must be readable and of size length Bytes.   |
---------------------------------------------------------------------------------------------------
|   output   | The buffer holding the output data. It must be writeable and of size length Bytes. |
---------------------------------------------------------------------------------------------------

아래는 실재 구현에 도움이 될 만한 사이트들 입니다. 예제들이 설명되어 있어요.

* ESP32 Arduino: Encryption using AES-128 in ECB mode
    - https://techtutorialsx.com/2018/04/18/esp32-arduino-encryption-using-aes-128-in-ecb-mode/

* ESP32 Arduino Tutorial: Encryption AES128 in ECB mode
    - https://everythingesp.com/esp32-arduino-tutorial-encryption-aes128-in-ecb-mode/

#include "mbedtls/aes.h"

#include "hwcrypto/aes.h"

#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "hwcrypto/aes.h"

/*
For Encryption time: 1802.40us (9.09 MB/s) at 16kB blocks.
*/

static inline int32_t _getCycleCount(void) {
	int32_t ccount;
	asm volatile("rsr %0,ccount":"=a" (ccount));
	return ccount;
}

char plaintext[16384];
char encrypted[16384];

void encodetest() {
	uint8_t key[32];
	uint8_t iv[16];
	
	//If you have cryptographically random data in the start of your payload, you do not need
	//an IV. If you start a plaintext payload, you will need an IV.
	memset( iv, 0, sizeof( iv ) );
	
	//Right now, I am using a key of all zeroes. This should change. You should fill the key
	//out with actual data.
	memset( key, 0, sizeof( key ) );
	
	memset( plaintext, 0, sizeof( plaintext ) );
	strcpy( plaintext, "https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Cryptographic-hardware-acceleration" );
	
	//Just FYI - you must be encrypting/decrypting data that is in BLOCKSIZE chunks!!!
	
	esp_aes_context ctx;
	esp_aes_init( &ctx );
	esp_aes_setkey( &ctx, key, 256 );
	int32_t start = _getCycleCount();
	esp_aes_crypt_cbc( &ctx, ESP_AES_ENCRYPT, sizeof(plaintext), iv, (uint8_t*)plaintext, (uint8_t*)encrypted );
	int32_t end = _getCycleCount();
	
	float enctime = (end-start)/240.0;
	Serial.printf( "Encryption time: %.2fus (%f MB/s)\n", enctime, (sizeof(plaintext)*1.0)/enctime );
	//See encrypted payload, and wipe out plaintext.
	
	memset( plaintext, 0, sizeof( plaintext ) );
	
	int i;
	for( i = 0; i < 128; i++ ) {
		Serial.printf( "%02x[%c]%c", encrypted[i], (encrypted[i]>31)?encrypted[i]:' ', ((i&0xf)!=0xf)?' ':'\n' );
	}
	Serial.printf( "\n" );
	
	//Must reset IV.
	//XXX TODO: Research further: I found out if you don't reset the IV, the first block will fail
	//but subsequent blocks will pass. Is there some strange cryptoalgebra going on that permits this?
	Serial.printf( "IV: %02x %02x\n", iv[0], iv[1] );
	memset( iv, 0, sizeof( iv ) );
	
	//Use the ESP32 to decrypt the CBC block.
	Serial.print("- decryption time [us]: ");
	unsigned long ms = micros ();
	esp_aes_crypt_cbc( &ctx, ESP_AES_DECRYPT, sizeof(encrypted), iv, (uint8_t*)encrypted, (uint8_t*)plaintext );
	Serial.println(micros() - ms);
	
	//Verify output
	for( i = 0; i < 128; i++ ) {
		Serial.printf( "%02x[%c]%c", plaintext[i], (plaintext[i]>31)?plaintext[i]:' ', ((i&0xf)!=0xf)?' ':'\n' );
	}
	Serial.printf( "\n" );
	
	esp_aes_free( &ctx );
}

void setup() {
	// put your setup code here, to run once:
	Serial.begin(115200);
	encodetest();
}

void loop() {
	// put your main code here, to run repeatedly:
}

결과는 다음과 같습니다.

위의 Software AES 와 비슷하게 결과를 내도록 소스를 만들면 확연히 비교할 수 있겠으나, 공부를 더 해야 함.

다만, 최종적인 처리 속도는 결코 아래 결과에서 변하지 않는다는 것을 여러 삽질을 통해 발견했으니 이걸로 만족.

Hardware AES 를 서포트하는 전용 명령어 set 이 최적화가 되지 않아, 이런 결과가 나온 것인지 모르겠네요.

지금으로써는 전용 accelerator 를 사용하지 않고, Software AES 를 구현하는 것이 더 속도적인 이득이 있는 듯 보입니다.

단, 여러가지 일을 동시에 처리해야 할 경우, 암호화/복호화 처리 부분만 따로 분리하여 HW accelerator 를 이용한다면, CPU 부하를 분산시켜 효율적인 활용은 가능할 것 같네요.

FIN

혹시, 위의 Hardware AES 결과가 잘못된 방법으로 검증된 것이라면 댓글로 알려주세요.

esp32_technical_reference_manual_en.pdf

Clock 사이클을 바탕으로 이론적인 계산을 해보면 68ns 레벨이라고, 아래 블로그에서 봤는데, 실측과는 많이 다르군요.

* Pwn the ESP32 crypto-core
    - https://limitedresults.com/2019/08/pwn-the-esp32-crypto-core/

Doing simple math, the HW AES-128 encryption process is 68.75ns (@160MHz).

그렇다고 합니다.

ESP32 에 관한 포스트는 아래를 참고해 주세요.

* Hardware | ESP32 의 internal sensor 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-internal-sensors

* Hardware | ESP32 의 Dual core 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Dual-core

* Hardware | ESP32 스펙 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-spec-check

* Hardware | ESP32 간단 사용기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-simple-review-ESP32

1. PWM

ESP32 에는 PWM (Pulse Width Modulation) 기능이 들어가 있습니다.

LED 의 dimming (밝기) 조절이나, LCD panel 의 색조절 등에 사용되는 기법입니다.

일전에 8x8 LED matrix 를 다양한 색을 표현하기 위해, PWM 을 구현해 주는 전용 보드를 사용해서 확인해 본 적이 있습니다.

* Hardware | 8x8 LED matrix 와 Colorduino 이용해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-8x8-LED-matrix-Colorduino

이반적인 Arduino 에는 이 기능이 기본 내장이 아닌지라, PWM 을 구현하려면 대응 보드를 사용해야 하는 번거로움이 존재합니다.

그치만, ESP32 는 기본 내장이에요!

PWM 을 통한 활용은 LED 뿐 만 아니라, step motor 난 piezo speaker 등에서도 활용할 수 있습니다.

기본 동작은 높은 주파수를 통해, on/off 를 해주는 시간 (duty) 를 변경하면서 조절하는 방법입니다.

당연히 duty 가 길면 길수록 밝기가 세다거나, 지속적인 동작을 보여주는 원리 입니다.

LED, Step motor, 그리고 Piezo 스피커를 작동시키는 동작원리와 완벽히 같습니다.

2. 코딩

지금까지 몇 번 봐왔던 원리인지라, 바로 코딩에 들어가 봅니다. 참조한 사이트는 아래 입니다.

* ESP32 PWM Example
    - https://circuits4you.com/2018/12/31/esp32-pwm-example/

PWM 을 구현하기 위한 명령어는 라이브러리에 준비되어 있으니, 그냥 사용해 줍니다.

* ledcSetup(PWM_Channel_Number, Frequency, resolution)

- Pass three arguments as an input to this function, channel number, frequency and the resolution of PWM channel at inside the setup function only.

* ledcAttachPin(GPIO_PIN , CHANNEL)

- Two arguments. One is the GPIO pin on which we want to get the OUTPUT of signal and second argument is the channel which we produce the signal.

* ledcWrite(CHANNEL, DUTY_CYCLE)

- ledcWrite function is used to generate the signal with a duty cycle value.

ledcSetup 과 ledcAttachPin 은 setup() 에서, 실제 구동은 loop() 에서 ledcWrite 를 사용합니다. digitalWrite 와 비슷하죠.

// Generates PWM on Internal LED Pin GPIO 2 of ESP32
#define LED 2 //On Board LED

int brightness = 0; // how bright the LED is
int fadeAmount = 5; // how many points to fade the LED by

// setting PWM properties
const int freq = 5000;
const int ledChannel = 0;
const int resolution = 10; // Resolution 8, 10, 12, 15

void setup() {
	Serial.begin(115200);
	pinMode(LED, OUTPUT);
	
	// configure LED PWM functionalitites
	ledcSetup(ledChannel, freq, resolution);
	
	// attach the channel to the GPIO2 to be controlled
	ledcAttachPin(LED, ledChannel);
}

void loop() {
	// PWM Value varries from 0 to 1023
	Serial.println("10 % PWM");
	ledcWrite(ledChannel, 102);
	delay(2000);
	
	Serial.println("20 % PWM");
	ledcWrite(ledChannel,205);
	delay(2000);
	
	Serial.println("40 % PWM");
	ledcWrite(ledChannel,410);
	delay(2000);
	
	Serial.println("70 % PWM");
	ledcWrite(ledChannel,714);
	delay(2000);
	
	Serial.println("100 % PWM");
	ledcWrite(ledChannel,1024);
	delay(2000);
	
	// Continuous Fading
	Serial.println("Fadding Started");
	while(1) {
		// set the brightness of pin 2:
		ledcWrite(ledChannel, brightness);
		
		// change the brightness for next time through the loop:
		brightness = brightness + fadeAmount;
		
		// reverse the direction of the fading at the ends of the fade:
		if (brightness <= 0 || brightness >= 1023) {
			fadeAmount = -fadeAmount;
		}
		
		// wait for 30 milliseconds to see the dimming effect
		delay(10);
	}
}

3. LED_BUILTIN

실제 동작 동영상은 다음과 같습니다.

4. 오실로스코프 확인

* ESP32 PWM with Arduino IDE (Analog Output)
    - https://randomnerdtutorials.com/esp32-pwm-arduino-ide/

소스 코드는 다음과 같습니다.

// the number of the LED pin
const int ledPin = 16;  // 16 corresponds to GPIO16
const int ledPin2 = 17; // 17 corresponds to GPIO17
const int ledPin3 = 5;  // 5 corresponds to GPIO5

// setting PWM properties
const int freq = 5000;
const int ledChannel = 0;
const int resolution = 8;
 
void setup() {
	// configure LED PWM functionalitites
	ledcSetup(ledChannel, freq, resolution);
	
	// attach the channel to the GPIO to be controlled
	ledcAttachPin(ledPin, ledChannel);
	ledcAttachPin(ledPin2, ledChannel);
	ledcAttachPin(ledPin3, ledChannel);
}

void loop() {
	// increase the LED brightness
	for(int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++) {
		// changing the LED brightness with PWM
		ledcWrite(ledChannel, dutyCycle);
		delay(15);
	}
	
	// decrease the LED brightness
	for(int dutyCycle = 255; dutyCycle >= 0; dutyCycle--) {
		// changing the LED brightness with PWM
		ledcWrite(ledChannel, dutyCycle);
		delay(15);
	}
}

3개의 LED 에 PWM 을 거는 소스 입니다.

2개 pin 에는 실제로 LED 를 연결해서 dimming 을 확인하고, 나머지 하나의 pin 에는 오실로스코프를 연결하여 파형을 확인해 봅니다.

이론과 실험이 만나는 동영상 입니다.

당연히 이렇게 될 것이라 알지만, 너무 이쁘게 그래프가 나와서 조금 놀랬습니다. Frequency 와 Duty 값이 정확하게 측정되는 군요.

ESP32 의 PWM 기능은 완벽하군요.

5. Piezo 연결

원리는 같으나, 눈으로 보면 다르게 느껴지는 Piezo 스피커도 확인해 보았습니다. 아래 링크를 참조하였습니다.

* ESP32 Arduino: Controlling a buzzer with PWM
    - https://techtutorialsx.com/2017/07/01/esp32-arduino-controlling-a-buzzer-with-pwm/

PWM 동작하는 GPIO 하나 잡아서 연결하면 됩니다.

저는 piezo 를 D4 = GPIO4 에 연결했습니다.

int freq = 2000;
int channel = 0;
int resolution = 8;
  
void setup() {
	Serial.begin(115200);
	ledcSetup(channel, freq, resolution);
	ledcAttachPin(4, channel);
}
  
void loop() {
	ledcWriteTone(channel, 2000);
	for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle = dutyCycle + 10) {
		Serial.println(dutyCycle);
		ledcWrite(channel, dutyCycle);
		delay(1000);
	}
	
	ledcWrite(channel, 125);
	for (int freq = 255; freq < 10000; freq = freq + 250){
		Serial.println(freq);
		ledcWriteTone(channel, freq);
		delay(1000);
	}
}

처음에는 2000Hz 에서 duty 사이클을 10씩 증가하는 소리이고,

그 다음은 duty 를 125로 고정한 다음, 주파수만 바꿔가면서 소리를 내는 소스 입니다.

FIN

지금까지 ESP32 의 내부 기능들을 확인해 봤습니다.

확인하지 않고 남아있는 기능들이 Deep Sleep 과 Hardware Acceleration (Cryptographic) 정도가 남았네요.

지금까지 ESP32 에 대한 글은 아래 링크들에서 확인해 보세요.

* Hardware | ESP32 의 Dual core 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-Dual-core

* Hardware | ESP32 스펙 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-spec-check

* Hardware | ESP32 간단 사용기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-simple-review-ESP32

이번 글은, ESP32 에 내장된 센서들에 관한 이야기 입니다.

1. 온도 센서

첫 번째로 온도센서에 대해 확인해 봅니다.

내장 센서이다 보니, 회로를 구성할 필요 없이, internal 값만 찾아서 확인해 보면 됩니다.

아래는 소스 입니다.

/* 
 *  ESP32 Internal Temperature Sensor Example
 */
 
 #ifdef __cplusplus
  extern "C" {
 #endif
 
  uint8_t temprature_sens_read();
 
#ifdef __cplusplus
}
#endif
 
uint8_t temprature_sens_read();
//====================================================
//         Setup
//====================================================
void setup() {
  Serial.begin(115200);
}
 
//====================================================
//         Loop
//====================================================
void loop() {
  Serial.print("Temperature: ");
  
  // Convert raw temperature in F to Celsius degrees
  Serial.print((temprature_sens_read() - 32) / 1.8);
  Serial.println(" C");
  delay(1000);
}

내부 함수 "temprature_sens_read()" 를 사용하여 내부 온도 센서 값을 읽어오는 루틴 입니다.

음? 뭔가 이상하군요. 계속 53.33 도씨만을 리턴합니다. 구글링 해봅니다.

* ESP32 internal temperature sensor not working #2422

- https://github.com/espressif/arduino-esp32/issues/2422

아... CPU 버전업 되면서, 온도센서가 없어졌네요. -_-;

어쩐지, 예전 CPU diagram 에는 온도센서가 존재하지만,

최신 spec. 문서에는 Temperature sensor 가 없어지고, Embedded Flash 가 대신 들어가 있습니다.

그리하여, Internal temperature sensor 의 값을 불러오면, 정해진 값 - 128 - 만 리턴하게 만들어 진 것을 확인할 수 있었습니다.

2. Hall 센서

자력을 측정하는 센서 입니다. 보통 전류 센서에도 붙어 있죠.

Examples > ESP32 > HallSensor

소스를 보면, "hallRead()" 를 통해서 자력 값을 읽을 수 있습니다.

//Simple sketch to access the internal hall effect detector on the esp32.
//values can be quite low. 
//Brian Degger / @sctv  

int val = 0;
void setup() {
	Serial.begin(115200);
}

void loop() {
	// put your main code here, to run repeatedly:
	val = hallRead();
	// print the results to the serial monitor:
	// Serial.print("sensor = ");
	Serial.println(val); // to graph
	
	delay(50);
}

마침 가지고 있던 네오디뮴 자석으로 확인해 봅니다.

양의 값 (+) 와 음의 값 (-) 이 잘 읽힙니다.

개인적으로는 이 센서가 ESP32 에 필요한 이유는 잘 모르겠습니다. 누가 아시는 분은 댓글로 남겨 주세요.

동영상도 올려 봅니다.

3. 터치 센서

ESP32 에는 터치 센싱을 하는 pin 이 10 개 달려 있습니다.

마찬가지로, 왜 이리 touch sensor 를 많이 가지고 있는지 의문이지만, 스펙상으로는 10개 입니다.

스펙 문서에는 10개로 되어 있지만, Pinheader 로는 9개만 보이네요.

아래처럼 터치를 읽어들이는 소스가 기본 제공됩니다.

Examples > ESP32 > Touch > TouchRead

이미 "touchRead()" 라는 함수가 라이브러리에 준비되어 있군요.

// ESP32 Touch Test
// Just test touch pin - Touch0 is T0 which is on GPIO 4.

void setup() {
	Serial.begin(115200);
	delay(1000); // give me time to bring up serial monitor
	Serial.println("ESP32 Touch Test");
}

void loop() {
	Serial.println(touchRead(T0)); // get value using T0
	delay(1000);
}

결과는 다음과 같이 표시 됩니다. 터치되지 않은 상태는 95 정도이고, 해당 pin 을 손으로 만지면 10 이하로 내려갑니다.

해당 pin 을 터치했을 때, 내장 LED 의 불을 켜주는 소스 입니다. touchRead 의 기준 값은 50 으로 설정되어 있습니다.

// ESP32 Touch Test
// Just test touch pin - Touch0 is T0 which is on GPIO 4.

int LED_BUILTIN = 2;

void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  
  Serial.begin(115200);
  delay(1000); // give me time to bring up serial monitor
  Serial.println("ESP32 Touch Test");
}

void loop() {
  int x = 0;
  Serial.println( x = touchRead(T0) ); // get value using T0
  //delay(1000);
  
  if( x < 50 ) {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
    Serial.println("Turn on LED");
    delay(500);
  } else {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
    Serial.println("Turn off LED");
    delay(500);
  }
}

주의할 것은, LED_BUILTIN 값은 보통 arduino 들은 자동으로 잡아 주지만, IDE 에서 board 선택을 ESP32 Dev Module 로 하면 제대로 동작하지 않습니다. 아마 DOIT ESP32 DEVKIT V1 은 LED_BUILTIN 이 정의되어 있지만, ESP32 Dev Module 은 해당 정의가 없는 듯 합니다.

ESP32 의 내장 LED 는 digital pin 2 이므로, "int LED_BUILTIN = 2" 를 선언해 주면 됩니다.

동영상도 올려 봅니다.

FIN

Arduino 와 비교하여 CPU 도 넘사벽이지만, 내장 센서도 다채롭게 구비되어 있는 ESP32 테스트 해 봤습니다.

다음 글에서는 ESP32 의 PWM 기능에 대해 확인해 보도록 하겠습니다.

ESP32 대한 지금까지 글은 아래 포스팅들을 참고해 주세요.

* Hardware | ESP32 스펙 확인해 보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP32-spec-check

* Hardware | ESP32 간단 사용기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-simple-review-ESP32

1. Dual core 활용에 앞서

ESP32 의 최장점 중 하나인, dual core 활용에 앞서 개념적인 이야기들이 조금 필요하다고 생각되었다.

그 이유는, 제가 dual core 활용을 이해하고 실행해 보기까지 삽질한 흔적들을 공유하기 위해서 이다.

아직 100% 맞는 이야기 인지는 확신이 들지 않지만, 대략 문제는 없어 보이니, 서두를 조금 길게 하겠다.

2. Arduino IDE 와 ESP-IDF

우선 ESP32 에 프로그램을 올리기 위해서는 coding 하는 환경이 필요한데, 이 개발환경이 ESP-IDF 이다.

보통 ESP-IDF framework 라 부른다.

다만, 우리가 친숙한 Arduino IDE 환경에서도 개발할 수 있도록, Arduino IDE 의 Arduino Core 가 ESP-IDF 를 포함하고 있다.

말하자면, ESP-IDF 의 간편한 interface 인 셈이다.

살짝 다른 이야기 이지만, 위의 글에서도 설명 되어 있 듯, ESP32 세계에서 이야기 하는 firmware 는, 흔히 OS 기저에 존재하는 HW/OS 사이를 interfacing 해주는 미들웨어가 아니라, 구동 프로그램 자체를 이야기 한다. 헷갈리지 말자.

이 용어의 혼란 때문에, ESP32 의 firmware 를 업데이트 하고자 답도 없는 웹페이지들을 읽어댓다.

3. ESP-IDF FreeRTOS

그럼 자주 등장하는 FreeRTOS 는 도대체 뭔가?

* Quality RTOS & Embedded Software
    - https://www.freertos.org/a00106.html

이름의 약자 부분이 "RTOS - Real Time OS" 인 실시간 처리를 위한 OS이고, 그 중에 가장 유명한 open source 인 RTOS 를 뜻한다.

결국, 아래 발췌한 문구에서 볼 수 있 듯, ESP-IDF framework 는 이 FreeRTOS 실시간 운영 체제를 기반으로 하고 있다.

The ESP-IDF FreeRTOS is a modified version of vanilla FreeRTOS which supports symmetric multiprocessing (SMP).

이 FreeRTOS 덕에, 이 글의 목적인 dual core 를 활용할 수 있게 된 것이다.

처음엔 ESP32 는 Arduino + WiFi 정도로 생각하고 덤볐는데, 완전 deep 하게 들어온 듯 하다.

상하 관계를 정리하면, FreeRTOS + Components > ESP-IDF > Arduino Core > Arduino IDE 되겠다.

AWS 에서도 MQTT 를 위해 FreeRTOS 서비스를 지원하고 있지만, 아래 그림에서 보면 살짤 달라 보인다.

ESP32 에서는 ESP-IDF 하위 layer 에 FreeRTOS 가 위치하지만, AWS FreeRTOS 는 ESP-IDF 상위에 자리하고 있다.

4. SMP

ESP32 에서 dual core 는 CPU 0 - Protocol CPU (PRO_CPU) 와 CPU 1 - Application CPU (APP_CPU)두 가지로 정의되어 사용된다.

보통, PRO_CPU 는 백그라운드 작업이나 WiFi 인터페이싱 쪽을, APP_CPU 는 어플리케이션 쪽에 우선 순위를 둬서 동작하게 된다.

그러다 보니, APP_CPU 는 항상 바쁘고, PRO_CPU 는 많은 시간 놀게 되는, 좋지 않은 효율을 보일 수 있다.

Arduino IDE 에서 코딩하게 되면, setup() / loop() 는 CPU 1 에서 실행되고, 무선관련 동작은 CPU 0 에서 실행된다고 한다.

효율이 좋지 않다고 하더라도, 엄연한 dual core architecture 이며, memory 와 cache 및 외부기기 접근을 공유한다.

Core 이름에서도 알 수 있듯, 통신에 관한 background 처리는 CPU 0 에서 처리하고, 어플리케이션은 CPU 1 에서 하려고 하기 때문에, 효율 좋게 동작할 수 있도록 아래와 같이 CPU core 지정 명령어를 구비해 놓았습니다.

|------------------------------------------------------------------|
| instruction               | meaning                              |
|------------------------------------------------------------------|
| xTaskCreate()             | for single core tasks                |
| xTaskCreatePinnedToCore() | for assigning tasks to specific core |
| xTaskCreateUniversal()    | for making cores used evenly         |
|------------------------------------------------------------------|

Single core 에는 "xTaskCreate()" 를 사용하고, 특정 core 에 할당하고 싶을 때에는 "xTaskCreatePinnedToCore()" 을 사용합니다.

Core 수를 확인하여, core 갯수에 알맞게 task 를 할당하는 것이 "xTaskCreateUniversal()" 입니다.

우리는 core 를 편중되지 않고, 조금 강제적으로 균등하게 사용하기 위해 "xTaskCreatePinnedToCore()" 을 사용할 껍니다.

참고로, 함수의 첫번째 부분에 표시되는 "x..." 는 FreeRTOS 네이티브 명령어를 지정하는 것이라 하네요.

5. Source 기본 구조

void task1(void *pvParameters) {
	while (1) {
		...
		...
		delay(10);
	}
}

void task2(void *pvParameters) {
	while (1) {
		...
		...
		delay(10);
	}
}

portTickType delay_10 = 10 / portTICK_RATE_MS;

...
		vTaskDelay(delay_10);
...

void setup() {
	Serial.begin(115200);
	delay(50); // wait for initialization
	
	xTaskCreatePinnedToCore(
		task1,
		"task1",
		8192,
		NULL,
		1,
		NULL,
		PRO_CPU_NUM
	);
	
	xTaskCreatePinnedToCore(
		task2,
		"task2",
		8192,
		NULL,
		0,
		NULL,
		APP_CPU_NUM
	);
}

void loop() {
}

portTickType delay_10 = 10 / portTICK_RATE_MS;
int countX = 0;

void task1(void *pvParameters) {
	while (1) {
		for ( int i = 0 ; i < 1000 ; i++ ) {
			pow(2, i);
		}
		countX++;
		vTaskDelay(delay_10);
	}
}
 
void setup() {
	Serial.begin(115200);
	delay(50); // wait for initialization
	
	xTaskCreatePinnedToCore(
		task1,
		"task1",
		8192,
		NULL,
		1,
		NULL,
		PRO_CPU_NUM
	);
}
 
void loop() {
	Serial.println(countX);
	delay(100);
}

2의 1000 승이 완료되면 countX 에 1을 증가하는 방식으로, 일정한 시간 동안 Single 과 Dual 의 계산량 차이를 보기 위한 것입니다.

int countX = 0;

...

		for ( int i = 0 ; i < 1000 ; i++ ) {
			pow(2, i);
		}
		countX++;
...

void loop() {
	Serial.println(countX);
	delay(100);
}

...

	xTaskCreatePinnedToCore(
		task1,
		"task1",
		8192,
		NULL,
		1,
		NULL,
		PRO_CPU_NUM
	);

...

portTickType delay_10 = 10 / portTICK_RATE_MS;
int countX = 0;

void task1(void *pvParameters) {
	while (1) {
		for ( int i = 0 ; i < 1000 ; i++ ) {
			pow(2, i);
		}
		countX++;
		vTaskDelay(delay_10);
	}
}

void task2(void *pvParameters) {
	while (1) {
		for ( int i = 0 ; i < 1000 ; i++ ) {
			pow(2, i);
		}
		countX++;
		vTaskDelay(delay_10);
	}
}
 
void setup() {
	Serial.begin(115200);
	delay(50); // wait for initialization
	
	xTaskCreatePinnedToCore(
		task1,
		"task1",
		8192,
		NULL,
		1,
		NULL,
		PRO_CPU_NUM
	);
 
	xTaskCreatePinnedToCore(
		task2,
		"task2",
		8192,
		NULL,
		1,
		NULL,
		APP_CPU_NUM
	);
}
 
void loop() {
	Serial.println(countX);
	delay(100);
}

int x = 0;

...
 
void loop() {
  x++;
  Serial.print(x);
  Serial.print("\t");
  Serial.println(countX);
  delay(100);
}

CPU 도 Dual core 에다가 내장 센서, 그리고 Arduino IDE 에서 코딩할 수 있다는 점은 엄청나게 큰 장점일 듯 합니다.

거의 왠만한 프로젝트는 ESP32 하나로 커버 가능할 것 같습니다. EPS32 에 대해 다른 기능들도 차차 알아 보겠습니다.

참고 사이트

- https://www.hackster.io/rayburne/esp32-in-love-with-both-cores-8dd948

- https://www.mgo-tec.com/blog-entry-ledc-pwm-arduino-esp32.html/2

- https://qiita.com/makotaka/items/dd035f4b2db94f87b63c

- https://lang-ship.com/blog/work/esp32-freertos-l03-multitask/

- https://techtutorialsx.com/2017/05/16/esp32-dual-core-execution-speedup/