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Uploaded by吳錫修 (ShyiShiou Wu)
nodeMCU IOT教學03 - NodeMCU導論
本文件介绍了NodeMCU和ESP8266微控制器的基本概念、架构以及开发方法，包括Arduino IDE中的开发流程和固件更新步骤。文档详述了ESP8266的技术规格和不同开发板的功能差异，同时也涵盖了Lua编程和定制固件的相关信息。整体内容重点在于如何利用这些设备进行物联网应用的开发。
nodeMCU IOT教學03 - NodeMCU導論
- 1. NodeMCU導論 Revised on October21, 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 (microcontrollerunit，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.
- 7. 32-bit RISCCPU: 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 802.11b/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-01ESP-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 D9GPIO9 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 D2GPIO2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ArduinoIDE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 AdditionalBoards 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.
- 19. 設定使用ESP8266模組 選單命令Tools>Board>GenericESP8266 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 FTDIUSB to Serial轉接器 20 Mini-B USB (接PC)
- 21.
- 22.
- 23.
- 24. NodeMCU V2使用CP2102UART晶片 NodeMCU開發板 2/3 24
- 25. NodeMCU V3使用CH340GUART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.
- 30.
- 31. 下載NodeMCU Firmware燒錄工具ESP8266Flasher 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NodeMCUfirmware 3/5 33
- 34.
- 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 NodeMCULua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 LuaFirmware 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 LuaFirmware 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 43
- 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 44
- 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 46
- 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 47
- 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 FIFOModule 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 50
- 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 51
- 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 52
- 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 53
- 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 54
- 55. WS2812 effectsModule 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 55
- 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 LFSsize，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 56
- 57. 按下Start yourbuild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 57
- 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NodeMCUfirmware 2/3 59
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