20221015高科大微學分研習一

(2022/10/15)

主題：NodeMCU與物聯網入門

教材講義：http://gg.gg/1015nkust

時間：2022.10.15、16兩天的 13:00~17:30

地點：建工校區 育賢樓 4樓 育400教室

講師：黃文玉老師 (shspswenyu@gmail.com)

• • 高雄市新上國小電腦老師

  • 高雄市SCRATCH推廣教師

  • 教育部中小學教師運算思維增能研習種子教師

  • Facebook S4A社團管理員之一

  • 第一屆聯發科 2022 STEM造課師

  • 致力Scratch、Arduino、micro:bit、Web:Bit、凱比機器人等程式教育及創客教育的推廣(分享一系列的文章)

一、認識ESP32

• 前一代晶片是ESP8266(可以連上網的晶片)

• 參考文章：

  • https://jimirobot.tw/esp32-micropython-tutorial-basic-101/

  • https://youyouyou.pixnet.net/blog/post/119410732

  • https://youyouyou.pixnet.net/blog/post/120250897-%e7%ac%ac%e4%ba%8c%e7%af%87-esp32%e7%9a%84hello-world

• 各開發板所使用的模組

  • 樂鑫科技(ESPRESSIF)：開發ESP32晶片 (工作電壓：3.0~3.6V)

    • 主要特色：雙核心、32位元、支援Wi-Fi(2.4GHz)與藍牙低功耗通訊(4.2版)

  • 樂鑫科技(ESPRESSIF)：整合【ESP32-D0WDQ6雙核心系統單晶片】+【石英震盪器】+【4MB快閃記憶體(flash)】，組成一個【ESP32-WROOM-32模組】

    • 最高階是ESP32-WROVER，主要是比ESP32-WROOM多了8MB的PSRAM的設定

  • 各開發商：將【各類WROOM模組】+【直流電源降壓元件】+【UART轉USB通訊晶片】，就能組成一個基本的ESP32開發板。

    • Web:Bit：ESP32-WROOM-32

    • PocketCard：ESP32-WROOM-32D

    • DOIT NodeMCU：ESP32-WROOM-32

    • NodeMCU-32S：ESP32-WROOM-32

    • HaloCode：ESP32-WROVER

    • ...

  • 晶片/模組/開發板的關係，可從下面腳位那張圖中看出

• 我玩過的ESP32開發板

  • Web:Bit開發板

    • Webduino(慶奇科技)推出，高雄市前瞻計畫購買，很多學校都有

    • 官方程式編輯軟體

    • Web:Bit教育版網頁版：https://webbit.webduino.io/blockly/?demo=default

    • Web:Bit教育版安裝版：可用USB連線、設定WIFI及韌體回復原廠，如果要將程式寫入板子，又要回復原廠，一定要裝安裝版！

    • 各內建元件所使用的腳位及金手指腳位與GPIO的對照圖(很重要)

    • https://webbit.webduino.io/tutorials/doc/zh-tw/education/index.html

    • 金手指腳位與micro:bit相容

  • PocketCard開發板

    • 高雄凱斯電子推出 https://www.buyic.com.tw/product_info.php?products_id=7003&Twesid=1iht42nl67l0f5lp78vlg1oml0

    • 官方無提供編輯軟體，但提供第三方的作法：https://kaise-ksrobot.github.io/docs/ch/MCU/ESP/PocketCard/PocketCard_home.html

    • 前陣子九軸感測器(MPU9250)漲價改版成Lite版，將9軌改3軸(MSA301)

    • 一樣要知道各內建元件所使用的腳位及金手指腳位與GPIO的對照圖

    • 金手指腳位與micro:bit相容

  • Halocode(光環板)開發板

    • 大陸Makeblock推出 https://mblock.makeblock.com/zh-cn/

    • 官方程式編輯軟體

    • mblock5線上版：https://ide.makeblock.com/

    • mblock5安裝版

    • 該公司另外一塊【童芯派】也是使用ESP32晶片

  • NodeMCU-32S (38隻腳位)，今天上課的主角

    • Aithinker 安信可科技

    • 尤濬哲老師推薦

    • 不是DOIT NodeMCU (30隻腳位，體型比NodeMCU-32S大一點點，而且沒有5V輸出)，不要買錯！

    • 官方有 V1.2 及 V1.3 兩款，兩者差別在 usb 晶片不同. V1.2 -> CP2102 (價格較高) , V1.3 -> CH340 (便宜好用) 一般使用上無太大差異

    • 腳位圖 ：

      • 下圖取自夜市小霸王尤老師 https://youyouyou.pixnet.net/blog/post/119410732

      • 腳位36根，扣除系統使用約10根，還有約26根可用，腳位說明如下圖

• • 下文取自夜市小霸王尤老師 https://youyouyou.pixnet.net/blog/post/119410732

  • 這裡特別說明，如果你用過ESP8266系列產品，你會發現8266最大的問題是他的類比只有1個，而ESP32則有18個ADC，也就是說有18個腳位是不分數位類比，直接使用analogRead或digitalRead就可以分別做類別或數位讀取，光這點優勢你就可以換掉ESP8266了。

    • GPIO 6,7,8,9,10,11：與模組內部快閃記憶體(flash)相連，我們的程式無法使用這些腳位(最下方，兩邊各3腳位，淺灰色標示)

    • 一般數位輸入與輸出腳位：

      • GPIO2、4、5、12~19、21~23、25~27、32、33，共19個

      • 與ADC有一些腳位不同：5、16、17、18、19、21、22、23 (這些只能數位？)

    • 18 x Analog-to-Digital(ADC)：類比訊號輸入腳位(粉紅色標示)

      • 可接類比或數位感測器 (雖然是類比，也可接數位感測器)

      • 腳位如下：GPIO4、0、2、15、13、12、14、27、26、25、33、32、35、34、39、36，還有37、38(NodeMCU-32S沒有這兩個腳位)

      • GPIO 34,35,36,39：Input only（只能做輸入，不能作為輸出腳位，也就不能做PWM了）

    • 3 x UART interfaces：藍芽、相機(不限腳位編號)

      • RX0(接收)：GPIO3、TX0(發送)：GPIO1(預設)

      • RX1：GPIO9、TX1：GPIO10 (不能用)

      • RX2：GPIO16、TX2：GPIO17

      • 其實ESP32的UART介面可連接到任何接腳

    • 2 x I2C interfaces(SDA,SCL) and I2S interfaces：LCD、氣壓、陀螺儀

      • SCL：GPIO22、SDA：GPIO21(預設)

      • SCL：GPIO17、SDA：GPIO16

    • 3 x SPI interfaces(MOSI,MISO,SCK,SS)：高速資料傳輸 SD card, TFT, RFID(藍色標示)

      • MOSI：GPIO23、MISO：GPIO19、SCK：GPIO18、SS：GPIO5(預設)

      • MOSI：GPIO13、MISO：GPIO12、SCK：GPIO14、SS：GPIO15

      • MOSI：GPIO8、MISO：GPIO7、SCK：GPIO6、SS：GPIO11 (不能用)

    • 10 x Capacitive sensing GPIOs：觸摸感測器，提供觸控電容(棕色標示)

      • 腳位如下：GPIO4、0、2、15、13、12、14、27、33、32

    • 16 x PWM output channels：數位輸出也可類比輸出(不限定腳位編號，但需要宣告channel)

    • 2 x Digital-to-Analog Converters (DAC)：不太需要用

    • 內建LED燈：GPIO2

    • EN(左邊編號18)：重開機

  • 還有一些個人遇到的問題（不清楚原因，但會搞死你）

    • 1. DHT11不可以用GPIO 5、26

    • 2. GPIO 12, 2燒錄時不可接任何裝置，請空接，燒錄完成後，再接回，否則會上傳失敗。

    • 3.WiFi啟動後，2,4,12,13,14,15,25,26,27僅能數位讀取，無法使用這些類比輸入腳

  • 由於我們這次使用擴展板來教學，所使用的元件腳位廠商都已經定好了，所以上面不了解也沒關係！

• 針對ESP32我使用過的軟體

  • 積木式程式平台：

    • 給中小學生或非專業人士用

    • 其實把積木程式轉為

      • C語言，

        • 再進行編譯及上傳，程式要花比較久的時間

        • 下面的平台大都屬於此

      • MicroPython

        • 直接上傳，花的時間很少

        • microBlock程式平台(本次上課以此平台的程式撰寫為主)
          

    • PictoBlox：建構在Scratch下的積木程式(印度公司)

      • 這適合國小學生的使用，我玩Arduino也是用此軟體

      • https://sites.google.com/site/wenyuwebbit/11-%E4%BD%BF%E7%94%A8pictoblox%E7%A9%8D%E6%9C%A8?authuser=0

    • mblock5：建構在Scratch下的積木程式(大陸公司)

      • https://sites.google.com/site/wenyunotify/07-halocode%E5%85%89%E7%92%B0%E6%9D%BF/02-%E8%AA%8D%E8%AD%98halocode?authuser=0

    • bDesigner

      • https://bdesigner1.webnode.tw/

      • 桃園市八德國小蔡佳倫老師自行研發

    • motoBlockly

      • 慧手科技提供

      • https://www.motoduino.com/wp-content/themes/storefront/moto_iot_blockly_v60/demos/code/index.html

    • BlocklyDuino

      • 聯發科公司針對Linkit 7697所推出的積木程式(目前好像已停止更新了)

      • 經過法蘭斯、劉正吉、ICSHOP幾位大神加以改良及增加很多積木讓功能更加完善

      • 我現在大都用這個！(上學期開課時就打算用這個來教學，但上學期我因居家隔離，所以課程來延到今天，但後來有發現更簡單的東西，所以就不用這個來教學了！)

  • C語言

    • Arduino IDE：大都專業人士在使用

  • MicroPython語言

    • Python

      • 直譯式語言

        • 直譯語言（英語：Interpreted language）是一種程式語言類型。這種類型的程式語言，會將程式碼一句一句直接執行，不需要像編譯語言（Compiled language）一樣，經過編譯器先行編譯為機器碼，之後再執行。

      • 認識Python語法：

        • 01.Python 語法 (1) - 變數、判斷式、邏輯、迴圈.ipynb

        • 等一下利用microBlock平台來執行Python程式

      • Thonny平台

        • 官網 https://thonny.org/

        • 下載【可攜帶版】即可，如 thonny-4.0.1-windows-portable.zip

    • MicroPython

      • 使用在開發板的直譯式語言

      • 要先上傳韌體(Python執行程式)，程式上傳時間很快

      • 參考資料：https://sites.google.com/site/wenyunotify/05-esp32/05-micropython

    • microBlock程式平台(本次上課以此平台的程式撰寫為主)

      • 把積木程式轉為MicroPython語言

      • 詳細使用說明如下：

二、microBlock的使用

• 認識microBlock

  • 詳細內容參考：01 認識microBlock

  • 利用積木程式來寫 ESP32 MicroPython 程式

  • microblock.app 官網：https://microblock.app/ (泰國網站)

  • 台灣推廣網站：

    • 由陳豐生先生 (Mason Chen)及蔡亞柏老師維護

    • ESP Gyro擴充板：https://sites.google.com/view/esp-gyro/mblock

  • microBlock中文版下載：

    • 從【ESP Gyro擴充板】官網，下載客制化的 microBlock中文版：https://reurl.cc/ZAyVEl

    • 使用我提供的：https://educase.kh.edu.tw/navigate/a/#/s/ABE60CED43CD4CE9B280B22C16BA94946BL

    • 為 windows 的離線版本，解壓後(儘可能放至根目錄下(C:或D:)，路徑不要太長)

    • 打啟 microBlock IDE.exe ，可在桌面做此檔的捷徑

  • 安裝NodeMCU-32S的驅動程式

    • 如果電腦沒有抓到NodeMCU-32S，再安裝以下驅動程式(可從【裝置管理員】得知是否有抓到)

    • V1.2 -> CP2102 ：https://educase.kh.edu.tw/navigate/a/#/s/5D80266AE7D34F859B15031691F88B2F6BL

    • V1.3 -> CH340 ：https://educase.kh.edu.tw/navigate/a/#/s/DD4DC31A1D644C08ABA3F695BC1F63506BL

  • 使用前的準備工作

    • 第一件事是【更新ESP32的韌體】

• 先玩玩Python的基本語法

  • 01.Python 語法 (1) - 變數、判斷式、邏輯、迴圈.ipynb

  • 單行註解

    • 使用#字號

      • #print("hello")

  • 多行註解

    • 使用一組 三個雙引號包起來

      • """

      • aaa

      • bbb

      • ccc

      • """

  • 斷行處理

    • \n 斷行

      • print("hello\nworld")

  • 輸入

    • score = input("請輸入你的成績：")

    • score = int(score)

    • if score >= 60:

    • print("及格")

    • else:

    • print('不及格')
      

• 我的第一個程式

  • 認識【數位】/【類比】、【輸入】(讀取)/【輸出】(寫入)

    • 數位：0、1(off 、on)不是0就是1

    • 類比：數位以外的就是類比，像溫度有高低、聲音有大小

    • 輸入(讀取)：取得外面的訊息(好像外面控制電腦，如電腦的輸入裝置，如：鍵盤(按鍵)

    • 輸出(寫入)：輸出訊息給外部(好像對外部的控制，如電腦的輸出裝置，如：開關LED燈

  • 讓內建LED燈一亮一滅

    • 內建LED燈的腳位是GPIO2

    • 高電位(3.3V，1，ON)/低電位(0V，0，OFF)

    • 寫上如下程式：

      • 簡單程式撰寫說明(如迴圈、等待...)

      • 撰寫程式的三個主要結構：

        • 循序結構

        • 重複結構

        • 選擇結構

• 這平台的另一個好處是可以把【積木程式】轉為【MicroPython程式碼】

• 補充說明：

  • 更新韌體：就是在ESP32上安裝python程式及相關檔案

  • 上傳檔案：就是把寫好的程式轉成python檔，然後存成main.py，將main.py及使用到的外掛模組，一併上傳到ESP32裝置去！注意：main.py檔是ESP32開機時會去執行的檔案(先boot.py，然後main.py)

  • 可利用Thonny來進行ESP32裝置的檔案管理

• EZ Start Kit+擴展板的使用

  • 為方便外加元件的使用，減少自行接線所產生的錯誤，因此採用【擴展板】

  • Ez Start Kit+是高雄廠商ICShop的商品 https://www.icshop.com.tw/product-page.php?28443

• 小試身手一下

  • 小試身手一：那你會不會點亮擴展板上的紅(GPIO16)、黃(GPIO12)、綠燈(GPIO13)了？

    • 使用擴展板上的元件時，大都要從擴展板來供電

  • 小試身手二：模擬紅綠燈的亮燈情形(評量一)

    • 綠燈：5秒

    • 黃燈：1秒

    • 紅燈：3秒

• 利用【終端機】顯示資訊

  • 【終端機】相當於序列埠監控視窗，是有用的小工具，方便一些資訊的顯示提供

  • NodeMCU-32S不能離線(必需用USB線與電腦連接，才能使用【終端機】)

  • 終端機可以顯示中文

  • 認識【數位】/【類比】、【輸入】(讀取)/【輸出】(寫入)

  • 在終端機顯示

    • 可變電阻(GPIO34)的值：類比輸入

    • 光敏電阻(GPIO39)的值：類比輸入

    • 按鍵A(GPIO5)的值：數位輸入

• • • 發現：

      • 類比腳位具12位元解析度，讀值介於0~4095(2^12-1)

      • 可變電阻器的值為0(順時針到底)~4095(逆時針到底)

      • 光敏電阻的值為0(全暗)~4095(最亮)

      • 按鍵的值：未按下時為1、按下時為0

• • 在終端機顯示

    • 顯示目前環境的溫度及濕度值

    • DHT11溫濕度感測器的腳位(GPIO15)

• 選擇結構的使用

  • 如果...，就...，否則...

  • 按A鍵啟動【繼電器】、按B鍵關閉【繼電器】

    • 各元件的腳位

      • A鍵：GPIO5、B鍵：GPIO36

      • 繼電器：GPIO25

      • 繼電器是以小(電壓)摶大(電壓)的電子元件，如要啟動接市電的電器設備時，就要使用到它

• • 按A鍵一下啟動【繼電器】、再按A鍵一下關閉【繼電器】

• • 按A鍵點亮紅燈、按B鍵點亮綠燈、鍵A+B鍵關掉紅燈及綠燈

  • 各元件的腳位

    • A鍵：GPIO5、B鍵：GPIO36

    • 紅燈：GPIO16、綠燈：GPIO13

• 小試身手一下

  • 現在的路燈系統或家中的小夜燈，到晚上時會自動點亮，白天時自動關閉

    • 請你設計一個【天黑請開燈】的系統(評量二)

      • 白天時，紅燈(或三顆燈)關閉；晚上時，紅燈(或三顆燈)點亮

• 蜂鳴器的使用

• 蜂鳴器腳位(IO0)：GPIO14

• 播放全家便利商店歡迎音樂

  • 1. • 簡譜：3 1 5(低音) 1 / 2 5~ 2 / 3 2 5(低音) 1

       • 所使用的頻率：330、262、196、262、294、392、294、330、294、196、262

• 音階頻率表如下：

• 程式如下：

  • 有兩種方法，方法2好像比較簡單一點

• 燈條的使用

• WS2812B晶片，只占用1個腳位(IO16)GPIO26

• 點亮燈條上的燈

• 讓燈條上的燈一直向右跳動

• 紅外線遙控器的使用

  • • 紅外線接收器(IO3)：GPIO33

    • 取得遙控器按鍵的【編碼值】

• • • 利用【KEYES遙控器】的方向鍵編碼值

      • 上：70

      • 下：21

      • 左：68

      • 右：67

      • OK：64

• • • 按KEYES遙控器的方向鍵

      • 按上鍵，全亮燈

      • 按下鍵，全滅燈

      • 按左鍵亮紅燈

      • 按中鍵(OK鍵)亮黃燈

      • 按右鍵亮綠燈

• 小試身手一下

  • 小試身手一：按鍵開燈；按同一鍵關燈(上面教過)

• OLED顯示器的使用

  • OLED顯示器的規格為I2C腳位(SCL：GPIO22、SDA：GPIO21)

  • 解析度為128*64

  • 顯示英文字、數字、畫直線、矩形、圖案

• 測試後發現：

  • 座標起點為文字的左上角

  • 【英文及數字】積木，每個字寛度8，且只顯示一行，超過的部份不會出現

  • 【大型數字】積木每行可顯示6個數字或7個英文字，超過一行時會往下一行

  • 【顯示圖像】積木很方便，直接上傳一張圖片就可以用黑白的方式顯示

• • 顯示中文字

    • 先建立所要顯示的點陣文字(中文、英文、數字)

      • 到以下路徑去 microBlock.IDE.V2.2.0_Gyro_V1.5d\resources\app\extension\2e-OLED-extension-8\modules

• • • • 執行fetch_big5_word.exe(建font11字型的圖檔)及fetch_big5_word24.exe(建font24字型的圖檔)

• • • • 完成後就可以寫程式了

• • 顯示QRCode

    • 直接使用範例檔

      • 左圖：我的手機掃不出來，可能原設計是針對0.96吋的OLED來設計，而這邊的1,3吋的OLED

      • 右圖經反白處理：程式如下，我的手機還是掃不出來