Expressif Systems - ESP32-C3: Беспроводное приключение: Полное руководство по IoT [2023, PDF, RUS]

Предисловие от издательства......................................................... 13
Введение ............................................................................................ 14
Предисловие....................................................................................... 15
ЧАСТЬ I. ПОДГОТОВКА..........................................................................21
Глава 1. Введение в IoT..................................................................... 23
1.1. Архитектура интернета вещей............................................................23
Уровень восприятия и управления......................................................23
Сетевой уровень....................................................................................24
Уровень платформы..............................................................................25
Прикладной уровень.............................................................................26
1.2. Применение IoT в проекте «Умного дома».........................................26
Глава 2. Введение в практику IoT-проектов............................................ 29
2.1. Введение в типовые проекты IoT...................................................29
2.1.1. Базовые модули для обычных устройств IoT.............................29
2.1.2. Базовые модули клиентских приложений.................................30
2.1.3. Введение в общие облачные платформы IoT............................31
2.2. Практика: проект Smart Light..............................................................32
2.2.1. Структура проекта.......................................................................33
2.2.2. Функции проекта.........................................................................33
2.2.3. Подготовка оборудования...........................................................34
2.2.4. Процесс разработки.....................................................................36
2.3. Резюме...................................................................................................37
Глава 3. Введение в ESP RainMaker........................................................... 38
3.1. Что такое ESP RainMaker?.....................................................................39
3.2. Реализация ESP RainMaker...................................................................40
3.2.1. Служба обработки заявок............................................................41
3.2.2. RainMaker Agent...........................................................................42
3.2.3. Облачный сервер.........................................................................43
3.2.4. Клиент RainMaker.........................................................................44
3.3. Практика: ключевые моменты разработки с ESP RainMaker.............44
3.4. Особенности ESP RainMaker.................................................................46
3.4.1. Управление пользователями.......................................................46
3.4.2. Функции конечного пользователя..............................................47
3.4.3. Функции администратора...........................................................48
3.5. Резюме...................................................................................................48
Глава 4. Настройка среды разработки......................................................... 50
4.1. Обзор ESP-IDF ......................................................................................50
4.1.1. Версии ESP-IDF............................................................................51
4.1.2. Рабочий процесс ESP-DIFF Git....................................................52
4.1.3. Выбор подходящей версии..........................................................53
4.1.4. Обзор каталога ESP-IDF SDK.......................................................53
4.2. Настройка среды разработки ESP-IDF.................................................58
4.2.1. Настройка среды разработки ESP-IDF в Linux...........................58
4.2.2. Настройка среды разработки ESP-IDF в Windows...........................60
4.2.3. Настройка среды разработки ESP-IDF на Mac...........................66
4.2.4. Установка VS Code........................................................................67
4.2.5. Знакомство со сторонними средами разработки......................67
4.3. Система компиляции ESP-IDF.............................................................68
4.3.1. Основные концепции системы компиляции.............................68
4.3.2. Структура файла проекта............................................................69
4.3.3. Правила построения системы компиляции по умолчанию.....71
4.3.4. Введение в сценарий компиляции.............................................72
4.3.5. Введение в общие команды........................................................73
4.4. Практика: компиляция примера программы Blink............................74
4.4.1. Анализ примера...........................................................................74
4.4.2. Компиляция программы Blink....................................................77
4.4.3. Прошивка программы Blink........................................................81
4.4.4. Анализ логов последовательного порта программы Blink......................82
4.5. Резюме...................................................................................................85
ЧАСТЬ II. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ
И ДРАЙВЕРОВ............................................................................................ 87
Глав 5. Аппаратный дизайн продуктов Smart Light на базе
ESP32-C3............................................................................................ 89
5.1. Характеристики и состав продуктов Smart Light................................89
5.2. Аппаратный дизайн базовой системы ESP32-C3...............................93
5.2.1. Источник питания.......................................................................97
5.2.2. Порядок включения питания и сброс системы.........................97
5.2.3. SPI флеш-память..........................................................................98
5.2.4. Источник тактовых импульсов...................................................98
5.2.5. Радиочастотный сигнал (RF) и антенна.....................................99
5.2.6. Выводы управления загрузкой ПО (Strapping Pins)................102
5.2.7. GPIO и ШИМ-контроллер...........................................................102
5.3. Практика: создание системы умного освещения с помощью
ESP32-C3.....................................................................................................103
5.3.1. Выбор модулей...........................................................................103
5.3.2. Настройка ШИМ-сигналов на выводах GPIO...........................105
5.3.3. Загрузка встроенного ПО и интерфейс отладки......................105
5.3.4. Рекомендации по проектированию радиочастотой части.....108
5.3.5. Рекомендации по проектированию источника питания........109
5.4. Резюме.................................................................................................109
Глава 6. Разработка драйверов.....................................................111
6.1. Процесс разработки драйверов.........................................................111
6.2. Периферийные приложения ESP32-C3.............................................112
6.3. Основы построения драйверов светодиодов....................................113
6.3.1. Цветовые пространства.............................................................114
6.3.2. Светодиодный драйвер.............................................................118
6.3.3. Диммирование светодиодов.....................................................119
6.3.4. Введение в ШИМ........................................................................120
6.4. Разработка драйвера для регулирования светодиодов....................122
6.4.1. Энергонезависимая память (NVS)............................................122
6.4.2. Светодиодный ШИМ-контроллер (LEDC).................................123
6.4.3. Программирование ШИМ для светодиодов.............................125
6.5. Практика: добавление драйверов в проект Smart Light...................128
6.5.1 Драйвер кнопки..........................................................................128
6.5.2. Драйвер регулировки яркости светодиода..............................130
6.6. Резюме.................................................................................................134
ЧАСТЬ III. БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ
И УПРАВЛЕНИЕ.................................................................................................135
Глава 7. Настройка Wi-Fi-соединения..........................................................137
7.1. Основы Wi-Fi.......................................................................................137
7.1.1. Введение в Wi-Fi.........................................................................137
7.1.2. Эволюция IEEE 802.11................................................................138
7.1.3. Концепции Wi-Fi........................................................................139
7.1.4. Wi-Fi-соединение.......................................................................141
7.2. Основы Bluetooth................................................................................149
7.2.1. Введение в Bluetooth..................................................................149
7.2.2. Концепции Bluetooth.................................................................150
7.2.3. Bluetooth-соединение................................................................154
7.3. Конфигурация сети Wi-Fi...................................................................158
7.3.1. Руководство по настройке сети Wi-Fi.......................................158
7.3.2. Программная точка доступа (Soft access point, SoftAP)..................158
7.3.3. SmartConfig.................................................................................159
7.3.4. Bluetooth.....................................................................................162
7.3.5. Другие методы............................................................................164
7.4. Программирование Wi-Fi...................................................................166
7.4.1. Компоненты Wi-Fi в ESP-IDF.....................................................166
7.4.2. Упражнение: соединение Wi-Fi.................................................168
7.4.3. Упражнение: интеллектуальное подключение к Wi-Fi...........172
7.5. Практика: конфигурация Wi-Fi в проекте Smart Light.....................184
7.5.1 Соединение Wi-Fi в проекте Smart Light...................................184
7.5.2. Умная настройка Wi-Fi..............................................................185
7.6. Резюме.................................................................................................186
Глава 8. Локальное управление.....................................................187
8.1. Введение в локальное управление....................................................187
8.1.1. Применение локального управления.......................................189
8.1.2. Преимущества локального управления...................................189
8.1.3. Обнаружение управляемых устройств
с помощью смартфонов......................................................................189
8.1.4. Передача данных между смартфонами и устройствами....................190
8.2. Общие методы локального обнаружения.........................................190
8.2.1. Широковещательная передача.................................................191
8.2.2. Групповая передача (Multicast).................................................197
8.2.3. Сравнение широковещательной и групповой рассылок................202
8.2.4. Протокол групповых приложений mDNS
для локального обнаружения.............................................................203
8.3. Общие протоколы связи для локальных данных.............................206
8.3.1. Протокол управления передачей (TCP)....................................206
8.3.2. Протокол передачи гипертекста
(HyperText Transfer Protocol, HTTP)....................................................211
8.3.3. Протокол пользовательских датаграмм
(User Datagram Protocol, UDP).............................................................214
8.3.4. Протокол ограниченных приложений
(Constrained Application Protocol, CoAP)............................................218
8.3.5. Протокол Bluetooth....................................................................222
8.3.6. Обзор протоколов передачи данных........................................228
8.4. Гарантии безопасности данных.........................................................230
8.4.1. Введение в безопасность транспортного уровня (TLS)...........232
8.4.2. Введение в датаграмм-протокол безопасности
транспортного уровня (DTLS).............................................................238
8.5. Практика: локальное управление в проекте Smart Light.................241
8.5.1. Создание локального управляющего сервера на базе Wi-Fi...... 241
8.5.2. Проверка функциональности локального управления
с помощью скриптов...........................................................................245
8.5.3. Создание локального сервера управления на базе Bluetooth......246
8.6. Резюме.................................................................................................248
Глава 9. Управление через облако...........................................................250
9.1. Введение в удаленное управление....................................................250
9.2. Облачные протоколы передачи данных...........................................251
9.2.1. Введение в MQTT.......................................................................251
9.2.2. Принципы MQTT........................................................................252
9.2.3. Формат сообщения MQTT.........................................................254
9.2.4. Сравнение протоколов..............................................................258
9.2.5. Настройка MQTT Broker в Linux и Windows.............................259
9.2.6. Настройка клиента MQTT на основе ESP-IDF..........................260
9.3. Обеспечение безопасности данных MQTT........................................262
9.3.1. Значение и функция сертификатов..........................................262
9.3.2. Локальная генерация сертификатов........................................263
9.3.3. Настройка MQTT Broker.............................................................266
9.3.4. Настройка клиента MQTT..........................................................266
9.4. Практика: дистанционное управление через ESP RainMaker..........268
9.4.1. Основы ESP RainMaker...............................................................268
9.4.2. Протокол связи между узлом и серверной частью облака......269
9.4.3. Взаимодействие между клиентом и облачным бэкендом......274
9.4.4. Типы пользователей..................................................................277
9.4.5. Основные сервисы.....................................................................278
9.4.6. Пример Smart Light....................................................................280
9.4.7. Приложение RainMaker и интеграция сторонних платформ..... 286
9.5. Резюме.................................................................................................293
Глава 10. Разработка приложений для смартфонов..................295
10.1. Введение в разработку приложений для смартфонов...................295
10.1.1. Обзор разработки приложений для смартфонов..................296
10.1.2. Структура проекта Android......................................................296
10.1.3. Структура проекта iOS.............................................................297
10.1.4. Жизненный цикл Android Activity..........................................298
10.1.5. Жизненный цикл iOS ViewController......................................299
10.2. Создание нового проекта приложения для смартфона.................301
10.2.1. Подготовка к разработке под Android....................................301
10.2.2. Создание нового проекта Android..........................................301
10.2.3. Добавление зависимостей для MyRainmaker.........................302
10.2.4. Запрос разрешений в Android.................................................303
10.2.5. Подготовка к разработке iOS...................................................304
10.2.6. Создание нового проекта iOS..................................................304
10.2.7. Добавление зависимостей для MyRainmaker.........................305
10.2.8. Запрос разрешений в iOS........................................................307
10.3. Анализ функциональных требований приложения.......................307
10.3.1. Анализ функциональных требований проекта.....................307
10.3.2. Анализ требований к управлению пользователями.............308
10.3.3. Анализ требований к подготовке и привязке устройства.....309
10.3.4. Анализ требований к удаленному управлению.....................310
10.3.5. Анализ требований к планированию.....................................311
10.3.6. Анализ требований к пользовательскому центру.......................312
10.4. Разработка системы управления пользователями.........................312
10.4.1. Введение в API RainMaker........................................................312
10.4.2. Инициализация связи через смартфон..................................313
10.4.3. Регистрация учетной записи...................................................313
10.4.4. Вход в учетную запись.............................................................316
10.5. Разработка системы подготовки устройств....................................319
10.5.1. Сканирование устройств.........................................................320
10.5.2. Подключение устройств..........................................................321
10.5.3. Генерация секретных ключей.................................................324
10.5.4. Получение идентификатора (ИД) узла...................................324
10.5.5. Подготовка устройств..............................................................326
10.6. Разработка управления устройствами............................................328
10.6.1. Привязка устройств к облачным учетным записям..............328
10.6.2. Получение списка устройств...................................................330
10.6.3. Получение статуса устройства................................................333
10.6.4. Изменение статуса устройства...............................................336
10.7. Разработка расписания и пользовательского центра.....................338
10.7.1. Реализация функции планирования......................................338
10.7.2. Реализация центра пользователей.........................................340
10.7.3. Дополнительные облачные API...............................................343
10.8. Резюме...............................................................................................344
Глава 11. Обновление встроенного ПО и управление версиями...................345
11.1. Обновление прошивки.....................................................................345
11.1.1. Обзор таблицы разделов.........................................................346
11.1.2. Процесс загрузки прошивки...................................................348
11.1.3. Обзор механизма OTA.............................................................350
11.2. Управление версиями прошивки.....................................................353
11.2.1. Маркировка прошивки............................................................353
11.2.2. Откат и защита от отката........................................................354
11.3. Практика: пример OTA-обновления................................................355
11.3.1. Обновление прошивки через локальный хост.......................355
11.3.2. Обновление прошивки через ESP RainMaker.........................358
11.4. Резюме...............................................................................................364
ЧАСТЬ IV. ОПТИМИЗАЦИЯ И СЕРИЙНОЕ
ПРОИЗВОДСТВО............................................................................................365
Глава 12. Управление питанием и оптимизация
энергопотребления..................................................................................367
12.1. Управление питанием ESP32-C3......................................................367
12.1.1. Динамическое масштабирование частоты............................368
12.1.2. Настройка управления питанием...........................................370
12.2. Режимы пониженного энергопотребления ESP32-C3....................370
12.2.1. Режим Modem-sleep.................................................................371
12.2.2. Режим Light-sleep.....................................................................373
12.2.3. Режим глубокого сна Deep-sleep ............................................378
12.2.4. Потребление тока в различных режимах питания................380
12.3. Управление питанием и отладка режима низкого
энергопотребления...................................................................................381
12.3.1. Отладка через логи..................................................................381
12.3.2. Отладка по состояниям GPIO..................................................383
12.4. Практика: управление питанием в проекте Smart Light................385
12.4.1. Настройка функции управления питанием...........................386
12.4.2. Использование блокировки управления питанием..............387
12.4.3. Проверка энергопотребления.................................................388
12.5. Резюме...............................................................................................388
Глава 13. Расширенные функции безопасности устройства.............................389
13.1. Обзор безопасности данных IoT-устройств ...................................389
13.1.1. Зачем защищать данные устройств интернета вещей?.....................390
13.1.2. Основные требования к безопасности
данных IoT-устройств ........................................................................391
13.2. Защита целостности данных............................................................392
13.2.1. Основы метода проверки целостности..................................392
13.2.2. Проверка целостности данных прошивки.............................393
13.2.3. Пример......................................................................................394
13.3. Защита конфиденциальности данных............................................394
13.3.1. Введение в шифрование данных............................................394
13.3.2. Введение в систему флеш-шифрования................................396
13.3.3. Хранение ключей флеш-шифрования....................................399
13.3.4. Рабочие режимы флеш-шифрования.....................................400
13.3.5. Процесс флеш-шифрования....................................................402
13.3.6. Введение в шифрование NVS..................................................403
13.3.7. Примеры флеш-шифрования и шифрования NVS................404
13.4. Защита легитимности данных.........................................................406
13.4.1. Введение в цифровую подпись...............................................406
13.4.2. Обзор системы безопасной загрузки.....................................408
13.4.3. Введение в программную безопасную загрузку ...................408
13.4.4. Введение в аппаратную безопасную загрузку.......................410
13.4.5. Примеры...................................................................................415
13.5. Практика: функции безопасности в серийном производстве.......416
13.5.1. Флеш-шифрование и безопасная загрузка............................416
13.5.2. Включение флеш-шифрования и безопасной загрузки
с помощью инструментов пакетной прошивки................................417
13.5.3. Включение флеш-шифрования и безопасной загрузки
в проекте Smart Light..........................................................................418
13.6. Резюме...............................................................................................418
Глава 14. Запись и тестирование прошивки для серийного
производства...........................................................................................420
14.1. Загрузка прошивки при серийном производстве..........................420
14.1.1. Определение разделов данных...............................................421
14.1.2. Запись прошивки.....................................................................423
14.2. Тестирование серийной продукции................................................424
14.3. Практика: производственные данные в проекте Smart Light........426
14.4. Резюме...............................................................................................426
Глава 15. ESP Insights: платформа удаленного мониторинга............................427
15.1. Введение в ESP Insights....................................................................427
15.2. Начало работы с ESP Insights...........................................................431
15.2.1. Начало работы с ESP Insights в проекте esp-insights.............431
15.2.2. Пример выполнения в проекте esp-insights..........................433
15.2.3. Отчетность об информации дампа памяти ..........................433
15.2.4. Настройка интересующих логов.............................................434
15.2.5. Сообщение о причине перезагрузки......................................435
15.2.6. Отчетность по заданным показателям..................................435
15.3. Практика: использование ESP Insights в проекте Smart Light.......438
15.4. Резюме...............................................................................................440