E-paper Arduino термометр на ESP-IDF

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 ^[1] описывается, как отображать окружающую температуру, измеренную с помощью датчика DS18B20. Проект выполнен в Arduino IDE. Но я решил пройти “Путь самурая” и портировать ^[2] 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 ^[3]:

  • 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 ^[4]

E-Ink дисплей

Это модуль ^[5] 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 ^[6] 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

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:

1. Инициализация шины 1-Wire (reset и поиск устройств).

2. Отправка команды 0x44 для начала преобразования температуры.

3. Ожидание завершения измерения (не менее 750 мс).

4. 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 ^[7].

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 ^[8] 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:

• Документация HDC1080 (даташит) ^[9]

• Библиотека HDC1080 ^[10]

• Документация CCS811 (даташит) ^[11]

• Библиотека CCS811 ^[12]

• Документация BMP280 (даташит) ^[13]

• Библиотека BMP280 ^[14]

Схема подключения.

Схема подключения нарисована во Fridzing ^[15]. Библиотеки в основном скачивал готовые на просторах сети. Компонент для модуля CJMCU-8128 сделал по примеру на youtube ^[16]. 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 ^[17]

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 ^[18].

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 ^[19] – основная графическая библиотека для Adafruit дисплеев, предоставляющая общий набор графических примитивов.

• Adafruit_BusIO ^[20] – вспомогательная библиотека для работы дисплея с I2C, SPI

• GxEPD ^[21] – библиотека отображения на e-paper дисплее с общим базовым классом и отдельным классом ввода-вывода для Arduino.

BitmapGraphics.h ^[22] – необходим для отрисовки на дисплее пиктограммы термометра, символа °C и надписи Temperature.

Есть уже готовая реализация Adafruit-GFX-Library-ESP-IDF ^[23]. Я не пробовал работать с этой библиотекой, возможно с ней все проще. Также существует библиотека GxEPD2 ^[24], 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 ^[25] 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 ^[26] – унифицированный модуль абстракции для сенсоров от Adafruit.

• Adafruit_BMP280_Library ^[14] – библиотека для датчика измерения барометрического давления и температуры BMP-280.

• Adafruit_Si7021 ^[27] – библиотека для датчика влажности/температуры Adafruit Si7021.

• CCS811 ^[28] – библиотека Arduino для цифрового датчика газа CCS811 контроля качества воздуха в помещении.

• ds18b20 ^[29] – 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 ^[30] 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.

1. Создание группы событий (wifi_event_group) – используется для синхронизации статуса подключения.

2. 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).

3. Инициализация Wi-Fi:

   • esp_wifi_init() — инициализация драйвера Wi-Fi.

   • Регистрация обработчиков событий Wi-Fi и IP (esp_event_handler_instance_register).

4. 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().

5. Запуск Wi-Fi:

   • esp_wifi_start() — запуск Wi-Fi.

   • В WIFI_EVENT_STA_START вызывается esp_wifi_connect().

6. 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.

7. Ожидание подключения:

   • xEventGroupWaitBits(..., BIT0, ...) — блокирующее ожидание успешного подключения к Wi-Fi.

Исходный файл wifi.c ^[31].

Работа с MQTT:

1. Создание группы событий (mqtt_event_group) — для синхронизации при необходимости (в данном коде не используется явно).

2. 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).

3. Инициализация и запуск:

   • esp_mqtt_client_init() — инициализация клиента.

   • esp_mqtt_client_register_event() — регистрация обработчика событий.

   • esp_mqtt_client_start() — запуск клиента.

4. 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 ^[32].

Логика основного модуля

Инициализация:

1. Запуск системы:

   • Инициализация NVS (nvs_flash_init()).

   • Подключение к Wi-Fi (wifi_start()).

   • Запуск MQTT-клиента (mqtt_app_start()).

2. 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

1. 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.

2. Обновление e-link дисплея:

   • Показывается температура с DS18B20 (частичное обновление).

3. Формирование JSON-строки (sprintf) с измерениями:

   • Все значения сенсоров включаются в строку buffer в формате PAYLOAD.

4. Публикация данных через MQTT:

   • Тема: "esp-home/send".

   • Данные: buffer.

5. Задержка перед следующим измерением:

   • vTaskDelay(3000 / portTICK_PERIOD_MS); (3 секунды).

Исходный файл main.cc ^[33]

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 ^[34].

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 ^[35] на конфигурацию в исходниках библиотек, такую как инициализация портов ввода-вывода, шин I2C и прочего.
На ESP-IDF реализована логика ^[36] считывания данных из сенсоров: DS18B20, CCS811, BMP280, Si7021, CCS811 с помощью библиотек для среды Arduino.
Портирован исходный код из проекта ESP32 E-Paper Thermometer ^[1] 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.