В первой части статьи на примере “Умного чайника” я описал процесс разработки приложения, интегрированного в экосистему SmartThings. В этой части я усложняю пример: добавляю датчик температуры и делаю плавную индикацию RGB-светодиода. Я опишу, чем отличаются ESP8266 и ESP32, и почему в этом примере нам больше подходит именно ESP32. Также будет описана передача сообщений между потоками/тасками на примере очередей в FreeRTOS. Таким образом, данная статья предназначена для всех, кто хочет перейти от самых простых умных устройств с минимумом функционала, к устройствам чуть более сложным как с программной, так и с железной точки зрения. Напомню функции “чайника”, которые будем реализовывать в приложении. Ниже в формате таблицы представлены: Функции «чайника» Какие из частей устройства, облака и телефона будут выполнять эти функции Как это будет происходить По сравнению с предыдущей версией приложения, изменилась индикация RGB-светодиода при назначении температуры нагрева. Также вместо эмуляции температурного сенсора в этом примере мы получаем реальные данные от датчика температуры DS18B20. В приложении для представления этих функций и возможностей устройства используются следующие Capabilities: Switch - переключатель, которым начинаем и завершаем процесс кипячения Temperature Measurement - показывает текущую температуру “чайника” Thermostat Heating Setpoint (или его кастомный вариант) - выбор температуры нагрева В прошлой версии “Умного чайника” не было датчика температуры, а RGB-светодиод принимал только дискретные значения (логические 0 и 1) для каждого из 3 выводов. В новой версии устройства RGB-светодиод во время процесса подогрева должен плавно изменять цвет по спектру от зелёного до красного, проходя жёлтый и оранжевый цвета. Для этого подойдут 3 любых GPIO пина, подключенных к каналам ШИМ. Для датчика температуры DS18B20 нужен 1 цифровой пин. Всё это есть в платах ESP8266, но для разнообразия и из-за перспективы вытеснения ESP8266 новыми схожими модулями ESP32 в этом примере я буду использовать ESP32. Далее подробнее опишу различия и перспективы ESP8266 и ESP32. Надеюсь это поможет лучше разобраться в этих модулях и подобрать наилучший вариант для вашего проекта, исходя из соотношения цена/качество. Чип ESP32 является преемником ESP8266 и превосходит его во всех характеристиках, кроме стоимости. Интересно, что оба чипа представляют собой 32-разрядные микроконтроллеры, таким образом, интуиция здесь не срабатывает. В ESP32 больше GPIO пинов с различными функциями, более быстрый Wi-Fi и поддержка Bluetooth. ESP32 поддерживает множество периферийных интерфейсов: 2 канала ЦАП, 10 портов для подключения емкостных датчиков, Ethernet, CAN шину, датчик Холла, а также больше SPI, I2C, I2S, UART, каналов АЦП. В ESP32 есть встроенная flash-память, поддерживается её шифрование. ESP8266 дешевле ESP32, хотя цена во много зависит от того, какую модель вы выбираете и где покупаете. Исходный код для ESP32 и ESP8266 совместим, поэтому при переходе с одного на другой код менять почти не придётся. Таким образом, ESP32 предлагает много больше возможностей, а ESP8266 может быть более предпочтительным разве что в очень простых IoT приложениях и из-за более низкой цены. Подробнее о различиях ESP32 и ESP8266 вы можете прочитать в этой статье, а о программировании ESP32 в статье на Хабре. В 2020 году Espressif анонсировала новый микроконтроллер ESP32-C3, который совместим по пинам с ESP8266. Этот микроконтроллер основан на ядре с RISC-V архитектурой. ESP32-C3 потенциально может заменить ESP8266, имея весь его функционал, но добавляя больше оперативной памяти, постоянную память, Bluetooth и шифрование. Разработка ESP32-C3 ведется с использованием фреймворка ESP-IDF, в отличие от ESP8266 с его ESP8266 RTOS SDK. Это не влияет на совместимость кода, но процесс сборки немного отличается, что даже более удобно для пользователей ESP32, которые тоже используют ESP-IDF. Таким образом, ESP32-C3 является сбалансированным по цене и функционалу микроконтроллером, который как и ESP8266 подходит под небольшие приложения, но обладает большими возможностями и лучшей безопасностью. Подробнее о ESP32-C3 вы можете прочитать в этой статье на Хабре.  На данный момент этой платы пока нет в российских магазинах, но вы уже можете купить ее на Aliexpress. RISC-V архитектура находит признание благодаря своей открытости, которая позволяет кастомизировать дизайн процессора, и свободе от лицензионных сборов в пользу разработчиков архитектуры. Это увеличивает конкуренцию на рынке и количество различных по характеристикам чипов, поскольку производители могут свободнее подходить к их изменению и улучшению. Архитектура процессора не всегда напрямую влияет на выбор микроконтроллера. Для производителя открытая архитектура позволяет экономить на процессорах и вкладывать в развитие других частей микроконтроллера. Также открытая архитектура способствует расширению семейства процессоров, что опять же позволяет экономить на процессоре, поскольку используется наиболее близкий к потребностям пользователей микроконтроллер. В целом открытая архитектура имеет положительные долгосрочные эффекты для производителей, и, соответственно, пользователей, поскольку открывает возможности свободного развития продуктов и обогащения рынка разнообразием новых устройств. От теории перейдем к практической реализации. Схема подключения: На схеме используется датчик температуры с типом корпуса TO-92. Но также датчик может быть в водонепроницаемой форме с длинным кабелем. На следующем фото слева - датчик в корпусе ТО-92, справа - в водонепроницаемом кабеле. При создании примера я сначала использовал первый вариант, но для тестирования с настоящей подогретой водой решил перейти на второй. Фото устройства, собранного по схеме: Файлы проекта распределены по директориям. В основной директории - конфигурационные файлы, необходимые для сборки. Их можно просто скопировать, и только в CMakeLists.txt изменить название проекта, если вы склонировали проект не в директорию kettle_example. Директория build генерируется при сборке и не содержит исходного кода. Основное внимание на директории main и components, которые содержат компоненты с исходным кодом. В директории components располагаются все сторонние компоненты/библиотеки. В main - написанный нами код, а именно файлы работы с Capabilities, файлы управления периферией и файл main.c с бизнес-логикой. Также в main есть файл CMakeLists.txt, необходимый для сборки проекта. Процесс сборки рассмотрим далее. В примерах для ESP8266 используется система сборки Make. Для успешной сборки нужно иметь Makefile в директории проекта со следующим минимальным содержимым: В сборке под ESP32 в дополнение используется CMake, который позволяет использовать и другие системы сборки помимо Make, например Ninja.  В каждом проекте содержится один или несколько компонентов. Компонент - это директория, в которой есть файл CMakeLists.txt. Директория main - это особенный компонент, который содержит исходный код самого проекта. Поэтому необходимо создать файл CMakeLists.txt в директории main. Содержимое этого файла можно скопировать с других примеров от SmartThings. В нашем примере CMakeLists.txt отличается лишь тем, что в idf_component_register, который регистрирует компонент, перечисляются не исходные файлы, а директории с исходными файлами. Для этого в idf_component_register используем не SRCS с перечислением файлов, а SRC_DIRS с перечислением директорий: Подробнее о системах сборки ESP-проектов можно прочитать в соответствующих разделах документации для ESP32 и для ESP8266. У нас используется датчик температуры DS18B20, который работает по 1-Wire шине. В проекте используется 2 компонента, совместимых с ESP32: esp32-owb и esp32-ds18b20. Компонент esp32-owb - это библиотека для работы с протоколом 1-Wire.  Компонент esp32-ds18b20 - это библиотека, которая предоставляет удобное api для работы с датчиком температуры, без необходимости напрямую работать по 1-Wire протоколу. В нашем гит-проекте эти компоненты используются как подмодули/submodules, и чтобы их подгрузить, при клонировании проекта нужно использовать флаг --recurse-submodules: Подгрузить подмодули можно и после обычного клонирования без флага --recurse-submodules.  Для этого в основной директории проекта kettle_example инициализируем и обновляем подмодуль следующими командами: Подробнее о подмодулях вы можете прочитать в соответствующей главе книги “Pro Git”. В первой части статьи я уже описывал бизнес-логику приложения. Напомню, что под бизнес-логикой я понимаю обработку событий с периферии и с облака. При обработке происходит или управление периферией, или передача атрибутов Capability в облако.  В отличие от примера для ESP8266, в этом примере добавляются события от настоящего датчика. Это взаимодействие организовано в виде передачи сообщений через очередь (FreeRTOS Queue) между двумя тасками/потоками: основным таском с управлением и мониторингом остальной периферии и таском, считывающим данные с датчика температуры. В основном таске создаётся очередь temperature_events_q, а также запускается таск, считывающий температуру. В основном таске внутри бесконечного цикла на каждой итерации происходит попытка получить значение температуры из очереди и записать в переменную temperature_value. Если значение переменной temperature_value поменялось, то новое значение температуры отправляется в облако и отображается в UI приложения: Подробнее о работе с тасками и очередями вы можете прочитать в 3 и 4 главе книги "Mastering the FreeRTOS Real Time Kernel", рекомендуемой на странице с ресурсами в документации FreeRTOS. Помимо нового источника событий в коде бизнес-логики меняется управление RGB светодиодом при установке значения температуры подогрева “чайника” в коллбэке Thermostat Heating Setpoint Capability, а также в начале и завершении процесса подогрева.  Отличаться будет инициализация пинов для RGB светодиода и пина для датчика температуры. В RGB светодиоде пины будут сконфигурированы под ШИМ для плавного изменения красного и зеленого цветов светодиода. Для управления яркостью светодиодов и генерации ШИМ-сигналов в esp-idf есть периферийное устройство LEDC. В функции iot_gpio_init произведем конфигурацию LEDC-каналов: Конфигурация таймера - нужно определить частоту ШИМ-сигнала и разрешение рабочего цикла. Конфигурация канала - нужно передать настроенный таймер и соответствующий GPIO пин для вывода ШИМ-сигнала. Прежде чем использовать датчик через структуру DS18B20_Info, нужно инициализировать доступ к шине 1-Wire. Для этого используется функция owb_rmt_initialize из owb_rmt.h, которая возвращает указатель на структуру OneWireBus. При этом можно использовать другую функцию, owb_gpio_initialize из owb_gpio.h. В первом случае используется не GPIO драйвер, а RMT (Remote Control) - специфический для ESP, предназначенный для работы с инфракрасными сигналами и не только. Этот вариант рекомендован разработчиками библиотеки esp32-owb, т.к. приводит к более надёжной работе и очень точным временным интервалам чтения/записи. Также включаем использование алгоритма нахождения контрольной суммы CRC. Затем, используя готовую структуру шины, инициализируем структуру DS18B20_Info:   После инициализации 1-Wire шины и структуры датчика DS18B20_Info в бесконечном цикле раз в секунду происходит считывание температуры и отправка её в очередь. Поскольку значение температуры считывается в переменную типа float, а в остальных частях программы, в том числе при работе с Capability, используется double, мы используем 2 переменные разных типов и преобразуем float в double: Здесь я опишу, как именно выставляются значения всем пинам светодиода при установке значения температуры подогрева “чайника” в коллбэке Thermostat Heating Setpoint Capability, а также в процессе подогрева.  Начнём с функции setpoint_rgb_indication в коллбэке. В зависимости от выбранной температуры нагрева, светодиод в течение нескольких секунд может светиться синим, жёлтым, оранжевым или красным. Для каждого из цветов выбраны соответствующие значения температур: синий - меньше 30°С, жёлтый - меньше 50°С, оранжевый - меньше 75°С, красный - меньше 100°С.   В процессе подогрева цвет RGB светодиода плавно меняется от зелёного к жёлтому и затем от жёлтого к красному. В главном таске/потоке в бесконечном цикле при получении нового температурного события запускается функция change_rgb_led_heating. Цвет меняется в зависимости от прогресса нагревания. Прогресс вычисляется на основе текущей температуры и двух граничных значений - минимальной температуры и конечной заданной температуры. Пока прогресс нагревания меньше 50%, меняется красная компонента цвета. Таким образом от зелёного, добавляя красный, мы идём к жёлтому. Как только прогресс нагревания превысит 50%, красная компонента становится максимальной - меняем значение рабочего цикла на максимальное для LEDC-канала, соединенного с красным светодиодом. Затем, чтобы от жёлтого дойти до красного, нужно уменьшать зелёную компоненту, пока прогресс нагревания не дойдёт до 100%. На более продвинутом примере устройства “Умный чайник” мы разобрали, как собирается проект под ESP32, как используются таски и очереди FreeRTOS и датчик DS18B20 на 1-Wire шине. Мы рассмотрели различия ESP32 и ESP8266 и выбрали подходящий микроконтроллер для проекта. Теперь вам будет проще разобраться в линейке устройств ESP, использовать возможности FreeRTOS и работать с датчиками от Dallas Semiconductor. Видео того, что получилось: Ниез Юлдашев - Студент магистратуры ИТИС КФУ по специальности Программная инженерия (профиль: Аналитика, управление разработкой и FinTech),  стажёр Исследовательского центра Samsung.