Programar un módulo wifi ESP8266 desde el IDE de Arduino

Una de las alternativas al SDK oficial de Espressif para programar directamente el SoC wifi ESP8266 es utilizar el IDE de Arduino. Esta alternativa es una de las más sencillas de usar a la vez que cuenta con un grado de madurez suficiente para producción.

Hay varias formas de utilizar la plataforma de desarrollo de Arduino con el ESP8266. La forma más básica es con el MakeFile makeEspArduino, indicada para compilar el programa y grabar la memoria flash desde la consola o desde un IDE genérico.

La segunda forma de programar el ESP8266 utilizando la infraestructura de Arduino es por medio de PlatformIO, un sistema de desarrollo pensado para la IoT con el que se pueden utilizar diferentes tipos de hardware y marcos de trabajo, ya sea desde un IDE genérico o desde la consola o desde el propio IDE de PlatformIO basado en Atom.

Instalar los componentes de desarrollo del ESP8266 en el IDE de Arduino

La tercera forma, que es la que se explica en este artículo, es desde el propio IDE de Arduino. Para instalarlo «a mano», se puede clonar el repositorio git de ESP8266 para Arduino en GitHub dentro de la carpeta «hardware» de la carpeta de Arduino.

Suponiendo que la carpeta en la que se encuentra instalado el IDE de Arduino fuera /arduino/hardware, los pasos que habría que seguir para añadir las placas ESP8266 serían:

En lugar de instalarlo clonando el repositorio git de ESP8266 para Arduino en GitHub, se puede hacer de forma automática por medio del gestor de placas del IDE de Arduino al que se accede desde el menú de preferencias.

Para añadir el ESP8266 al IDE de Arduino se escribe el URL de la descripción de este SoC (un documento JSON) en la casilla de texto del cuadro de diálogo de preferencias denominada «Gestor de URLs Adicionales de Tarjetas» http://arduino.esp8266.com/staging/package_esp8266com_index.json

Una vez que se ha añadido el repositorio con las placas de desarrollo basadas en el ESP8266 a los URL adicionales, se pueden instalar nuevas versiones, desinstalar las existentes… desde el gestor de tarjetas al que se accede desde el menú de placas que se encuentra en el de herramientas.

En el gestor de tarjetas se pueden filtrar las que se muestran para que aparezcan, por ejemplo, solamente las que disponen de una actualización, las placas de desarrollo oficiales de Arduino… Para mostrar las placas de desarrollo aportadas por terceros se selecciona la entrada contribución del menú desplegable etiquetado como tipo.

Una vez que se ha elegido mostrar solamente las tarjetas de desarrollo aportadas por terceros aparecerán las placas basadas en el ESP8266 junto con otras incluidas por defecto o que se hayan instalado anteriormente.

Al seleccionar la entrada ESP8266 by ESP8266 Community, placas de desarrollo ESP8266 soportadas por la comunidad (no por el fabricante, Espressif) se puede acceder a la ayuda en-línea, al repositorio git de ESP8266 para Arduino en GitHub y a las diferentes versiones para instalarlas o eliminar (desinstalar) este tipo de placas de desarrollo (tarjetas, en la nomenclatura del IDE de Arduino.

Elegir el tipo de placa de desarrollo con el SoC ESP8266

Una vez añadidas las placas basadas en el SoC wifi ESP8266 se pueden elegir de la misma forma que se selecciona cualquier otra placa Arduino: en la entrada etiquetada placa del menú de herramientas del IDE.

En el submenú que se despliega al elegir la entrada placas se muestran todas las tarjetas soportadas por la comunidad de desarrolladores del ESP8266. Lógicamente no estarán todas las placas que existen en el mercado y menos los circuitos propios que se hayan diseñado utilizando este SoC, en tal caso, debe seleccionarse la entrada Generic ESP8266 Module.

Puede que en el submenú aparezcan dos entradas como esta (dependerá del documento boards.txt de la carpeta en la que se instaló el soporte para las placas de desarrollo ESP8266 en Arduino), la primera suele ser más genérica y soporta las placas con 4 Mbit y la segunda es más específica para las placas que disponen de una memoria flash 8 Mbit.

Una vez que se ha elegido el tipo de placa el menú herramientas cambia para mostrar las opciones de configuración que corresponden a la que se ha seleccionado. Las opciones de configuración aparecen bajo la entrada en la que se seleccionan los dispositivos, que ahora mostrará el nombre del tipo de placa, y sobre el puerto que utilizará Arduino para grabar la memoria flash

Dado que la mayoría de placas de este tipo (especialmente las genéricas) se programan utilizando un adaptador UART TTL a USB, en el nombre del puerto aparecerá algo como /dev/ttyUSB4 o COM4 sin el nombre de la placa puesto que lo que el IDE detecta es el adaptador y no la propia placa.

Al elegir el tipo de placa de desarrollo, el IDE de Arduino también cambia el desplegable en el que se incluyen las librerías (desde el menú etiquetado programa). En la captura de pantalla de abajo se muestra las librerías que aparecen instaladas por defecto y en la siguiente las que aparecen cuando se elige una placa con el SoC ESP8266 de Espressif.

En la lista de librerías se muestran diferenciadas en dos grupos las que aporta Arduino y las que se han incluido como aportaciones de terceros. Al elegir una placa de desarrollo basada en el SoC wifi ESP8266, además de añadirse nuevas librerías diseñadas para sus características específicas, se sustituirán por las de terceros las que aporta el IDE y no son compatibles, como es el caso de la librería Wire.

La librería sustituta será equiparable con la original y funcionará de manera similar aunque puede que con alguna peculiaridad, por ejemplo, en el caso de la librería Wire no está implementado (por el momento) el modo esclavo, así que el ESP8266 actuará necesariamente como dispositivo principal del bus I2C

Configurar la placa de desarrollo con el SoC ESP8266

Configurar la velocidad a la que envían los datos para grabar la memoria flash

Dependiendo tanto de la propia placa como de otros factores externos (como el adaptador UART TTL a USB o hasta el propio PC). La velocidad más alta a la que más habitualmente funciona sin problemas la grabación de la memoria flash es 115200 baudios. En una placa o configuración especialmente problemática puede ser necesario ir probando velocidades más bajas hasta encontrar una estable o, al contrario, se pueden probar velocidades más altas y establecer (de forma subjetiva) la más rápida que funciona sin problemas. Algunos usuarios optan por velocidades altas por defecto y si la grabación del programa no se realiza de forma satisfactoria repiten el proceso; esta alternativa, bien ponderada, suele ser resultar en un proceso más rápido que la elección de una velocidad menor aunque más segura.

Configurar la conexión SPI de la memoria flash

Los tipos de memoria flash que se incorporan a los circuitos basados en el SoC wifi ESP8266 permiten acceder utilizando un bus QuadSPI que cuadruplica la velocidad del SPI convencional pero que requiere seis conexiones con el MCU además de dos para la alimentación. Por esta razón los GPIO del 6 al 11 están en uso, cosa que deja pocos GPIO libres para usos genéricos.

Una forma de conseguir un par de GPIO es degradando la velocidad de acceso a la memoria flash, ya que se pueden desconectar de la memoria GPIO9 y GPIO10 (conectando a nivel alto WP y HOLD) de manera relativamente fácil. Este modo de conexión, de acceso más lento a la memoria flash, es también a la que recurren algunas placas de desarrollo.

Siempre que el hardware de la placa de desarrollo no haya fijado el modo de acceso se podrá elegir entre los modos ⓪ QIO, cuádruple velocidad de acceso de lectura y escritura, ① QOUT cuádruple velocidad de acceso de lectura a la memoria flash, ② DIO, velocidad de acceso dual de lectura y escritura y ③ DOUT, doble velocidad de acceso de lectura a la memoria flash.

Además de la velocidad de acceso a la memoria flash, su frecuencia de funcionamiento determina la velocidad a la que el ESP8266 accederá a los datos que haya almacenados en ella. La frecuencia habitual de la memoria flash de este SoC es de 40 MHz pero es relativamente sencillo hacerle overclocking para que funcione a 80 MHz (aunque sin garantías de éxito ni de estabilidad de funcionamiento). En la entrada flash frequency del menú de herramientas se podrá elegir la frecuencia utilizada en la placa de desarrollo que se está programando.

Configurar la frecuencia de funcionamiento del ESP8266

Igual que ocurre con la memoria flash, es relativamente sencillo hacer overclocking al MCU y duplicar la frecuencia a la que funciona en la aplicación convencional, 80 MHz, para hacerlo funcionar a 160 MHz. Lógicamente los cálculos en los que esté involucrada la duración del ciclo de reloj (cálculos de tiempo) tendrán que adaptarse a esta frecuencia seleccionándola en el IDE por medio de la entrada CPU frequency del menú de herramientas.

Seleccionar el modo de reinicio (reset)

Para grabar el programa en la memoria flash de la placa de desarrollo basada en el SoC wifi ESP8266 el IDE de Arduino utiliza la aplicación esptool-ck. Esta aplicación puede resetear SoC al terminar la grabación utilizando varios métodos dependiendo del las conexiones en la placa de desarrollo y las del adaptador UART TTL a USB.

• En las placas NodeMCU, entre otras, hay una conexión entre DTR y RESET y RTS y GPIO0 por medio de unos transistores (como puede verse en el esquema del kit de desarrollo de NodeMCU) que la utilidad esptool-ck puede activar si se le indica la opción -cd nodemcu.
• La conexión RTS de la UART se puede conectar a la patilla RESET o a la patilla ENABLE del ESP8266 y resetear el MCU (en el primer caso desconectándolo y volviendo a conectarlo y en el segundo por su propia función) con la opción -cd ck de esptool-ck. Para utilizar esta segunda fórmula también debe estar conectado DTR de la UART a GPIO0 del ESP8266
• También se puede reiniciar el ESP8266 al terminar la grabación si se conecta DTR de la UART a RESET del MCU y la patilla de transmisión a GPIO0 utilizando un transistor. En tal caso, el parámetro que se pasa a esptool-ck resulta -cd wifio

Dependiendo del tipo de placa de desarrollo se podrá elegir alguno de los métodos anteriores en la entrada denominada reset method del menú de herramientas. En algunos módulos wifi ESP8266 (o diseños propios) no está disponible ninguno de los métodos anteriores, en tal caso será necesario reiniciar manualmente el dispositivo para ejecutar el programa que se ha grabado en la memoria flash.

Elegir la cantidad y distribución de la memoria flash

El SoC wifi ESP8266 dispone de una ROM de 64 KBytes que se utiliza como cargador al arranque (gestor de arranque o bootloader) y una RAM de 64 KBytes para almacenar el programa que se ejecuta en el MCU. El código se carga desde la memoria flash al inicio.

512 KBytes de memoria flash en el contexto de un microcontrolador convencional parece una cantidad de memoria enorme, no extraña que se dedique a varios usos. Al principio de la memoria se almacena el código del programa, en el siguiente bloque se suele dejar espacio para poder actualizarlo OTA. Al final se reserva un espacio para simular el funcionamiento de la EEPROM de Arduino y otro espacio para almacenar la configuración del dispositivo (especialmente para los parámetros relacionados con la conexión wifi). Entre estas zonas al principio y al final puede quedar una buena cantidad de memoria en la que se pueden almacenar contenidos con una estructura equiparable a un sistema de archivos utilizando el SPIFFS.

En la entrada etiquetada como flash size (del menú de herramientas) se puede elegir la cantidad de memoria disponible en la placa de desarrollo y la parte de la misma que se desea dedicar al sistema de archivos para memoria flash SPI (SPIFFS) que en tiempo de ejecución se gestionará desde el programa que el ESP8266 esté ejecutando.

Cuando se seleccionan algunos tipos de placas de desarrollo basadas en el SoC wifi ESP8266 (por ejemplo el módulo wifi ESP8266 ESP-07) aparece una configuración de memoria predeterminada más o menos fija dependiendo del modelo seleccionado.

Configurar la depuración del código que se ejecuta en el ESP8266

El sistema de desarrollo del IDE de Arduino para el ESP8266 incluye soporte para enviar mensajes de depuración automáticos o generados desde el programa con DEBUG_MSG a uno de los puertos serie. En la entrada etiquetada debug port del menú de herramientas se puede activar, para hacerlo, se elige uno de los puertos serie del SoC wifi ESP8266. El puerto cero (llamado Serial), el utilizado para la grabación del programa en la memoria flash puede enviar y recibir datos mientras que el puerto uno (llamado Serial1) solamente puede enviar datos, lo que lo hace un buen candidato para esta tarea.

Además de activar los mensajes de depuración se pueden configurar las situaciones de las que se desea recibir estos mensajes seleccionándolas en la entrada llamada debug level del menú de herramientas. Si se elige no enviar ningún mensaje automático (la entrada etiquetada como ninguno en el desplegable debug level del menú de herramientas) aún seguirán funcionando los mensajes enviados expresamente desde el programa. Utilizar un puerto serie para la depuración no lo inhabilita para el resto de su uso normal siempre que se ponga atención a la presencia de la información de depuración.

Seleccionar el compilador para la librería lwIP del ESP8266

Además de usar el código precompilado de la librería lwIP, las versiones más recientes del sistema de desarrollo para el ESP8266 sobre el IDE de Arduino recogen, eligiendo como placa el modo denominado Core Development Module, la posibilidad de recompilar la librería lwIP tanto con el compilador libre GCC como el de los procesadores Xtensa (XCC) originalmente de Tensilica y actualmente parte de Cadence Design Systems.