微控制器簡介, ESP8266晶片, ESP-XX開發板, NodeMCU開發板, 使用Arduino IDE開發ESP-XX程式, 更新NodeMCU firmware, 使用ESPlorer開發NodeMCU系統, 自訂NodeMCU firmware

1. NodeMCU導論
Revised on October 21, 2020
 微控制器簡介
 ESP8266晶片
 ESP-XX開發板
 NodeMCU開發板
 使用Arduino IDE開發ESP-XX程式
 更新NodeMCU firmware
 使用ESPlorer開發NodeMCU系統
 自訂NodeMCU firmware

2.  輸入單元(Input Unit)
用來接收外在資料的設備，例如:鍵盤、滑鼠、掃瞄器等
 輸出單元(Output Unit)
將電腦內部的資料或運算的結果輸出到外界的設備，例如:螢幕、印表機、喇
叭等
電腦基本架構 1/3
2
控制單元
算術邏輯單元
主記憶體
外部儲存裝置
輸入單元 輸出單元
control bus
address bus
data bus

3.  算術邏輯運算單元(Arithmetic & Logic Unit，ALU )
接收控制單元的命令，從記憶體取得資料作加、減、乘、除等各種算術運算
及大小比較，條件判斷等邏輯判斷工作，然後將處理後的結果存回記憶體
 記憶單元(Memory Unit)
用來儲存程式和資料的地方。內部記體體主要為動態隨機存取記憶
(Dynamic Random Access Memory，DRAM)，外部記憶體主要為硬
碟(Hard Disk)
 控制單元(Control Unit，CU)
負責電腦的輸入、輸出、記憶、運算四大單元的聯繫與控制，由它負責協調
何時、何地，該由哪⼀個裝置進⾏工作
 CU與ALU在設計製造上是放⼀起的，稱為中央處理單元(CPU Central
Processing Unit)
電腦基本架構 2/3
3

4.  位址匯流排(Address Bus)
 在電腦系統中是CPU選擇記憶體儲存位址或I/O裝置埠的管道，像是寄信時
需要⼀個收件⼈地址⼀樣
 資料匯流排(Data Bus)
 資料匯流排在電腦系統中是傳送指令或資料的管道，當我們比喻位址匯流
排上的編碼為收件⼈地址時，資料匯流排上的信號則算是信件的內容
 控制匯流排(Control Bus)
 控制匯流排在電腦系統中包括了系統時脈、系統重置(Reset)、讀取控制
(RD)、寫入控制(WR)、無罩中斷(NMI)、可罩中斷(INTR)、中斷認可
(INTA)、停頓請求(HOLD)、停頓認可(HLDA)等等，不同款CPU，控制線
及命名也會有所差異，但皆統稱為控制匯流排
電腦基本架構 3/3
4

5.  單晶片微電腦(single-chip microcomputer)，又稱微控制器
(microcontroller unit，MCU)，是把CPU、RAM、ROM、I/O介面等
全都整合在同⼀顆晶片上。也就是說⼀顆MCU晶片就可以看作是⼀部
超迷你型的電腦
 MCU最大的優點是體積小，可放在裝置內部，適合用來設計控制系統，
價格便宜，但儲存容量小，輸入輸出介面限制較多
 商業級晶片0°𝐶 ~70°𝐶
 工業級晶片-40°𝐶 ~85°𝐶
 車用級晶片-40°𝐶 ~125°𝐶
 軍規級晶片-55°𝐶 ~125°𝐶
單晶片微電腦
5

6.  ESP8266是上海樂鑫信息科技(Espressif Systems)開發的WiFi
MCU，可單獨當微控制器使用，也可以透過SPI/SDIO或I2C/UART介面
做為其它微控制器的Wi-Fi適配器
ESP8266 1/3
6

7.  32-bit RISC CPU:
Tensilica Xtensa LX106 running at 80 MHz*
 3.3V工作電壓
 32 KB指令RAM
 32 KB指令緩存RAM
 96 KB資料記憶體
其中16 KB ETS系統數據RAM
 External QSPI flash - 512 KB to 4 MB*
(up to 16 MB is supported)
ESP8266 2/3
7

8.  IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi
可設定為AP、Station、或AP+Station模式
 16 GPIO接腳，輸出電流約12mA
 SPI介面
 I²C介面
 I²S介面(支援DMA傳輸)
 UART on dedicated pins, plus a transmit-only UART can
be enabled on GPIO2
 10位元ADC
ESP8266 3/3
8

9.  安信可科技(AI-Thinker)使用ESP8266晶片設計WiFi開發板，分別
為ESP-01到ESP-14
ESP-XX系列開發板 1/7
9
ESP-01 ESP-07
金屬屏蔽罩
陶瓷屏天線
PCB天線
U-FL連接器

10.  ESP產品功能差異
 IO腳位數量
 有無金屬屏蔽罩
 具通過FCC CE認證的金屬屏蔽罩(ESP-06、ESP-07、ESP-12)
 天線方式
 可否留有U-FL連接器可自⾏換替天線？（如ESP-02、ESP-07）還是使
用板卡自身提供的印刷電路板佈線天線（如ESP-01）或陶瓷天線
（ESP-11）
 韌體容量
ESP-XX系列開發板 2/7
10

11.  ESP-12E是ESP8266-12的增強版，完善外圍電路，增強阻抗匹配，信
號輸出更佳
 ESP-12F優化天線性能，相較於ESP-12E的通訊距離增加30%-50%
 ESP-12S為ESP-12F的更新版，在GPIO 0/2/15、EN、RST接腳內建提
升電阻
ESP-XX系列開發板 3/7
11
ESP-12S ESP-12F ESP-12E

12.  ESP-12N引出全部GPIO腳位， 4M位元組 SPI Flash，即NodeMCU開
發板所採用的晶片
ESP-XX系列開發板 4/7
12
GPIO6
GPIO8
GPIO7
GPIO11

13. RESET 低電位時重置模組
ADC 10位A/D轉換，輸入電壓0~１V
CHPD 模組工作時接高電位
D16 GPIO16或用來將模組從睡眠模式中喚醒
D14 GPIO14或HSPI_CLK
D12 GPIO12或HSPI_MISO
D13 GPIO13或HSPI_MOSI或UART0_CTS
VCC 3.3V電源供應(VDD)
ESP-XX系列開發板 5/7
13

14. D11 GPIO11或SPI_CS0
D7 GPIO7或SPI_MISO
D9 GPIO9
D10 GPIO8
D8 GPIO8或SPI_MOSI
D6 GPIO6或SPI_CLK
ESP-XX系列開發板 6/7
14

15. GND GND
D15 GPIO15或HSPICS或UART0_RTS
D2 GPIO2或UART1_TXD(內建LED)
D0 GPIO0(接低電位時，進入bootloader模式燒錄程式)
D4 GPIO4或I2C SDA(Serial Data Line)
D5 GPIO5或I2C SCL(Serial Clock Line)
D3 GPIO3或UART0_RXD
D1 GPIO1或UART0_TXD
ESP-XX系列開發板 7/7
15

16.  目前有三種方式使用ESP8266模組
 將ESP8266裝置當作Arduino相容硬體，使用Arduino IDE工具開發應用
程式
 將ESP8266裝置當作Arduino平台的網路模組
 Arduino端使用ESP8266模組函式庫
 在ESP8266安裝Lua RTOS即時作業系統(firmware)，撰寫Lua應用程式上
傳至ESP8266
開發ESP8266應用系統
16

17.  選單命令File>Preferences
 Additional Boards Manager URLs:欄輸入
http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
使用Arduino IDE開發ESP-XX程式 1/3
17

18.  選單命令Tools>Board>Boards Manager...，點選esp8266模組，
之後按下Install按鈕安裝ESP8266硬體套件
使用Arduino IDE開發ESP-XX程式 2/3
18

19.  設定使用ESP8266模組
 選單命令Tools>Board>Generic ESP8266 Module
使用Arduino IDE開發ESP-XX程式 3/3
19

20.  有5V與3.3V二款， ESP8266需使用3.3V
FTDI USB to Serial轉接器
20
Mini-B USB (接PC)

21.  每次燒錄要先斷開USB再重新連接USB
燒錄程式接線
21
VCC
RST
CH_PD
TXD
RXD
GPIO0
GPIO2
GND
RX>TX
TX>RX
GND
VCC
CH_PD
ESP8266(ESP-01) 3.3V FTDI USB/UART
GPIO 0

22.  上傳程式後GPIO 0就可做為⼀般使用
測試程式接線
22
VCC
RST
CH_PD
TXD
RXD
GPIO0
GPIO2
GND
RX>TX
TX>RX
GND
VCC
CH_PD
ESP8266(ESP-01) 3.3V FTDI USB/UART

23.  結合UART晶片提供micro USB介面，方便系統開發測試
NodeMCU開發板 1/3
23

24.  NodeMCU V2使用CP2102 UART晶片
NodeMCU開發板 2/3
24

25.  NodeMCU V3使用CH340G UART晶片，引出外接5V及GND接腳
NodeMCU開發板 3/3
25

26.  Arduino IDE選單命令File> Preferences
 Additional Boards Manager URLs:欄輸入
http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
以Arduino相容模式開發應用程式 1/4
26

27.  選單命令Tools> Board> Boards Manager...，點選esp8266模組，
之後按下Install按鈕安裝ESP8266硬體套件
以Arduino相容模式開發應用程式 2/4
27

28.  選單命令Tools> Board> NodeMCU 1.0(ESP-12E Module)
以Arduino相容模式開發應用程式 3/4
28

29. 以Arduino相容模式開發應用程式 4/4
29

30. NodeMCU Lua應用系統架構
30
Hardware
Firmware
Software
NodeMCUIoTPlatform

31.  下載NodeMCU Firmware燒錄工具ESP8266 Flasher
 https://github.com/nodemcu/nodemcu-flasher
 使用ESP8266 Flasher更新NodeMCU Firmware
 Advanced設定
燒錄NodeMCU firmware 1/5
31

32.  Config設定
 勾選使用INTERNAL://NODEMCU (ESP8266 Flasher內建的firmware)
燒錄NodeMCU firmware 2/5
32

33.  Operation
 點擊Flash按鈕即開始燒錄Firmware
燒錄NodeMCU firmware 3/5
33

34.  也可下載NodeMCU最新預建的Firmware
 https://github.com/iotcafe/nodemcu-firmware-
lua5.3.0/tree/master/pre_build/latest
燒錄NodeMCU firmware 4/5
34

35.  指定燒錄nodemcu_latest.bin
燒錄NodeMCU firmware 5/5
35

36.  下載ESPlorer
 http://esp8266.ru/esplorer-latest/?f=ESPlorer.zip
 開啟ESPlorer
 點擊Open按鈕
NodeMCU Lua應用程式設計 1/3
36

37.  按⼀下NodeMCU Reset按鈕
NodeMCU Lua應用程式設計 2/3
37

38.  撰寫Lua程式
ledPin = 4 -- nodeMCU腳位編號D4，即GPIO2
gpio.mode(ledPin, gpio.OUTPUT) -- 設定D4為輸出
while true do
gpio.write(ledPin, gpio.HIGH)
tmr.delay(1000000)
gpio.write(ledPin, gpio.LOW)
tmr.delay(1000000)
end
 按下Save to ESP按鈕
NodeMCU Lua應用程式設計 3/3
38

39.  https://nodemcu-build.com/index.php
自訂NodeMCU Lua Firmware 1/19
39

40.  勾選firmware內建模組，各模組皆提供⼀組對應的APIs
自訂NodeMCU Lua Firmware 2/19
40

41.  ADC Module
 提供存取內建ADC API
 ADS1115 Module
 ADS1115 (16-Bit)及ADS1015 (12-Bit)ADC控制API ，I2C介面
 ADXL345 Module
 ADXL345三軸加速度計控制API ，I2C介面
 AM2320 Module
 AM2320溫度、濕度感測器控制API，I2C介面
 APA102 Module
 APA102 RGB LED控制API，SPI介面
自訂NodeMCU Lua Firmware 3/19
41

42.  APA102 Module
 提供位元運算API
 Bloom Module
 提供實作布隆過濾器功能的API，需要crypto Module
 BME280 Module
 BME280/BMP280氣壓、溫度、濕度感測器控制API，I2C介面
 BME680 Module
 BME680空氣品質、氣壓、溫度、濕度感測器控制API，I2C介面
 BMP085 Module
 BMP085氣壓、溫度感測器控制API，I2C介面
自訂NodeMCU Lua Firmware 4/19
42

43.  CoAP Module
 提供CoAP(The Constrained Application Protocol)傳輸協定API
 color utils Module
 提供HSV與GRB顏色值轉換API
 Cron Module
 提供實時時鐘(Real-time clock)運算API
 crypto Module
 提供了用於加密演算法的API
 DCC module
 提供國家鐵道模型協會(National Model Railroad Association，
NMRA)DCC數位控制解碼的API
自訂NodeMCU Lua Firmware 5/19
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44.  DHT Module
 DHT 11/21/22/33/44溫度、濕度感測器控制API
 encoder Module
 提供實作對位元組資料編碼、解碼的API
 enduser setup Module aka Captive Portal aka WiFi
Manager
 提供配置ESP8266 WiFi的使用者介面，而無需使用串列埠或在程式中編
寫WiFi憑證
 file Module
 提供存取檔案系統的API
自訂NodeMCU Lua Firmware 6/19
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45.  gdbstub Module
 提供韌體基本的原始碼偵錯功能
 GPIO Module
 提供存取GPIO(General Purpose Input/Output)子系統API
 GPIO pulse Module
 提供API在GPIO多個引腳上產生具有精確定時的脈衝序列
 HDC1080 Module
 HDC1080低功耗、高精度數位溫濕度感測器控制API，I2C介面
 HMC5883L Module
 HMC5883L三軸數位羅盤控制API，I2C介面
自訂NodeMCU Lua firmware 7/19
45

46.  HTTP Module
 提供HTTP用戶端執⾏GET/POST/PUT/DELETE請求API
 HX711 Module
 HX711低價位的24位ADC，具有可編程128x，64x和32x增益的電子稱重感
測器控制API，I2C介面
 I2C Module
 提供GPIO軟體式I2C傳輸API
 L3G4200D Module
 三軸數位陀螺儀控制API，I2C介面
自訂NodeMCU Lua firmware 8/19
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47.  MCP4725 Module
 MCP4725 12位元DA轉換器控制API，I2C介面
 mDNS Module
 支援群播DNS服務(Bonjour/Zeroconf服務的⼀部分)API，可使系統可以
識別自己以及在局域網上提供的服務。客戶端隨後可以發現這些系統並連
接到它們。
 MQTT Module
 提供MQTT 3.1.1協定用戶端API
 net Module
 提供TCP/UDP協定API
自訂NodeMCU Lua firmware 9/19
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48.  node Module
 提供系統層級功能API，例如睡眠、重新啟動等
 1-Wire Module
 提供與1-Wire裝置資料傳輸API
 PCM Module
 提供聲音輸出API，可透過內建的sigma-delta generator，搭配外接低
通濾波器來合成音頻
 perf Module
 提供應用程式效能分析API，每50us對程式計數值採樣並儲存，可用來分
析應用程式效能
自訂NodeMCU Lua firmware 10/19
48

49.  PWM Module
 提供PWM訊號輸出API，所有輸出腳位共用相同PWM頻率
 PWM2 Module
 提供PWM訊號輸出API，允許設定不同PWM頻率
 rfswitch Module
 433/315Mhz RF遙控模組控制API，支援SC5262/SC5272，
HX2262/HX2272，PT2262/PT2272，EV1527，RT1527，FP1527
或HS1527晶片組
 rotary Module
 旋轉編碼開關控制API
自訂NodeMCU Lua firmware 11/19
49

50.  RTC FIFO Module
 提供先進先出存儲API
 RTC User Memory Module
 提供存取RTC(實時時鐘)記憶體的API
 RTC Time Module
 提供進階存取RTC(實時時鐘)的API
 Si7021 Module
 Si7021溫度、濕度感測器控制API，I2C介面
 Sigma-delta Module
 提供對sigma-delta元件控制API
自訂NodeMCU Lua firmware 12/19
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51.  SJSON Module
 提供JSON格式編碼/解碼API
 SNTP Module
 提供SNTP(Simple Network Time Procotol)協定用戶端API
 SoftUART Module
 提供使用GPIO做UART端口API
 Somfy Module
 Somfy窗簾遙控(透過433.42 MHz RF發射器)API
 SPI Module
 提供SPI資料傳輸API
自訂NodeMCU Lua firmware 13/19
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52.  struct Module
 提供Lua值與C結構之間相互轉換的API
 Switec Module
 Switec X.27(或相容)步進馬達控制API
 TCS34725 Module
 TCS34725顏色感測器控制API，I2C介面
 TM1829 Module
 TM1829全彩LED控制API
 Timer Module
 提供計時器作業API
自訂NodeMCU Lua firmware 14/19
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53.  TSL2561 Module
 TSL2561光照強度感測器控制API，I2C介面
 u8g2 Module
 提供通用8位元圖形顯示器的API
 UART Module
 提供UART端口資料傳輸API
 ucg Module
 提供彩色TFT顯示器的API
 Websocket Module
 提供Websocket用戶端API
自訂NodeMCU Lua firmware 15/19
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54.  WiFi Module
 提供WiFi設定API
 WiFi.monitor Module
 提供WiFi監控模式API
 WPS Module
 提供無線網路WPS連線API
 WS2801 Module
 WS2801全彩LED控制API，I2C介面
 WS2812 Module
 WS2812全彩LED控制API，I2C介面
自訂NodeMCU Lua firmware 16/19
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55.  WS2812 effects Module
 WS2812全彩LED特效控制API，I2C介面
 XPT2046 Module
 XPT2046觸控顯示器控制API
自訂NodeMCU Lua firmware 17/19
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56.  LFS選項設定
Lua開發者必須設定LFS選項，才有儲存Lua程式的檔案區
 LFS size，預設為none表示不關閉LFS功能，最多256Kb
 SPIFFS base，對具備4Mb flash記憶體的模組，建議使用1024Kb；否則
保留預設值0即可
 SPIFFS size，保留預設值即可
自訂NodeMCU Lua firmware 18/19
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57.  按下Start your build按鈕，約10分鐘後就會收到NodeMCU
custom build finished通知郵件
 有浮點運算及整數運算二種版本，保留24小時供下載
自訂NodeMCU Lua firmware 19/19
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58.  ESP8266 Flasher程式之Config設定
 指定燒錄nodemcu-master-17-modules-2020-08-27-14-58-48-
float.bin
更新NodeMCU firmware 1/3
58

59.  Operation
 點擊Flash按鈕即開始燒錄Firmware
更新NodeMCU firmware 2/3
59

60.  ESPlorer測試
更新NodeMCU firmware 3/3
60

61.  https://nodemcu.readthedocs.io/en/master/
NodeMCU Documentation
61