초코볼의 inside Tech

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/

1. ESP32 specification

ESP32 는 ATmega328 베이스의 arduino 보다는 훨씬 많은 성능을 가지고 있습니다.

거기에 더하여 ESP32 자체도 버전이 조금씩 달라, 구입 후 실적용 전에 spec. 을 확인해 보는 것이 중요하다고 합니다.

2. 참조 사이트

내부 스펙에 대해 확인할 수 있는 글을 발견하여 소개된 소스를 실행해 봤습니다.

* mgo-tec電子工作
    - https://www.mgo-tec.com/blog-entry-chip-info-esp-wroom-32-esp32.html

* ESP32-WROOM-32
    - https://ht-deko.com/arduino/esp-wroom-32.html

위에서 참조한 사이트의 소스를 그냥 실행하니, 동작은 하지만 compile 시 warning 이 뜨더군요.

...
 //Internal RAM
uint32_t getHeapSize(); //total heap size
uint32_t getFreeHeap(); //available heap
uint32_t getMinFreeHeap(); //lowest level of free heap since boot
uint32_t getMaxAllocHeap(); //largest block of heap that can be allocated at once

the esp.h file: https://github.com/espressif/arduino-esp32/blob/80c110ece70b179ddfe686e8ee45b6c808779454/cores/esp32/Esp.h
...

* Miscellaneous System APIs
    - https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/v3.2.3/api-reference/system/system.html

API 사이트가 잘 만들어져 있습니다.

화면의 왼쪽 밑부분의 버전을 클릭하면, 원하는 version 의 API 문서로 옮겨갈 수 있게 되어 있습니다.

제가 사용하고 있는 ESP-IDF 버전이 v3.2.3-14 이므로, API 문서에서 v3.2.3 을 선택해서 확인 했습니다.

CPU 의 모델과 revision, 그리고 CPU core 갯수 까지 확인 할 수 있습니다.

사용하고 있는 ESP-IDF 버전 확인 명령어 입니다.

위에서 잠깐 언급한 EFUSE 확인용 커멘드 입니다.

확인해 보면, 기기의 기본 MAC 주서는 WiFi Station MAC 주소와 동일하다는 것을 알 수 있습니다. WiFi Station MAC 정보는 세상에서 유일하니, 기기의 유일성을 WiFi Station MAC 로 정의해도 문제는 없겠네요.

WiFi / WiFi Software AP / Bluetooth / Ethernet 의 MAC 주소는 다음과 같은 API 로 정보를 확인 할 수 있습니다.

최종 사용된 API 들 입니다.

	ESP.getEfuseMac()
	ESP.getChipRevision()
	esp_chip_info_t
	esp_chip_info
	ESP.getCpuFreqMHz()
	ESP.getFlashChipSize()
	ESP.getFlashChipSpeed()
	esp_get_idf_version()
	ESP.getHeapSize()
	ESP.getFreeHeap()
	ESP.getMinFreeHeap()
	ESP.getMaxAllocHeap()
	esp_efuse_mac_get_default()
	esp_read_mac(array, ESP_MAC_WIFI_STA)
	esp_read_mac(array, ESP_MAC_WIFI_SOFTAP)
	esp_read_mac(array, ESP_MAC_BT)
	esp_read_mac(array, ESP_MAC_ETH)

5. sketch

참조한 사이트와 ESP-IDF v3.2.3 용으로 조금 바꾼 소스 입니다.

void setup(void) {
	Serial.begin(115200);
	
	uint64_t chipid;
	chipid=ESP.getEfuseMac(); // The chip ID is essentially its MAC address(length: 6 bytes)
	Serial.printf("ESP32 Chip ID = %04X", (uint16_t)(chipid>>32)); // print High 2 bytes
	Serial.printf("%08X\n", (uint32_t)chipid); // print Low 4bytes
	Serial.println("---------------------------------");
	
	Serial.printf("Chip Revision %d\n", ESP.getChipRevision());
	esp_chip_info_t chip_info;
	esp_chip_info(&chip_info);
	Serial.printf("Number of Core: %d\n", chip_info.cores);
	Serial.printf("CPU Frequency: %d MHz\n", ESP.getCpuFreqMHz());  
	Serial.println();
	
	Serial.printf("Flash Chip Size = %d byte\n", ESP.getFlashChipSize());
	Serial.printf("Flash Frequency = %d Hz\n", ESP.getFlashChipSpeed());
	Serial.println();
	
	Serial.printf("ESP-IDF version = %s\n", esp_get_idf_version());
	Serial.println();
	
	Serial.printf("Total Heap Size = %d\n", ESP.getHeapSize());
	Serial.printf("Free Heap Size = %d\n", ESP.getFreeHeap());
	Serial.printf("Lowest Free Heap Size = %d\n", ESP.getMinFreeHeap());
	Serial.printf("Largest Heap Block = %d\n", ESP.getMaxAllocHeap());
	Serial.println();
	
	uint8_t mac0[6];
	esp_efuse_mac_get_default(mac0);
	Serial.printf("Default Mac Address = %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\r\n", mac0[0], mac0[1], mac0[2], mac0[3], mac0[4], mac0[5]);
	
	uint8_t mac3[6];
	esp_read_mac(mac3, ESP_MAC_WIFI_STA);
	Serial.printf("[Wi-Fi Station] Mac Address = %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\r\n", mac3[0], mac3[1], mac3[2], mac3[3], mac3[4], mac3[5]);
	
	uint8_t mac4[7];
	esp_read_mac(mac4, ESP_MAC_WIFI_SOFTAP);
	Serial.printf("[Wi-Fi SoftAP] Mac Address = %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\r\n", mac4[0], mac4[1], mac4[2], mac4[3], mac4[4], mac4[5]);
	
	uint8_t mac5[6];
	esp_read_mac(mac5, ESP_MAC_BT);
	Serial.printf("[Bluetooth] Mac Address = %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\r\n", mac5[0], mac5[1], mac5[2], mac5[3], mac5[4], mac5[5]);
	
	uint8_t mac6[6];
	esp_read_mac(mac6, ESP_MAC_ETH);
	Serial.printf("[Ethernet] Mac Address = %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\r\n", mac6[0], mac6[1], mac6[2], mac6[3], mac6[4], mac6[5]);
}
 
void loop() {
	
}

결과 입니다.

이정도면, 사용되는 ESP32 가 어떤 상황인지 알 수 있을 것 같습니다.

6. RESET

소스를 ESP32 에 처음 업로드 하면, Serial Monitor 에 정보가 표시되지 않습니다.

이럴 때에는 "RESET" 버튼을 누르면 reboot 되면서 진행이 됩니다.

RESET 버튼을 누르고 reboot 이 되면, 부팅 시퀀스를 볼 수 있습니다.

MCU 가 arduino nano 와 완전 다른 차원이다 보니, 기본 스펙 파악도 중요하네요.

일전에 ESP-01 (ESP8266) 을 가지고 IoT 환경을 꾸며 봤습니다.

* Hardware | CO2 센서인 MH-Z14A 를 활용해 보자
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-CO2-sensor-MH-Z14A

ESP-01 은, WiFi 모듈로는 초기형이고, 그 이후에 업그레이드 된 모듈들이 많이 출시 되었습니다.

그 다음으로 많이 사용하는 WiFi 모듈은 "ESP32" 인 듯 합니다.

1. ESP32

구매합니다.

* ESP32 ESP-32 ESP32S ESP-32S CP2102 Wireless WiFi Bluetooth Development Board Micro USB Dual Core Power Amplifier Filter Module
    - https://www.aliexpress.com/item/32928267626.html

잘 도착 했습니다.

2. 외형

Arduino nano 의 경우, MCU 가 ATmega328 였지만, ESP32 는 MCU + WiFi + Bluetooth + ... 가 chip 하나에 모두 들어간 형태 입니다.

ESP-WROOM-32 라고 적힌 철판 밑에 MCU 가 자리잡고 있을 듯 합니다.

USB interface 는 Silicon Labs 사의 CP2102 이군요. WiFi 접근에 따로 FTDI 같은 어뎁터를 경유할 필요가 없습니다.

뒷면에는 ESP32 DEVKIT V1 이라고 적혀 있네요.

3. MCU

MCU 의 logic diagram 입니다. 몇 가지 재미있는 부분들이 보이네요. 센서 내장이라던지... (센서에 환장한 人)

이 chip 의 naming 을 통해서도 spec. 을 알 수 있습니다.

데이터 쉬트 입니다.

esp32_datasheet_en.pdf

간단히 ESP8266 (ESP-01) 과 비교 테이블을 만들어 봤습니다.

|------------------------------------------------------------------------------------|
|                       | ESP8266                     | ESP32                        |
|------------------------------------------------------------------------------------|
| release Year          | 2014                        | 2016                         |
| Processor             | Tensilica L106 32-bit       | Xtensa Dual-core 32-bit LX6  |
|                       | single core micro controller| microprocessor with 600 DMIPS|
| Typical Frequency     | 80 MHz                      | 160 MHz                      |
| Co-processor          | no                          | ULP                          |
| ROM                   | no                          | 448 kB                       |
| SRAM                  | 160kB                       | 520 kB                       |
| RTC RAM               | 768 Bytes                   | 8kB slow + 8kB fast          |
| QSPI flash/SRAM       | up to 1 x 16 MB             | up to 4 x 16 MB              |
| GPIOs                 | 17                          | 36                           |
| Wi-Fi                 | HT20                        | HT40                         |
| Bluetooth             | no                          | Bluetooth 4.2 and BLE        |
| Ethernet              | no                          | 10/100 Mbps                  |
| ADC                   | 10 bit                      | 12 bit                       |
| DAC                   | no                          | 2 x 8 bit                    |
| Touch sensor          | no                          | 10                           |
| Temperature Sensor    | no                          | yes                          |
| Security              | no                          | Secure boot Flash encryption |
|                       |                             | 1024-bit OTP                 |
| Crypto                | no                          | AES, SHA-2, RSA, ECC, RNG    |
| SPI                   | 2                           | 4                            |
| I2C                   | 1 (soft)                    | 2                            |
| I2S                   | 2                           | 2                            |
| UART                  | 2 (1 1/2 actually)          | 3                            |
| ADC                   | 1 (10-bit)                  | 18 (12-bit)                  |
| DAC                   | no                          | 2 (8-bit)                    |
| PWM Pins              | 8 Software                  | 1 Hardware / 16 software     |
| SDMMC                 | no                          | yes                          |
| RMT (remote control)  | no                          | yes                          |
| Temperature sensor    | no                          | yes                          |
| Hall sensor           | no                          | yes                          |
| Low Power Consumption | 20uA                        | 10uA deep sleep              |
| Power supply          | 2.5V to 3.6V                | 2.3V to 3.6V                 |
|------------------------------------------------------------------------------------|

생산 업체가 이야기하는 가장 큰 특장점은 아래 5 가지로 정리할 수 있겠습니다.

- Dual-core 32-bit microprocessor

- 2.4 GHz Wi-Fi and Bluetooth combo chip
- TSMC low power 40nm lithography technology
- Best power performance and RF performance
- Robustness, versatility and reliability

Pin out 정보 입니다. 기존 arduino nano 나 ESP-01 과는 차원이 다른 구성입니다.

이거 하나면 왠만한거 다 할 수 있겠네요.

* Hardware | FTDI Serial Adapter 를 사용해 보자
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-FTDI-FT232RL-using

드라이버가 정상적으로 설치되면, 아래와 같이 포트가 인식됩니다.

5. Arduino IDE - Board Manager

Additional Board Manager URLs 에 ESP32 에 관련한 URL 을 등록 합니다.

https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json

그러면, Tools > Board > Boards Manager 에서 관련된 라이브러리를 설치할 수 있게 됩니다.

검색 줄에 esp32 라고 검색하면 esp32 by Espressif Systems 가 뜹니다. 인스톨 해 줍니다.

그러면, Board 선택에서 ESP32 보드가 보이고, 선택할 수 있게 됩니다.

Upload Speed 나 Flash Frequency 등은 나중에 차차 수정하기로 하고, 아까 CP2102 가 할당된 포트를 지정합니다.

이제 준비는 끝났습니다.

6. Blink

File > Examples > 01.Basics > Blink 소스를 업로드 해 줍니다.

/*
  Blink

  Turns an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.

  Most Arduinos have an on-board LED you can control. On the UNO, MEGA and ZERO
  it is attached to digital pin 13, on MKR1000 on pin 6. LED_BUILTIN is set to
  the correct LED pin independent of which board is used.
  If you want to know what pin the on-board LED is connected to on your Arduino
  model, check the Technical Specs of your board at:
  https://www.arduino.cc/en/Main/Products

  modified 8 May 2014
  by Scott Fitzgerald
  modified 2 Sep 2016
  by Arturo Guadalupi
  modified 8 Sep 2016
  by Colby Newman

  This example code is in the public domain.

  http://www.arduino.cc/en/Tutorial/Blink
*/

// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                       // wait for a second
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                       // wait for a second
}

Arduino 기기가 아님에도 불구하고, "LED_BUILTIN" 으로 지정하면, breakout board 상의 LED 를 점등시켜 줍니다.

간단하게 성공해버려 조금 허탈한 감이 있습니다.

7. WiFiScan

ESP-01 을 사용할 때에는, AT command 를 사용해서 직접 컨트롤 했지만, ESP32 는 라이브러리 함수만으로 모든게 컨트롤 가능해 보입니다.

소스가 엄청 짧습니다.

컴파일 끝나고 ESP32 에 업로드 할 때, ESP32 기기와 관련된 정보를 뿌려줘서 캡춰해 봤습니다.

동작 주파수가 240MHz 도 가능하고, 외장 Flash 크기가 4MB 군요!

esptool.py v2.6
Serial port COM8
Connecting.....
Chip is ESP32D0WDQ6 (revision 1)
Features: WiFi, BT, Dual Core, 240MHz, VRef calibration in efuse, Coding Scheme None
MAC: 24:6f:28:a1:af:8c
Uploading stub...
Running stub...
Stub running...
Changing baud rate to 921600
Changed.
Configuring flash size...
Auto-detected Flash size: 4MB
Compressed 8192 bytes to 47...

Writing at 0x0000e000... (100 %)
Wrote 8192 bytes (47 compressed) at 0x0000e000 in 0.0 seconds (effective 5461.3 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 15856 bytes to 10276...

Writing at 0x00001000... (100 %)
Wrote 15856 bytes (10276 compressed) at 0x00001000 in 0.1 seconds (effective 953.7 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 623776 bytes to 372912...

Writing at 0x00010000... (4 %)
Writing at 0x00014000... (8 %)
Writing at 0x00018000... (13 %)
Writing at 0x0001c000... (17 %)
Writing at 0x00020000... (21 %)
Writing at 0x00024000... (26 %)
Writing at 0x00028000... (30 %)
Writing at 0x0002c000... (34 %)
Writing at 0x00030000... (39 %)
Writing at 0x00034000... (43 %)
Writing at 0x00038000... (47 %)
Writing at 0x0003c000... (52 %)
Writing at 0x00040000... (56 %)
Writing at 0x00044000... (60 %)
Writing at 0x00048000... (65 %)
Writing at 0x0004c000... (69 %)
Writing at 0x00050000... (73 %)
Writing at 0x00054000... (78 %)
Writing at 0x00058000... (82 %)
Writing at 0x0005c000... (86 %)
Writing at 0x00060000... (91 %)
Writing at 0x00064000... (95 %)
Writing at 0x00068000... (100 %)
Wrote 623776 bytes (372912 compressed) at 0x00010000 in 5.3 seconds (effective 933.3 kbit/s)...
Hash of data verified.
Compressed 3072 bytes to 128...

Writing at 0x00008000... (100 %)
Wrote 3072 bytes (128 compressed) at 0x00008000 in 0.0 seconds (effective 2234.2 kbit/s)...
Hash of data verified.

Leaving...
Hard resetting via RTS pin...

Serial Monitor 로 확인해 보니, 아래와 같이 주변 access point 들을 보여 줍니다. 음... 넘 쉬운데?!!!

8. 자, 다음...

Dual-core 에 여러 센서까지 복잡하게 갖춘 ESP32 지만, 강력한 라이브러리로 인하여, 쉽게 이용할 수 있다는 것에 놀랐습니다.

또한, WiFi / Bluetooth 가 MCU 에서 지원하니, 따로 모듈을 연결할 필요가 없어, IoT 구현 시, 회로가 간단해 지겠네요.

추가 기능들을 가지고 있으니, 다음 편들에서는 아래 내용들에 대해 확인해 보도록 하겠습니다.

 - Dual-core

 - Sleep Modes
 - OTA Updates
 - OTA Web Updater
 - NTP Server
 - Temp Sensor
 - Touch Sensor
 - Hall Sensor

이 글은 전편이 있습니다.

* Hardware | ESP-01 or ESP8266 사용기 - 1

- http://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP01-or-ESP8266-using-1

이번에는 전편에서 풀지 못했던, ESP8266 chip 을 생산하는 ESPRESSIF SYSTEMS 사의 정식 firmware 를 입혀보는 포스트 입니다.

AI-Thinker 사는 firmware 를 한뭉텅이로 만들어 줘서 쉽게 firmware 를 입혔지만,

ESPRESSIF SYSTEMS 사는 address 라던지 파일 순서와 선택이 중요합니다.

1. ESP8266 adapter

전편에서도 사용했지만, 구매 정보를 올리지 않아서 여기에 기록으로 남깁니다.

* 2PCS For ESP-01 Esp8266 ESP-01S Model Of The ESP8266 Serial Breadboard Adapter To WiFi Transceiver Module Breakout UART Module

- https://www.aliexpress.com/item/Breadboard-Adapter-for-ESP8266-ESP-01-ESP-01S-Wifi-Transceiver-Module-Breakout/32775467213.html

두개 구입했고 1달정도 걸렸던것 같습니다.

기다리는 것이 익숙해 지긴 했지만, 빨리 확인해보고 싶은 경우는 조금 고통스럽네요.

양 다리는 스스로 납땜해야 합니다.

DIY 임을 명확하게 인지시켜주는 제품입니다.

DIY MORE 라는 회사가 눈에 자주 띄네요.

ESP8266 모듈을 끼우면 이렇게 됩니다.

가로를 세로로 변경해주는 방법입니다.

2. Flash Download Tool

그 사이 3.6.5 로 버전업을 했습니다.

* ESPRESSIF > Support > Download > Tools

- https://www.espressif.com/en/support/download/other-tools

아무래도 새로운 버전을 사용하는게 좋겠죠?

그리고 baud rate 도 처음엔 9600 만 사용해야 하는줄 알았는데, 이제는 115200 이 일반화 된것 같습니다.

그래서 요즘 버전들이 지원하는 115200 이상은 큰 문제가 없는듯 합니다.

3. NON-BOOT mode

이제 ESPRESSIF SYSTEMS 에서 내놓은 firmware 를 올려볼 차례 입니다.

여러 버전들이 존재하지만, 단순히 ready 상태를 띄워놓고 프로그래밍 하는 방법과, AT command 를 활용하는 두가지 방법이 있습니다.

우선 NON-BOOT mode 의 firmware 를 올려보겠습니다.

8Mbit = 1MiB 를 지원하는 NON-BOOT 버전은 2.0.0 이 마지막 버전인 듯 합니다.

(다른 버전에는 noboot 라는 디렉토리와 관련된 파일이 아예 없슴)

* ESP8266 NONOS SDK V2.0.0 20160810

- https://www.espressif.com/en/support/download/sdks-demos

- esp8266_nonos_sdk_v2.0.0_16_08_10.zip

위의 압축파일을 풀어보면, "README.md" 파일에 address 정보가 나와 있습니다.

* esp8266_nonos_sdk_v2.0.0_16_08_10\ESP8266_NONOS_SDK\bin\at\README.md

# NON-BOOT MODE
## download
    eagle.flash.bin              0x00000
    eagle.irom0text.bin          0x10000
    blank.bin
        Flash size 8Mbit:        0x7e000 & 0xfe000
        Flash size 16Mbit:       0x7e000 & 0x1fe000
        Flash size 16Mbit-C1:    0xfe000 & 0x1fe000
        Flash size 32Mbit:       0x7e000 & 0x3fe000
        Flash size 32Mbit-C1:    0xfe000 & 0x3fe000
    esp_init_data_default.bin (optional)    
        Flash size 8Mbit:        0xfc000
        Flash size 16Mbit:       0x1fc000
        Flash size 16Mbit-C1:    0x1fc000
        Flash size 32Mbit:       0x3fc000
        Flash size 32Mbit-C1:    0x3fc000

플러쉬 tool 에서 메모리 사이즈에 맞는 파일과 address 를 지정해 주면 됩니다.

저는 8Mbit = 1MiB 플레쉬 메모리 이므로 해당하는 값을 챙깁니다.

위의 설정에서 참고로, "CrystalFreq" 부분을 26M 로 하는 것은, 실제로 ESP8266 에서 26MHz 오실레이터를 사용하기 때문입니다.

플레쉬 회로 구성은 1편에서 자세히 다뤘습니다.

주의할 점은, flashing 할 때에는 아래처럼 "추가 전원" 이 꼭 필요하다는 점 잊지 마시구요.

Flash Download Tools 의 콘솔 화면입니다.

문제 없이 완료되면 위의 그림처럼 보입니다.

putty 로 접속하고, 만들어지 회로에서 RST 버튼을 누르면 아래처럼 ready 상태를 확인할 수 있습니다.

4. BOOT mode

BOOT mode 로 사용하게 되면 AT command 를 통해서 직접 ESP8266 을 컨트롤 할 수 있습니다.

1MiB 짜리 ESP8266 에 대응하는 BOOT mode 의 최신버전은 현재 기준 V2.2.1 인것 같습니다.

V3.0.0 이상으로 올라가면, flash memory 가 1MiB 초과하는 버전만 대응한다고 문서에 나와 있어요.

* ESP8266 NONOS SDK V2.2.1

- https://www.espressif.com/en/support/download/sdks-demos

- ESP8266_NONOS_SDK-2.2.1.zip

아래 AT Instruction Set 문서의 1.2.4 섹션을 보면 8Mbit Flash address 에 대해 나와있습니다.

* ESP8266 AT Instruction Set

- https://www.espressif.com/en/support/download/documents?keys=&field_type_tid%5B%5D=14

- 4a-esp8266_at_instruction_set_en.pdf

위의 정보에서 boot.bin 부분을 boot_v1.6.bin 으로 바꿔서 flashing 하면 됩니다.

물론 동일한 디렉토리에 존재하는 boot_v1.7.bin 도 해봤습니다. 그치만 booting 되면 1.6 으로 뜨더군요.

아마 내부 로직으로 인하여 v1.7 은 overwrite 가 되지 않는것 같습니다.

Flash 잘 되었구요.

동영상도 올려 봅니다.

확인해 보니, 완전 최신으로 업데잇 되었습니다 (얏호~).

그치만 Ai-Thinker 는 web server 가 기본 장착되어 있지만, ESPRESSIF SYSTEMS 의 firmware 에는 없나 봅니다.

IP 를 얻고 접속해 봐도 web page 가 뜨지 않습니다.

FIN

이제 ESP8266 에 대한 firmware 방법은 마스터 한것 같습니다.

다음에는 AT command 활용과 sketch 올리는 법, 그리고 메모리 업그래이드 하는 방법을 시도해 보겠습니다.

1. 시작

아두이노에 연결해서 사용할 수 있는 저가의 Wi-Fi 모듈로는,

유명한 Espressif Systems 사의 ESP8266 와, Ai-Thinker 사의 ESP-01 모듈이 있습니다.

다른 여타 sensor 나 module 처럼 금방 사용할 수 있겠지 하고 덤볐다가, 지옥이 열렸습니다.

* ESP8266

- https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266

저가이면서 Wi-Fi 구성이 된다니, 신기할 따름입니다.

바로 구매하여 확인해 봅니다.

2. 구매

AliExpress 에서 쉽게 검색이 됩니다.

외형이 살짝 다른 두 종류가 있어서 두가지 모두 구입해 봅니다.

한개는 8Mb flash memory 라고 하는군요.

* ESP-01, ESP8266,WIFI module 8Mb flash memory

- https://www.aliexpress.com/item/WIFI-module-ESP-01-ESP8266-8Mb-flash-memory/32733744011.html

* Upgraded version ESP-01 ESP8266 serial WIFI wireless module wireless transceiver ESP01 ESP8266-01

- https://www.aliexpress.com/item/Free-shipping-ESP8266-serial-WIFI-wireless-module-wireless-transceiver/32341788594.html

3. 외형

모양은 이렇게 생겼습니다.

제조사는 다르지만 기본 chip 및 구성은 거의 동일합니다.

위의 그림에서 8Mbit Flash 라는 제품이 밑에 보이는 것인데,

memory chip 두께가 살짝 더 두꺼워 보입니다.

평범한 뒷모습.

4. Pin 배열

Pin out 이 2열로 되어 있어서, 빵판에서 그냥 꼽으면 short 가 발생합니다.

점퍼선으로 연결해도 되지만 깔끔하지 못할 뿐더러 연결시 자꾸 헷갈리기도 합니다.

Wi-Fi 모듈 보드 한쪽이 안테나를 형성하고 있어서,

이렇게 한쪽으로 모두 pin 을 모아야 하는 것은 이해가 갑니다만 빵판에서는 최악입니다.

꽤나 불편합니다.

AliExpress 에서 우연하게 breadboard 에서 편하게 사용할 수 있도록 해주는 adapter 를 발견하였습니다.

* 2PCS For ESP-01 Esp8266 ESP-01S Model Of The ESP8266 Serial Breadboard Adapter To WiFi Transceiver Module Breakout UART Module

- https://www.aliexpress.com/item/Breadboard-Adapter-for-ESP8266-ESP-01-ESP-01S-Wifi-Transceiver-Module-Breakout/32775467213.html

아래는 실재 사용한 사진입니다.

수직을 수평으로 피면서 양쪽으로 pin 들을 분리해주는 

이 adapter 를 사용하면, 이쁘게 양쪽으로 pin 들을 구분해 줍니다.

여러분들도 꼭 구입해 보아요.

5. 먼저 알고 있어야 할 것들 - BAUD RATE

ESP8266 은 쉽게 접근할 수 있는 모듈이 아닙니다.

값싸고 성능이 괜찮은 대신, 문제 없이 구동시키려면 몇 가지 조건이 충족되어야 합니다.

이런 배경지식 없이 덥볐다가 시행착오에 꽤 많은 시간을 쏟아 부어야 했습니다.

거의 모든 ESP8266 모듈들은 공장 출하시 UART serial IO 속도가 115200 으로 정해져 있습니다.

Arduino Mega 와 같이 HW Serial 이 두개면 문제가 없습니다.

단, Arduino Uno/Nano 의 경우, 하나밖에 없는 HW Serial 을 USB 연결용으로 사용해 버리므로 문제가 됩니다.

결국, Arduino Uno/Nano 는 ESP8266 와 SoftwareSerial 로 연결되어야 하나,

SoftwareSerial 은 115200 처럼 높은 baud rate 를 지원하지 않습니다.

그래서 연결하려는 arduino 가 Uno/Nano 라면, BAUD RATE 를 변경해 줄 필요가 있습니다.

다음은 AT 명령어를 이용하여 통신 속도를 변경하는 방법 입니다.

AT+UART_DEF= baudrate , databits , stopbits , parity , flow control

보통 9600 으로 설정시 다음과 같은 명령어를 사용합니다.

AT+UART_DEF=9600,8,1,0,0

여기서 주의할 점은, ESP8266 에 구워진 AT 명령어 firmware 버전에 따라 사용하면 안되는 명령어들이 있습니다.

"AT+CIOBAUD=9600" 나 "AT+IPR=9600" 는 일시적으로만 동작되거나 ESP8266 을 벽돌로 만들어 버릴 수도 있습니다.

그러므로, 항상 최신버전의 AT firmware 를 먼저 굽고 사용해야 합니다.

firmware upgrade 에 대해서는 아래에서 자세하게 다룹니다.

6. 먼저 알고 있어야 할 것들 - 충분한 전류

ESP8266 모듈은 전력을 많이 소비합니다. 250mA 정도는 사용한다고 하네요.

ESP8266 구동에 필요한 3.3V 를 지원하기는 하지만,

200mA 이상 나오지 않는 Nano 의 3.3V 포트에 연결하면 정상적으로 동작하지 않습니다.

전류가 부족해서 나타나는 증상은, LED indicator 가 정상적으로 점멸하지 않다거나,

(아래 사진은 추가 전원을 이용하여 정상적으로 동작하는 모습)

AT 명령어에 대한 response 가 중구난방입니다.

전력을 충분히 공급하는 회로로는 3가지가 있습니다.

하나. arduino + level shifter

Uno 5V 포트는 3.3V 포트에 비해 더 많은 전류를 지원해 주지만,

거의 300mA 에 육박하는 전류를 커버하기 위해서는 외부 전원장치가 필요하므로, 이 방법은 시도해 보지 않았습니다.

둘. 외부 전력 공급장치

아래 보이는 것처럼 외부 전력 공급장치를 사용하는 것입니다.

예전 빵판 구입시 딸려 온 것을 사용해 봤습니다.

* Hardware | MB102 Breadboard Power Supply Module 를 사용해 보자

- http://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-MB102-Breadboard-Power-Supply-Module

셋. FTDI USB 모듈이나 그 호환 모듈

FTDI 나 CP2102 를 사용하면, 중간에 arduino 와 연결할 필요 없이 PC 와 직접 연결이 가능하며,

모듈 자체적으로 3.3V 및 충분한 전류가 공급됩니다.

저 개인적으로는 FTDI 모듈보다 CP2102 가 더 안정적인 동작을 보이는것 같습니다.

참고로 FTDI 일 경우, 장치 관리자에서 단순히 "USB Serial Port" 로 보여서 port 번호를 알 수 없습니다.

(Arduino IDE 를 띄우면 port 정보가 나오기는 함)

이는 Driver install 시에 보면, Driver 2개가 서로 연동 하면서 변경되는 port 정보를 알 필요 없이 만들어주기 위한 방법으로 보입니다만,

저에겐 오히려 귀찮은 방식입니다.

반면 CP2102 일 경우, 포트번호가 표시되므로, putty 를 이용하여 serial 접속시 포트번호를 지정할 수 있습니다.

앞으로 ESP8266 에 관련된 확인은 CP2102 를 가지고 진행하겠습니다.

7. 먼저 알고 있어야 할 것들 - 최신 firmware

AliExpress 를 통해서 구매한 firmware 들은 2015년 이전 버전을 그대로 적용해서 출하하고 있습니다.

Firmware 버전이 너무 낮으면, 대응되는 명령어도 적을 뿐더러 뭔가 많이 불안한 반응을 보입니다.

가능하면 최신 버전으로 flash 해줘야 마음이 편합니다.

Ai-Thinker 사에서 최신 firmware 라고 올라와 있는 것을 간단하게 flash 해서 update 한 결과 입니다.

여기까지 오는데 8개월 걸렸네요.

그렇습니다.

결국 이 ESP8266 을 잘 쓰려면, firmware flash 를 잘 해놓는게 가장 기본이 됩니다.

그러기 위해서는 충분한 전류를 공급하는 전원도 구비해야 하는 것 이구요.

8. 먼저 알고 있어야 할 것들 - flash 파일

Flash 파일은 몇가지 종류와 버전이 존재합니다.

Espressif Systems 사에서 공개한 일반적인 버전의 flash file 과, Ai-Thinker 사가 공개한 flash file 이 있습니다.

오늘 flashing 하려는 것은 Ai-Thinker 사의 Wi-Fi 모듈이므로, 해당 모듈용 최신 파일을 준비합니다.

* ESP8266 最新SDK发布

- http://wiki.ai-thinker.com/esp8266/sdk

- ai-thinker_esp8266_dout_aicloud_v0.0.0.6_20170517.7z

압축을 풀면 몇가지 버전이 나오는데, 저는 8Mbit 인것 같아서, 작은 사이즈의 8Mbit 을 사용합니다.

또한 flashing 할 때, flash file 별로 메모리상의 주소를 지정해 줘야 합니다.

다행히 Ai-Thinker 사는 한 뭉탱이로 flash file 을 만들어 놔서, 주소가 메모리 첫번째 부터 쓰게끔 "0x00000" 을 지정하면 됩니다.

다른 버전과 좀더 복잡한 내용은 다음 post 에서 다루도록 하겠습니다.

(내용이 너무 넘처남...)

9. 먼저 알고 있어야 할 것들 - flash tool

Firmware upgrade 를 위한 flash tool 로는 몇가지가 있지만,

저는 "Espressif Systems" 사에서 공개하고 있는 "FLASH_DOWNLOAD_TOOLS" 가 사용하기 편했습니다.

* FLASH_DOWNLOAD_TOOLS V3.6.4

- flash_download_tools_v3.6.4_0.rar

* FLASH_DOWNLOAD_TOOLS V2.4

- FLASH_DOWNLOAD_TOOLS_v2.4_150924.7z

V3.6.4 에서는 baud rate 가 기본 115200 이상만 지원합니다.

만일 arduino 와 연결을 위해 9600 으로 낮추게 설정 했을 경우에는 firmware 를 upgrage 하기 위해 AT+UART_DEF 를 사용해야 하나,

혹시 그 firmware version 이 낮아서 이 command 를 못 알아먹을 경우에는 방법이 없습니다.

그럴 때에는 version 이 낮아서 조금 찜찜하기는 하나, 9600 을 지원하는 V2.4 를 사용하면 됩니다.

이제 "어떻게" 잘 firmware flash 를 하는지를 알아봐야겠습니다.

10. Firmware flashing 회로

Flashing 을 위한 회로는 몇가지가 있지만, 저는 아래 글을 참고하였습니다.

* Update the Firmware in Your ESP8266 Wi-Fi Module

- https://www.allaboutcircuits.com/projects/update-the-firmware-in-your-esp8266-wi-fi-module/

CH_PD 핀에 전원 인가 시 필히 저항을 달았으며,

RST 에 reset switch 와 GPIO0 에 flash 용 swtich 를 달았습니다.

똑딱이 스위치를 이 회로를 구성하기 위해서 구입했더랬습니다!!!

* Hardware | 스위치 부품 구매하기

- http://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-buying-switch-components

스위치의 사용법은 다음과 같습니다.

1. RST 의 스위치를 누른다.

2. FLASH 의 스위치를 누른다.

3. RST 의 스위치에서 손을 뗀다.

4. FLASH 의 스위치에서 손을 뗀다.

5. Flash program 에서 "시작" 을 누른다.

안정적으로 전원이 공급되므로 LED 가 정상으로 점등, 점멸 합니다.

11. Firmware flashing

굳이 V2.4 을 이용하여 flash 하였습니다.

위에서 열거한 방법을 반복해 보자면, 아래처럼 진행하면 됩니다.

1. RST 의 스위치를 누른다.
2. FLASH 의 스위치를 누른다.
3. RST 의 스위치에서 손을 뗀다.
4. FLASH 의 스위치에서 손을 뗀다.
5. Flash program 에서 "시작" 을 누른다.

여기까지 오는데 8개월이 걸렸습니다.

눈물좀 훔치겠습니다... ㅠ.ㅠ

정상적으로 진행되는 과정의 스샷 입니다. 5% 진행되었을 때 캡춰했네요.

아래는 flash start 누른 후의 화면들을 캡춰 했습니다.

여러가지 확인하는 과정들이 있네요.

동영상으로 떠 봤습니다.

지금 다시 봐도 감격스럽네요.

12. ESP8266 에 console 로 접속하기

PC 에서 console 접속하려면 terminal 어플이 필요합니다.

여기서는 open source 이면서 사용하기 편한 putty 를 이용했습니다.

* Download PuTTY: latest release (0.70)

- https://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/putty/latest.html

이제 문제없이 접속이 되니, putty 를 통해서 serial port 로 연결합니다.

AT 를 치고, Ctrl + M, J 하면 타이핑한 내용이 ESP8266 에 전송되고 그 결과를 보여줍니다.

접속 mode 라던지, 현재 상태, 그리고 집에서 쓰는 Wi-Fi AP 에서 할당받은 IP 를 확인해 봤습니다.

(따로 AT+CWJAP 이라는 command 를 통해서 접속하는 과정이 필요)

위에서 마지막에 나오는 "192.168.123.135" 이 ESP8266 이 할당받은 IP 입니다.

ESP8266 은 내부에 web server 를 탑재하고 있어서 browser 를 통해서도 접속이 가능합니다.

이 외에 여러가지 AT command 들이 있습니다만,

글이 너무너무 길어지기에 오늘은 간단한 결과 들만 올려 봅니다.

(누차 이야기 하지만, 여기까지 오는데 8....)

13. ESP8266 에 web 으로 접속하기

브라우저에서 접속해본 스샷입니다.

몇가지 설정을 web 을 통해서도 수정할 수 있게 되어 있네요.

아래는 web 에서 제공하는 "REBOOT" 버튼을 클릭하고 얻은 결과 입니다.

정상적으로 잘 동작 합니다.

FIN

오랜 시행착오의 시간이 지나갔습니다. (사실 주말 가끔밖에 시간이 안나서...)

ESP8266 은 기능이 다양하고 강력한 대신, 길들여서(?) 사용하기가 여간 까다롭지 않습니다.

배경 지식도 많이 필요하구요.

다른 블로그 글들을 보면, 다들 쉽게 하던데 왜 나는 이렇게 어렵게 하는지 모르겠습니다.

이왕 여기까지 온거, 완벽하지는 않지만 납득이 가는 선까지 정리해 보고자 합니다.

다음 포스트에서는 나머지 이야기들을 정리해 보겠습니다.