物聯網技術分享 使用ESP8266

1. 物聯網技術分享
2016/10/06
使用ESP8266
報告人：吳宗錫
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2. 物聯網
Internet of Things ，簡稱IoT。
讓所有能行使獨立功能的普通物體，實現互
聯互通的網絡。
物聯網的網路通常是指無線網路，可以透過
藍芽、Bee、Wi-Fi、LoRa等方式進行資料
交換。
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3. 物聯網
領域主要包括：
 運輸和物流領域
 健康醫療
 智慧環境（家庭、辦公、工廠）
 個人和社會
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4. 物聯網裝置
Machine to machine (M2M)架構。
具備微處理機、網路通訊模組的微控制器。
視需求決定是否需要作業系統。
常見的物聯網微控制器：Arduino、ESP8266、MSP430、Raspberry PI……
常見的作業系統：Raspberry OS、Windows IoT、Linux、CoOS……
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5. 無線網路簡介 藍芽、ZigBee、Wi-Fi、LoRa
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6. Bluetooth 短距離、省電、快速開發
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7. 藍牙
在短距離間交換資料，以形成個人區域網絡（PAN）。
其使用短波特高頻（UHF）無線電波，經由2.4至2.485 GHz的ISM頻段來進
行通信。
IEEE曾經將藍芽技術標準化為IEEE 802.15.1，但是這個標準已經不再繼續使
用。
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8. 藍牙歷史
藍牙技術最初由愛立信創製。技術始於愛立信公司的1994方案，它是研究在
移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通信連接的方法。發明者希望
為設備間的通訊創造一組統一規則（標準化協議），以解決用戶間互不兼容的
移動電子設備。1997年前愛立信公司以此概念接觸了移動設備製造商，討論
其項目合作發展，結果獲得支持。
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9. 藍牙重要版本
5.0版 (2016年6月公布)
 在有效距離上是4.2LE版的4倍（理論上可達300公尺），速度是4.2LE的兩倍
 支持室內定位、導航功能，如果結合Wi-Fi可以實現精度小於1公尺的室內定位
 針對物聯網進行了許多底層優化
4.0 ~ 4.2版
 省電
 智能連接
 支援多設備連接
3.0+HS版
速度提升至2.0版的8倍速
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10. 常見藍芽模組
HC-05
 藍牙4.0
 工作電壓：3.6 ~ 6V
 有效距離約10公尺
 傳輸方式：Serial (UART)
 可分為slave或master模式
HC-06
 與HC-05硬體皆相同
 唯一的不同就是無法更改slave或master模式，出廠時就決定了，通常為slave模式
售價約85至150台幣
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11. ZigBee 工業界的權威
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12. ZigBee
是一種低速短距離傳輸的無線網路協定，底層是採用IEEE 802.15.4標準規範
的媒體存取層與實體層。
主要特色有低速、低耗電、低成本???、支援大量網路節點、支援多種網路拓
撲、低複雜度、快速、可靠、安全。
868/915MHz和2.4GHz。2.4GHz的物理層支持空氣中250kb/s的速率，而
868/915MHz的物理層支持空氣中20kb/s和40kb/s的傳輸速率。
有ZigBee專用程式可以進行設定。
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13. ZigBee網路架構
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14. 常見ZigBee模組
Xbee
 工作電壓：2.8 ~ 3.4V
 有效距離約100公尺
 工作頻率：2.4GHz
 傳輸速率：250kbps
 可以用Serial傳輸
 本身也是MCU
 售價約650至900元台幣
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15. Wi-Fi 無所不在的無線網路
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16. Wi-Fi 簡介
Wi-Fi是Wi-Fi聯盟製造商的商標做為產品的品牌認證，建立於IEEE 802.11標
準的無線局域網技術。
「Wi-Fi」常被寫成「WiFi」或「Wifi」，但是它們並沒有被Wi-Fi聯盟認可。
「Wi-Fi」一詞本身並沒有任何意義。
2.4GHz或5GHz
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17. Wi-Fi世代
Wi-Fi可分為五代。[6]由於ISM頻段中的2.4GHz頻段被廣泛使用，例如微波爐、
藍牙，它們會干擾WiFi，令速度減慢，5GHz干擾則較小。雙頻路由器可同時
使用2.4GHz和5GHz，裝置則只能使用某一個頻段。
第一代802.11，1997年制定，只使用2.4GHz，最快2Mbit/s
第二代802.11b，只使用2.4GHz，最快11Mbit/s，正逐漸淘汰
第三代802.11g/a，分別使用2.4GHz和5GHz，最快54Mbit/s
第四代802.11n，可使用2.4GHz或5GHz，20和40MHz頻寬下最快72和
150Mbit/s
第五代802.11ac，只使用5GHz
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18. Wi-Fi運作模式
可分為Station (STA)、Access Point (AP)、混合式……。
具備一組SSID與密碼，也可為公開網路(連線時無須密碼)，或是連線時不需要
密碼，透過AP內建的程式進行用戶篩選（例如：校園Wi-Fi等等）。
加密模式分為WEP、WPA、WPA2-TKIP、WPA2-AES……。
遵循OSI模型，可以使用TCP、UDP等方式進行資料傳輸。
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19. 常用Wi-Fi模組
RM04
 工作電壓：5V
 傳輸方式：Serial (UART)
 具備操作介面
 售價約500元台幣
ESP8266
 工作電壓：3.3V
 傳輸方式：Serial (UART)、I2C、SPI
 不具備操作介面，僅有AT Command
 本身是MCU，有GPIO
 售價約55至80台幣
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20. LoRa 大範圍網路、智慧都市
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21. LoRa
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一個長距離 (long range) 的通訊協定。
LoRa 的特點就是長距離、高穿透、抗干擾、低功耗。
經過 IBM 的測試，曼哈頓下城區約 30 平方公里的區域，只需要 7 個閘道器
即可做到密集覆蓋。

22. ESP8266 是Wi-Fi模組，也是MCU
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23. ESP8266
由中國深圳樂鑫資訊所研發的超低價格具備Wi-Fi的微控制器，約為其他Wi-Fi
控制器的10分之1價錢。
深圳安信可科技(AI-Thinker)用這顆晶片開發出12種小型電路板，分別為
ESP-01到ESP-14。
不只安信可科技一家公司用ESP8266晶片做Wi-Fi小卡，也有其他板卡商拿這
顆晶片去做小卡，例如北京多奧雲智科技做成DWA8，或位在紐約市的創客知
名公司Adafruit也有做。
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24. ESP8266
本身為微控制器，預先燒好的系統提供AT Command，可以與主系統做連結。
連結方式可以是Serial (UART)、I2C、SPI。
也可以自行撰寫韌體(firmware)，達到自己想達到的功能。
工作電壓3.3V，支援GPIO。
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25. ESP 系列簡介
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有無金屬屏蔽罩：
 有：ESP-06、ESP-07、ESP-12、ESP-13、
ESP-14。
天線：
 PCB天線：ESP-01、ESP-12、ESP-13、ESP-14。
 陶瓷天線：ESP-03、ESP-07、ESP-11。
 可外加天線：ESP-02、ESP-05、ESP-07。
 無天線：ESP-04、ESP-08、ESP-09、ESP-10。
GPIO腳位特性

26. 架構
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RAM : 32KB
ROM : 沒有，只能用外
接SPI flash memory
Flash memory : 512
KB

27. Pin Name Type Function
1 VDDA P Analog Power 3.0 ~3.6V
2 LNA
I/O
RF Antenna Interface. Chip Output Impedance=50Ω
No matching required but we recommend that the π-type matching network is retained.
3 VDD3P3 P Amplifier Power 3.0~3.6V
4 VDD3P3 P Amplifier Power 3.0~3.6V
5 VDD_RTC P NC (1.1V)
6 TOUT I ADC Pin (note: an internal pin of the chip) can be used to check the power voltage of VDD3P3 (Pin 3 and Pin4) or the input voltage of
TOUT (Pin 6). These two functions cannot be used simultaneously.
7 CHIP_EN I
Chip Enable.
High: On, chip works properly; Low: Off, small current
8 XPD_DCDC I/O Deep-Sleep Wakeup；GPIO16
9 MTMS I/O GPIO14; HSPI_CLK
10 MTDI I/O GPIO12; HSPI_MISO
11 VDDPST P Digital/IO Power Supply (1.8V~3.3V)
12 MTCK I/O GPIO13; HSPI_MOSI; UART0_CTS
13 MTDO I/O GPIO15; HSPI_CS; UART0_RTS
14 GPIO2 I/O UART Tx during flash programming; GPIO2
15 GPIO0 I/O GPIO0; SPI_CS2
16 GPIO4 I/O GPIO4
17 VDDPST P Digital/IO Power Supply (1.8V~3.3V)
18 SDIO_DATA_2 I/O Connect to SD_D2 (Series R: 200Ω); SPIHD; HSPIHD; GPIO9
19 SDIO_DATA_3 I/O Connect to SD_D3 (Series R: 200Ω); SPIWP; HSPIWP; GPIO10
20 SDIO_CMD I/O Connect to SD_CMD (Series R: 200Ω); SPI_CS0; GPIO11
21 SDIO_CLK I/O Connect to SD_CLK (Series R: 200Ω); SPI_CLK; GPIO6
22 SDIO_DATA_0 I/O Connect to SD_D0 (Series R: 200Ω); SPI_MSIO; GPIO7
23 SDIO_DATA_1 I/O Connect to SD_D1 (Series R: 200Ω); SPI_MOSI; GPIO8
24 GPIO5 I/O GPIO5
25 U0RXD I/O UART Rx during flash programming; GPIO3
26 U0TXD I/O UART Tx during flash progamming; GPIO1; SPI_CS1
27 XTAL_OUT I/O
Connect to crystal oscillator output, can be used to provide BT clock input
28 XTAL_IN I/O Connect to crystal oscillator input
29 VDDD P Analog Power 3.0V~3.6V
30 VDDA P Analog Power 3.0V~3.6V
31 RES12K I Serial connection with a 12 kΩ resistor and connect to the ground
32 EXT_RSTB I External reset signal (Low voltage level: Active)

28. 電源供應問題
由於ESP8266只吃穩定的3.3V電壓，工作時最大電流達220mA，單用
Arduino或其他微控制器的3.3V孔是不夠的，必須外接穩壓器。
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3.3V 穩壓器
104號 電容
10𝜇F 16v電容

29. 連接方式 (以UART為例)
TX：主控制器RX。
RX：主控制器TX。
VCC：穩壓過後的3.3V。
GND：接地。
CH_PD：外接電組與VCC連接。 (Enable)
GPIO15：接地。 (UART Mode)
RST：接重置的按鈕，也可以主控制器的Reset互接。
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30. Flash firmware連結方式
TX：TTL RX。
RX：TTL TX。
VCC：穩壓過後的3.3V。
GND：接地。
CH_PD：外接電組與VCC連接。
GPIO2：VCC (flash mode)
GPIO0、GPIO15：Ground
Flash tool : http://www.xess.com/blog/esp8266-reflash/
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31. Firmware SDK
NodeMCU:
 a Lua-based firmware.
Arduino:
 a C++ based firmware. This core enables the ESP8266 CPU and its Wi-Fi
components to be programmed like any other Arduino device. The ESP8266
Arduino Core is available through GitHub.
MicroPython:
 a port of the MicroPython to the ESP8266 platform.
ESP8266 BASIC:
 An open source basic interpreter specifically tailored for the internet of things. Self
hosting browser based development environment.
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32. AT Command
AT代表Attention的意思，提醒裝置使用者即將
下達指令。
裝置的Baud rate必須與ESP8266的Baud rate
相同。
ESP8266初始baud rate為115200。
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33. Baud rate修改
由於115200的Baud rate相對於Arduino來說是比較難負荷的Baudrate。
所以必須先修改ESP8266的Baud rate至9600。
利用Arduino或其他TTL裝置以115200連結ESP8266。
下達指令「AT+UART_DEF=9600,8,1,0,0」，等待裝置重新開啟後，即完
成修改。
再次連線時，記得改為9600連線。
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34. 常用AT Command - General
AT Command Table : https://room-
15.github.io/blog/2015/03/26/esp8266-at-command-reference/
AT : 詢問裝置是否待命。
AT+RST : 重置ESP8266。
AT+GMR : 取得韌體版本。
AT+CIFSR : 查詢IP位置。
AT+CWMODE? : 查詢目前工作模式(1=STA、2=AP、3=BOTH)。
AT+CWMODE=1 : 設定工作模式為1。
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35. 常用AT Command – STA Mode
AT+CWLAP : 列出附近偵測得到的基地台。
AT+CWJAP=“SSID”,”Password” : 連線至指定的AP。
AT+CWJAP? : 查詢目前連線到哪一個基地台。
AT+CWQAP : 離開目前的基地台。
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36. 常用AT Command – AP Mode
AT+CWSAP? : 查詢SoftAP的設定，只有為AP Mode時才能使用。
AT+CWSAP?
AT+CWSAP:“ESP_9CBD07”,“”,6,0 // ssid, pwd, ch, ecn，ch為頻道，ech為加密模式
OK
AT+CWSAP=“SSID”,”password”,ch,ech : 更改AP設定。
AT+CWLIF : 查詢有哪些使用者連線到此AP。
AT+CIPSERVER=0 : 關閉伺服器。
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37. 常用AT Command – TCP/UDP
AT+CIPSTART : 建立TCP/UDP連線。
AT+CIPCLOSE : 關閉TCP/UDP連線。
AT+CIPSTATUS : 查詢目前的IP狀態。
AT+CIPSEND=pid,data : 傳送Socket封包。
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38. ESP8266 實際控制 使用Socket Program控制
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39. Socket Program
Socket內會包含要傳送的
 地址(IP)
 埠號(Port)
 資料(data)
Wi-Fi與有線網路的程式設計方式一模一樣。
電腦、手機APP、網站……皆可以使用Socket
Program開發。
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Socket
IP
Por
t
dat
a

40. Socket Program
ESP8266預設的IP為192.168.4.1，可以透共AT Command修改IP。
在AP Mode時，必須開啟伺服器（AT+CIPSERVER=1,port），設定指定的Port
給使用者。
設定完畢後即可開始。
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41. Client端
電腦：
 利用JAVA，撰寫Socket程式。
 利用C#，using IO.Socket，撰寫Socket程式。
手機：
 透過原生APP撰寫Socket程式。
 透過PhoneGap/Cordova撰寫跨平台APP，使用socket.io plugin撰寫Socket程式。
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42. 參考資料
物聯網 – Wiki
(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91)
藍芽 – Wiki (https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%97%8D%E7%89%99)
What is Bluetooth (http://mytop10bestsellers.blogspot.tw/p/what-is-
bluetooth-technology-in-plain.html)
超圖解物聯網IOT實作入門 – 旗標出版社
Wi-Fi – Wiki (https://zh.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi)
LoRa Alliance (https://www.lora-alliance.org/)
MakerPro (http://makerpro.cc/)
ESP8266 – Wiki (https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266)
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43. 參考資料
玩具自己做 (http://lets-make-games.blogspot.tw/)
阿喵就像家 (https://mlwmlw.org/)
ESP8266 datasheet (https://cdn-shop.adafruit.com/product-
files/2471/0A-ESP8266__Datasheet__EN_v4.3.pdf)
ESP8266 firmware update (http://www.instructables.com/id/Intro-
Esp-8266-firmware-update/)
ESP8266 - AT Command Reference (https://room-
15.github.io/blog/2015/03/26/esp8266-at-command-reference/)
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44. Thanks for your
attention !