1 Der Mikrocontroller ESP32 und seine Funktionalitäten

19

1.1 Die ESP32-SoCs

19

1.2 Die Module

22

1.2.1 Die WROOM-, SOLO-, WROVER- und PICO-Module

23

1.3 Die Boards

26

1.4 Das ESP32-Dev-KitC V4

27

1.4.1 Das Pinout

28

1.4.2 Funktionen der GPIO-Pins

29

1.4.3 Höhere Eingangsspannung an GPIOs

36

1.5 Das ESP32-Dev-KitC V4 – Erstinbetriebnahme am PC

37

1.5.1 Windows

38

1.5.2 Linux

38

2 Die Stromversorgung

41

2.1 Betriebszustände und typische Stromverbräuche

41

2.2 Anschlüsse zur Stromversorgung

43

2.3 Grundschema der Stromversorgung

44

2.4 Spannungsquellen

45

2.5 Spannungsregler

47

2.5.1 Lineare Spannungsregler

48

2.5.2 Schaltregler

50

3 Ihre Werkstatt

53

3.1 Breadboard & Co.

53

3.1.1 Das Breadboard

53

3.1.2 Jumperkabel

54

3.1.3 Leiterplatine

55

3.2 Hilfreiche Werkzeuge

57

3.3 Fritzing

60

3.3.1 Was ist Fritzing?

60

3.3.2 Fritzing starten

61

3.3.3 In der Steckplatinenansicht arbeiten

62

3.3.4 In der Schaltplanansicht arbeiten

69

3.3.5 In der Leiterplattenansicht arbeiten

70

3.3.6 Bauteile importieren

72

3.3.7 Bauteile ändern und selbst erstellen

73

3.4 Löttechnik

73

3.4.1 Bauteile auf Platinen löten

74

3.4.2 Bauteile entlöten

75

3.4.3 SMD löten

76

3.4.4 ESP32-Modul löten

77

4 Entwicklungsumgebungen

83

4.1 Der Weg von lesbaren Anweisungen zum Maschinencode

83

4.2 Das Betriebssystem der Entwicklungsumgebung

86

4.3 esptool.py

87

4.3.1 Installation unter Windows

88

4.3.2 Installation unter Linux

92

4.3.3 Ausführbare Versionen von esptool

92

4.3.4 esptool einsetzen

92

4.4 Entwicklungsumgebungen in der Übersicht

95

4.4.1 Das Espressif IDF

96

4.4.2 Die Arduino-IDE auf dem PC

112

4.4.3 Der Arduino-Web-Editor

132

4.4.4 Eclipse

132

4.4.5 MicroPython

132

4.4.6 Lua

140

4.4.7 Rust

146

4.4.8 PlatformIO

146

4.5 Partitionstabelle festlegen

157

4.6 Fazit

159

5 Programmierung mit C und C++

161

5.1 Programmdesign für den Mikrocontroller

161

5.1.1 »Normale« C-/C++-Programme

163

5.1.2 Sketche

164

5.1.3 Erweiterte Programmstruktur

164

5.2 Syntax und Semantik in der Programmiersprache

165

5.3 Zeichen, Kommentare und Begrifflichkeiten

166

5.3.1 Zeichen und ihre Bedeutung

166

5.3.2 Kommentare

168

5.3.3 Begrifflichkeiten

168

5.4 Daten und Datentypen

169

5.5 Variablen

173

5.5.1 Deklaration und Definition

174

5.5.2 Initialisierung und Wertzuweisung

174

5.5.3 Gültigkeitsbereiche von Variablen

175

5.5.4 Typqualifizierer

176

5.5.5 Der Variablenmodifikator PROGMEM

177

5.6 Ausdrücke und Operatoren

177

5.6.1 Arithmetische Operatoren

177

5.6.2 Zuweisungsoperatoren

178

5.6.3 Bedingte Operatoren (Vergleiche)

179

5.6.4 Aussagenlogik

180

5.6.5 Bitoperatoren

182

5.6.6 Typumwandlung

184

5.6.7 Der Operator sizeof

186

5.6.8 Fehlerquellen

186

5.7 Zeiger (Pointer)

186

5.8 Arrays und Strukturen

190

5.8.1 Arrays (Tabellen)

190

5.8.2 struct (Strukturen)

192

5.8.3 union

193

5.8.4 enum

194

5.8.5 typedef

194

5.9 Kontrollstrukturen

194

5.9.1 if-Bedingung

195

5.9.2 if-else

196

5.9.3 switch ... case

197

5.9.4 while-Schleife

199

5.9.5 do-while-Schleife

200

5.9.6 for-Schleife

201

5.10 Funktionen

203

5.10.1 Die Syntax einer Funktion

204

5.10.2 Funktionsdeklaration und Funktionsdefinition

205

5.10.3 Funktionsaufruf

207

5.10.4 Übergabe von Parametern

209

5.10.5 Rücksprung

214

5.10.6 Rückgabe von Ergebnissen

215

5.11 Funktionen nutzen: Ihr Werkzeugkasten

217

5.11.1 Zeitfunktionen

217

5.11.2 Mathematische und trigonometrische Funktionen

218

5.11.3 Zufallszahlen

221

5.12 Klassen und objektorientierte Programmierung

223

5.13 Die String()-Klasse

231

5.14 Serielle Aus- und Eingabe

239

5.15 Exkurs: Tasks und Threads

245

5.15.1 Die FreeRTOS-Task-API

246

5.15.2 Threads programmieren

247

5.16 Präprozessordirektiven

248

5.16.1 Die Direktive #define

248

5.16.2 Die Direktive #include

249

5.16.3 #ifdef-/#endif-Direktive

250

5.17 Prinzipien des Softwareentwurfs

251

5.18 Fehlermanagement

251

5.18.1 Einfache Methoden

251

5.18.2 Aufwendigere Methoden

253

5.18.3 Professionelle Methoden

261

5.18.4 Datenblätter

271

5.19 JSON – das Datenformat für den Datenaustauch

271

6 Peripherie und Funktionen des ESP32

275

6.1 Der interne Hall-Sensor

275

6.2 Digitale Aus-/Eingänge

276

6.2.1 Digitale Ausgänge

277

6.2.2 Digitale Eingänge

279

6.3 Analoge Aus-/Eingänge

284

6.3.1 Analoge Ausgänge

285

6.3.2 Analoge Eingänge

286

6.4 Das ESP32-Touch-Sensor-System

296

6.5 DHT11/DHT22

302

6.6 433-MHz-Steuerung

306

6.7 LED-Control und Pulsweitenmodulation

311

6.7.1 Pulsweitenmodulation

311

6.7.2 Die ESP32-LED-Steuereinheit

313

6.8 Impulszähler

318

6.9 Universal-Timer, Watchdog-Timer

321

6.9.1 Universal-Timer

322

6.9.2 Watchdog-Timer

324

6.10 Energie-(Spar-)Modi

326

6.11 ULP-Programmierung

334

6.12 Daten auf dem ESP32 speichern

364

6.13 FreeRTOS-Taskfunktionen

367

6.14 Thread-Funktionalität nutzen

370

7 Externe Schnittstellen

375

7.1 SPI

375

7.1.1 RFID mit RFID-RC522

376

7.1.2 SD-Karte

383

7.1.3 TFT-Display

389

7.2 I²C

394

7.3 Bluetooth

398

7.3.1 Bluetooth Classic

399

7.3.2 Bluetooth Low Energy

401

7.4 WLAN/Wi-Fi

415

7.4.1 ESP32 als AP

416

7.4.2 ESP32 als »Station«

421

7.4.3 ESP32 mit ESP-Now

428

7.4.4 ESP32-Mesh

437

7.5 UART

437

7.5.1 Die UART-Schnittstellen des ESP32

438

7.5.2 Ein UART-Echo

439

7.5.3 ESP32-Modul flashen

441

7.6 OTA

442

8 Externe Kommunikations- und Steuerungsmöglichkeiten

447

8.1 Das JSON-Datenaustauschformat in der Praxis

448

8.2 Apps

453

8.2.1 Blynk

453

8.2.2 MIT App Inventor

464

8.3 Messenger

476

8.3.1 E-Mail-Versand

477

8.3.2 Pushbullet

484

8.3.3 Alexa

492

8.3.4 Telegram, Twitter und WhatsApp

495

8.4 Das MQTT-Protokoll

495

8.5 Cloud-IoT-Plattformen

503

8.5.1 Cayenne

503

8.5.2 Adafruit IO

509

8.5.3 IFTTT

518

8.6 Lokale Anwendungen nutzen

530

8.6.1 Node-RED

530

8.6.2 ioBroker

543

9 Projektideen

557

9.1 The Evil Dice

557

9.2 Die Maker-Uhr

563

9.3 Das Dateisystem einmal anders

582

9.4 Solar-Repeater

592

9.5 Als die Bilder laufen lernten

596

9.5.1 Schwarz-Weiß-Bild anzeigen

597

9.5.2 RGB-Bild anzeigen

600

9.5.3 TFT-Slide-Show

602

9.6 IoT-Barometer

609

9.6.1 Der Sensor BMP280

610

9.6.2 Das I²C-OLED-Display SSD1306

614

9.6.3 Beide Module an einem gemeinsamen I²C-Bus

622

9.6.4 Beide Module an getrennten I²C-Kanälen

625

9.7 Eine kleine Schaltzentrale

626

A Anhang

645

A.1 Sensoren

645

A.2 Fritzing-Parts

646

A.3 Verwendete Software und Softwareversionen

647

A.4 RTC-MUX-Pin-Liste

648