vladipirogov 23 мая в 19:42

E-paper Arduino термометр на ESP-IDF

Простой

12 мин

3.4K

Программирование микроконтроллеров*Интернет вещейУмный дом

Туториал

Наверное каждый любитель электроники имеет в запасе модули приобретенные на всякий случай. Так несколько лет назад я не смог пройти мимо 1.5 дюймового E-Ink дисплея, лежащего на витрине радиомагазина. Через некоторое время нашлось для него применение. В статье ESP32 E-Paper Thermometer описывается, как отображать окружающую температуру, измеренную с помощью датчика DS18B20. Проект выполнен в Arduino IDE. Но я решил пройти "Путь самурая" и портировать код на ESP-IDF. Пришлось немного повозится с библиотеками для работы с дисплеем. На этом мой путь не окончился, как говорят: "У самурая нет цели, есть только путь". И я решил, что было бы неплохо добавить еще несколько сенсоров, измеряющих влажность, давление, CO2, а потом отправлять эти данные по MQTT. В том же радиомагазине был приобретен фанерный домик-конструктор со светодиодным ночником. А в другом магазине - модуль с датчиками. Таким образом родилась идея сконструировать Micro-smart-home. На передней части домика расположен дисплей на пластиковых стойках. А с другой стороны расположен модуль с сенсорами.

Вид со стороны модуля с сенсорами

Модуль ESP32

В проекте используется модуль ESP32, приобретенный несколько лет назад.
Эта картинка соответствует его реальной распиновке. По размером он как раз помещается в домик. На картинке со стороны сенсоров видны пару винтов - это ESP32 крепится ими к боковой стенке.

Основные характеристики:

Процессор: Tensilica Xtensa LX6.
Память:
- SRAM: до 520 КБ.
- Flash: 4 МБ.
Беспроводная связь:
- Wi-Fi 802.11 b/g/n.
- Bluetooth 4.2 (BR/EDR и BLE).
Интерфейсы:
- UART, SPI, I2C, I2S, PWM, ADC, DAC, GPIO.
GPIO: 25. (те что на модуле без учета питания и EN)

Подробнее в документации

E-Ink дисплей

Это модуль с диагональю 1.54 дюйма и разрешением 200×200 пикселей. Оснащён встроенным контроллером и использует интерфейс SPI для связи. Поддерживает частичное обновление экрана.
Благодаря таким преимуществам, как сверхнизкое энергопотребление, широкий угол обзора и возможность сохранять изображение без подачи питания, этот дисплей идеально подходит для использования в электронных ценниках, промышленных приборах и других встраиваемых системах.
Wiki страничка.
Отличие моего экземпляра в том, что у модуля имеется дополнительный набор выводов внизу. К этим выводам можно подключать стандартные перемычки.

Особенности

Не требует подсветки, сохраняет последнее изображение даже при отключении питания
Сверхнизкое энергопотребление — питание требуется в основном только при обновлении
Интерфейс SPI, совместим с такими платами, как Raspberry Pi, Arduino, STM32, ESP32 и др.
Встроенный преобразователь уровней напряжения, подходит для микроконтроллеров с питанием 3.3В и 5В
Поставляется с примерами кода и документацией (поддержка Raspberry Pi, Jetson Nano, Arduino, STM32)

Технические характеристики

Рабочее напряжение: 3.3В / 5В
Интерфейс: 3-проводный SPI, 4-проводный SPI
Габаритные размеры: 48 мм × 33 мм
Размер области отображения: 27.6 мм × 27.6 мм
Шаг пикселя: 0.138 мм × 0.138 мм
Разрешение: 200 × 200 пикселей
Цвета отображения: черный, белый
Уровни серого: 2
Время частичного обновления: 0.3 с
Время полного обновления: 2 с
Потребляемая мощность при обновлении: ~26.4 мВт
Потребляемая мощность в режиме ожидания: <0.017 мВт
Угол обзора: >170°

Назначение выводов

Обозначение	Назначение
VCC	Питание 3.3В / 5В
GND	Земля
DIN	SPI — линия MOSI
CLK	SPI — линия SCK
CS	Выбор чипа SPI, активный уровень — низкий
DC	Выбор данных/команды (высокий уровень — данные, низкий — команда)
RST	Аппаратный сброс, активный уровень — низкий
BUSY	Статус занятости, активный уровень — высокий

Датчик температуры DS18B20

DS18B20 — это цифровой датчик температуры, работающий по протоколу 1-Wire. Устройство поддерживает настраиваемое разрешение измерений от 9 до 12 бит и может сохранять полученные данные во встроенной энергонезависимой памяти (EEPROM). Благодаря поддержке 1-Wire-интерфейса, датчик может функционировать как в одиночном режиме, так и в составе сети, объединённой общей шиной, управляемой центральным микроконтроллером.

Диапазон измеряемых температур составляет от -55 до +125 °C. В пределах температур от -10 до +85 °C точность измерения достигает ±0.5 °C. В случае отсутствия внешнего источника питания датчик может использовать паразитное питание, получаемое непосредственно от линии передачи данных.

Каждый экземпляр DS18B20 имеет уникальный 64-битный идентификационный код. Этот код состоит из 8-битного кода семейства (28h), 48-битного серийного номера и контрольной суммы CRC (8 бит). Такая структура позволяет использовать множество датчиков на одной линии, обеспечивая их индивидуальную адресацию и управление с помощью одного микроконтроллера, даже если они распределены на значительном расстоянии друг от друга.

Основные параметры DS18B20:

интерфейс связи: 1-Wire;
диапазон рабочих температур: -55…+125 °C;
точность: ±0,5 °C в пределах от -10 до +85 °C;
формат хранения температуры: 9-битное значение;
максимальное время преобразования: 750 мс.

Внутренняя структура памяти DS18B20 включает как оперативную (RAM), так и энергонезависимую (EEPROM) части. В частности:

байты 0 и 1 содержат результат измерения температуры;
байты 2 и 3 — верхний (TH) и нижний (TL) температурные пороги;
байты 4 и 5 не используются;
байты 6 и 7 — счётчики, применяемые для повышения точности;
байт 8 содержит CRC-код для проверки целостности данных.

Дополнительные команды датчика, помимо стандартных для всех 1-Wire-устройств:

Alarm Search (ECh) — поиск датчиков с тревожным значением температуры (вышедшей за пределы TH или TL);
Convert T (44h) — запуск процесса измерения температуры и сохранения результата в памяти;
Write Scratchpad (4Eh) — запись TH, TL и байта конфигурации в RAM;
Read Scratchpad (BEh) — чтение 9 байтов RAM, включая данные температуры и CRC;
Copy Scratchpad (48h) — перенос значений TH и TL из RAM в EEPROM.

Процедура получения данных температуры:

Инициализация шины 1-Wire (reset и поиск устройств).
Отправка команды 0x44 для начала преобразования температуры.
Ожидание завершения измерения (не менее 750 мс).
Отправка команды 0xBE для чтения содержимого RAM (температурные данные находятся в первых двух байтах).

DS18B20 поддерживает два варианта питания: стандартное (трёхпроводное подключение) и паразитное (двухпроводное), что позволяет гибко интегрировать датчик в разнообразные схемы и устройства.

Модуль датчиков CJMCU-8128

Данный модуль можно найти на Aliexpress.

Модуль объединяет три цифровых датчика — CCS811, HDC1080 и BMP280, обеспечивая измерение параметров качества воздуха, включая уровень летучих органических соединений (TVOC), влажность, температуру и атмосферное давление. Все датчики подключаются через стандартный интерфейс I2C, что упрощает интеграцию в различные проекты.

Основу контроля за загрязнением воздуха в помещении составляет газоанализатор CCS811, способный определять широкий спектр летучих органических соединений (TVOC) и рассчитывать эквивалентную концентрацию углекислого газа (eCO₂). Такие соединения зачастую присутствуют в воздухе из-за испарений от строительных материалов, бытовой электроники, офисного оборудования и даже дыхания человека. Хотя CCS811 изначально проектировался для использования в компактной электронике вроде умных часов и смартфонов, его версия в модуле адаптирована для использования на макетных платах и в прототипах, благодаря удобным контактным площадкам.

CCS811 поддерживает несколько режимов работы, что позволяет эффективно управлять энергопотреблением. Это особенно важно при использовании в автономных и портативных устройствах. На плате предусмотрены дополнительные пины для подключения термистора NTC, который может применяться для температурной компенсации показаний. Для стабильной и точной работы рекомендуется выполнить "прогрев" датчика — первые 48 часов после начала эксплуатации, а также 20 минут после каждого включения питания.

HDC1080 — это цифровой сенсор температуры и влажности, разработанный компанией Texas Instruments. Он отличается компактностью, энергоэффективностью и точностью, что делает его отличным выбором для измерения микроклимата в помещениях.

Дополняет комплект BMP280 — прецизионный барометрический датчик от Bosch, который способен измерять атмосферное давление и температуру. Он поддерживает высокоскоростной обмен по шине I2C и требует минимального энергопотребления, что делает его подходящим для метеостанций, высотомеров и других IoT-приложений.

К недостаткам данного модуля я отнес бы то, что из-за нагревания сенсора CCS811, другие датчики показывают завышенную температуру где-то на 2 °C.

Основные характеристики компонентов:

CCS811:

Диапазон измерения TVOC: 0–1187 ppb
Диапазон eCO₂: 400–8192 ppm
Режимы работы: 5 вариантов
Встроенный микроконтроллер для обработки данных
Интерфейс: I2C
Напряжение питания: 1.8–3.6 В
Температурная компенсация: с использованием внешнего датчика

HDC1080:

Интерфейс: I2C
Напряжение питания: 2.7–5.5 В
Разрешение: 0.1
Влажность: 0–100% RH
Температура: от –40°C до +125°C
Точность: ±3% RH, ±0.2°C
Заводская калибровка, дополнительных компонентов не требует

BMP280:

Напряжение питания: 1.71–3.6 В
Скорость интерфейса I2C: до 3.4 МГц
Ток потребления: 2.7 μA при 1 Гц
Уровень шума: до 0.2 Па и 0.01°C
Диапазон давления: 300–1100 hPa (примерно от +9000 м до –500 м)
Интерфейс: I2C
Калиброван на заводе

Полезные ресурсы:

Схема подключения.

Схема подключения нарисована во Fridzing. Библиотеки в основном скачивал готовые на просторах сети. Компонент для модуля CJMCU-8128 сделал по примеру на youtube. Модуль ESP32, который используется в действительности немного отличается набором пинов от библиотечного, но в целом расположение выводов соответствует.

А так выглядит картинка Fritzing на Breadboard вкладке

проект файла e-home.fzz

Реализация программной части

В исходном примере ESP32 E-Paper Thermometer проект выполнен в Arduino IDE. Библиотеки для работы с e-paper дисплеем и сенсорами модуля CJMCU-8128 также реализованы для Arduino. В первом варианте проекта я изрядно убил времени, чтобы собрать нужные исходные файлы и отредактировать существующие, а затем заставить работать дисплей на ESP-IDF. В обновленной версии проекта поступил намного проще. Первым делом создал новый проект в ESP-IDF 5.4.1 - последняя стабильная версия на момент написания. В ESP-IDF версии 5.x можно установить Arduino как зависимость.

idf.py add-dependency "espressif/arduino-esp32^3.0.2"

Библиотеки для дисплея

Далее собираем необходимые компоненты для работы дисплея. Клонируем следующие проекты в components каталог:

Adafruit-GFX-Library - основная графическая библиотека для Adafruit дисплеев, предоставляющая общий набор графических примитивов.
Adafruit_BusIO - вспомогательная библиотека для работы дисплея с I2C, SPI
GxEPD - библиотека отображения на e-paper дисплее с общим базовым классом и отдельным классом ввода-вывода для Arduino.

BitmapGraphics.h - необходим для отрисовки на дисплее пиктограммы термометра, символа °C и надписи Temperature.

Есть уже готовая реализация Adafruit-GFX-Library-ESP-IDF. Я не пробовал работать с этой библиотекой, возможно с ней все проще. Также существует библиотека GxEPD2, возможно попробую использовать её.
Библиотека GxEPD реализует абстрактные методы Adafruit-GFX-Library. Из GxEPD нам нужно только GxGDEH0154D67-исходники для данного типа дисплея. GxEPD используется в ESP32 E-Paper Thermometer проекте, поэтому остановился на ней. Компилятор ESP-IDF 5.4.1 ругается на то, что методы класса GxIO не переопределены. В ранних версиях IDF такой ошибки не было. Проще всего можно добавить пустую реализацию методов или обозначить их как чисто виртуальные методы, добавив = 0 для виртуальных методов без реализации в заголовок GxIO.h.

    virtual void writeDataTransaction(uint8_t d) = 0;
    virtual void writeData16Transaction(uint16_t d, uint32_t num = 1) = 0;
    virtual void writeCommand(uint8_t c) = 0;
    virtual void writeData(uint8_t d) = 0;
    virtual void writeData(uint8_t* d, uint32_t num) = 0;
    virtual void writeData16(uint16_t d, uint32_t num = 1) = 0;
    virtual void writeAddrMSBfirst(uint16_t d) = 0;
    virtual void startTransaction() = 0;
    virtual void endTransaction() = 0;
    virtual void selectRegister(bool rs_low) = 0;
    virtual void setBackLight(bool lit) = 0;

Библиотеки для сенсоров

Для модуля датчиков CJMCU-8128 используются библиотеки Adafruit, CCS811 и ds18b20.

Adafruit_Sensor - унифицированный модуль абстракции для сенсоров от Adafruit.
Adafruit_BMP280_Library - библиотека для датчика измерения барометрического давления и температуры BMP-280.
Adafruit_Si7021 - библиотека для датчика влажности/температуры Adafruit Si7021.
CCS811 - библиотека Arduino для цифрового датчика газа CCS811 контроля качества воздуха в помещении.
ds18b20 - простая библиотека для одного DS18B20 на ESP32.

Эти библиотеки можно подключить как компоненты IDF, или просто просто как файлы проекта в основном модуле. Для IDF 5.x существует DS18B20 Device Driver с возможностью работы с многими DS18b20 сенсорами.

Подключение к Wi-Fi (режим STA):

EventGroup — это механизм синхронизации задач в FreeRTOS. Он позволяет задачам или обработчикам событий общаться между собой с помощью набора битов (флагов), где каждый бит обозначает какое-то событие или состояние.
Создаётся группа событий wifi_event_group, внутри которой будет использоваться, например, бит BIT0 (часто это 1 << 0, то есть 0x01), чтобы отслеживать успешное подключение к Wi-Fi.

Подключение к Wi-Fi:
- После запуска Wi-Fi и выполнения esp_wifi_connect() ESP32 пытается подключиться к точке доступа.
Успешное подключение и получение IP:
В обработчике IP-событий:
case IP_EVENT_STA_GOT_IP:
xEventGroupSetBits(wifi_event_group, BIT0);
Устанавливается бит BIT0 — это сигнал, что подключение завершено успешно (ESP32 получила IP от DHCP).
Ожидание в главной задаче:
В wifi_start():
xEventGroupWaitBits(wifi_event_group, BIT0, false, true, portMAX_DELAY);
Эта строка блокирует выполнение функции до тех пор, пока не будет установлен BIT0, т.е. пока устройство не подключится к Wi-Fi.

Это нужно для того, чтобы не продолжать запуск MQTT-клиента, пока не будет Wi-Fi подключения.

Создание группы событий (wifi_event_group) - используется для синхронизации статуса подключения.
Инициализация сетевого стека:
- esp_netif_init() — инициализация TCP/IP стека.
- esp_event_loop_create_default() — создание цикла обработки событий.
- esp_netif_create_default_wifi_sta() — создание интерфейса Wi-Fi в режиме станции (STA).
Инициализация Wi-Fi:
- esp_wifi_init() — инициализация драйвера Wi-Fi.
- Регистрация обработчиков событий Wi-Fi и IP (esp_event_handler_instance_register).
Настройка подключения:
- Задание SSID и пароля в структуре wifi_config_t.
- Установка режима станции: esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA).
- Применение конфигурации: esp_wifi_set_config().
Запуск Wi-Fi:
- esp_wifi_start() — запуск Wi-Fi.
- В WIFI_EVENT_STA_START вызывается esp_wifi_connect().
Обработка событий:
- При отключении (WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED) — попытка повторного подключения.
- При получении IP (IP_EVENT_STA_GOT_IP) — установка бита события (BIT0) в группе событий.
Ожидание подключения:
- xEventGroupWaitBits(..., BIT0, ...) — блокирующее ожидание успешного подключения к Wi-Fi.

Исходный файл wifi.c.

Работа с MQTT:

Создание группы событий (mqtt_event_group) — для синхронизации при необходимости (в данном коде не используется явно).
Настройка MQTT клиента:
- URI брокера: mqtt://192.168.1.107:1883.
- Интервал Keepalive = 10 секунд.
- Last Will сообщение при отключении: "0" в топик esp-home/status/activ (с флагом retain).
Инициализация и запуск:
- esp_mqtt_client_init() — инициализация клиента.
- esp_mqtt_client_register_event() — регистрация обработчика событий.
- esp_mqtt_client_start() — запуск клиента.
Обработка событий MQTT:
- MQTT_EVENT_CONNECTED — подписка на esp-home/cmnd/#.
- MQTT_EVENT_SUBSCRIBED — публикация "1" в esp-home/status/activ.
- MQTT_EVENT_DATA — вывод полученных сообщений (топик + данные).
- Также логируются события отключения, ошибки, публикации и отписки.

Исходный файл mqtt.c.

Логика основного модуля

Инициализация:

Запуск системы:
- Инициализация NVS (nvs_flash_init()).
- Подключение к Wi-Fi (wifi_start()).
- Запуск MQTT-клиента (mqtt_app_start()).
Создание задачи display_task:
- Задача отвечает за работу с сенсорами, отображение данных и отправку по MQTT.

display_task функция

1. Инициализация сенсоров и дисплея:

DS18B20 — температурный датчик на GPIO 25 (ds18b20_init()).
I2C-шина (SDA=33, SCL=32) — для остальных сенсоров.
Сенсоры:
- CCS811 — датчик CO₂ и TVOC.
- BMP280 — температура и давление.
- Si7021 — температура и влажность.
E-ink дисплей — инициализация с пиктограммой.

2. Основной цикл задачи

Считывание значений с сенсоров:
- DS18B20 - температура на улице.
- BMP280 — температура и давление в помещении.
- Si7021 — температура и влажность в помещении.
- CCS811:
  - Установка климатических данных (темп./влажн.) для компенсации.
  - Получение CO₂ и TVOC.
Обновление e-link дисплея:
- Показывается температура с DS18B20 (частичное обновление).
Формирование JSON-строки (sprintf) с измерениями:
- Все значения сенсоров включаются в строку buffer в формате PAYLOAD.
Публикация данных через MQTT:
- Тема: "esp-home/send".
- Данные: buffer.
Задержка перед следующим измерением:
- vTaskDelay(3000 / portTICK_PERIOD_MS); (3 секунды).

Исходный файл main.cc

Структура проекта

home-sensors/
├── components/
│   ├── Adafruit_BusIO/           # Adafruit I2C/SPI bus abstraction library
│   ├── Adafruit-GFX-Library/     # Adafruit graphics primitives for displays
│   ├── Adafruit-sensors/         # Adafruit sensors
│   ├── ds18b20/                  # 1-Wire DS18B20 temperature sensor driver
│   ├── GxEPD/                    # E-paper display driver library
│   └── ccs811/                   # CCS811 air quality sensor driver
├── main/
│   ├── BitmapGraphics.h          # Header for bitmap/e-paper graphics utilities
│   ├── wifi.h                    # Wi-Fi connection management header
│   ├── mqtt.h                    # MQTT client interface header
│   ├── main.cc                   # Main application entry point
│   ├── wifi.c                    # Wi-Fi connection management implementation
│   └── mqtt.c                    # MQTT client implementation
├── CMakeLists.txt                # Project build configuration
└── README.md                     # Project overview and instructions

Исходный код проекта находится в этом репозитории.

Заключение

Проект выполнен на ESP-IDF версии 5.4.1. Arduino-фреймворк подключен как зависимость espressif/arduino-esp32. Такой подход позволяет достаточно легко адаптировать различные готовые решения Arduino-платформы на ESP-IDF. Но иногда требуется доработка библиотек и CMakeLists.txt - файлов. Необходимо обращать внимание на конфигурацию в исходниках библиотек, такую как инициализация портов ввода-вывода, шин I2C и прочего.
На ESP-IDF реализована логика считывания данных из сенсоров: DS18B20, CCS811, BMP280, Si7021, CCS811 с помощью библиотек для среды Arduino.
Портирован исходный код из проекта ESP32 E-Paper Thermometer для отображения температуры от датчика DS18B20 на E-Ink дисплее.
E-Ink дисплей подключен по SPI согласно дефолтной конфигурации в библиотеке.
Данные передаются по MQTT в домашнюю систему.

Хабы: