ESP32

ESP32 تراشه‌ای است که امکان اتصال وای‌فای و در بعضی از نمونه‌ها امکان اتصال بلوتوث را به سیستم‌های امبدد اضافه می‌کند و بنابراین در دنیای اینترنت اشیا از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. با اینکه ESP32 در واقع تراشه اصلی است اما ماژول‌ها و بردهای توسعه مربوط به آن نیز به همین نام شناخته می‌شوند. نمونه اصلی ESP32 دارای یک هسته پردازنده Tensilica Xtensa LX6 است که با فرکانس بیشینه 240MHz دستورالعمل‌ها را اجرا می‌کند و از سرعت پردازشی بالایی برخوردار است. اخیرا مدل‌های جدید ESP32-C و ESP32-S به بازار ارائه شده‌اند که در مجموعه خود علاوه بر نمونه‌های تک‌هسته، نمونه‌های dual-core نیز دارند. همچنین این دو سری جدید برپایه پردازنده RISC-V کار می‌کنند. معماری RISC-V بسیار مشابه معماری ARM است اما منبع‌باز و استفاده از آن به مراتب راحت‌تر است. ضمنا نمونه‌های جدیدتر ترکیبی از اتصال وای‌فای و بلوتوث را به طور هم‌زمان ارائه می‌دهند.

کاربردهای ESP32

ESP32 بیشتر در وسایل قابل حمل، لوازم الکترونیکی پوشیدنی و کاربردهای اینترنت اشیا استفاده می‌شود. در اینترنت اشیا اغلب برای ساخت وسایلی که نیاز به امکانات بلوتوث و وای‌فای داخلی دارند به کار می‌رود و به این ترتیب در ساخت لوازم خانگی هوشمند و سنسورهای محیطی استفاده می‌شود. در اتوماسیون خانگی، لوازمی که مبتنی‌بر ESP32 هستند می‌توانند به کنترل نور و دما بپردازند و از طریق اتصالات وای‌فای به دیگر لوازم خانگی متصل شوند. بنابراین در زمینه خانه هوشمند قطعات محبوبی به شمار می روند. در زمینه شبکه، با کمک آنتن وای‌فای امکان اتصال به روترها و انتقال داده را فراهم می‌کنند. همچنین به کمک هسته قوی و در بعضی نمونه‌ها هسته dual-core امکان پردازش داده‌های ساده ورودی چه به صورت آنالوگ و چه به صورت دیجیتال را دارند و با استفاده از یک RTOS یا کیت توسعه SDK به پردازش داده‌های پیچیده‌تر نیز می‌پردازند. بنابراین این قطعات برای کاربردهایی که نیاز به برقراری ارتباط وایرلس دارند مثل تولید شبکه‌های مش، سیستم‌های کنترل از راه دور و انتقال اطلاعات بین دستگاه‌های مختلف نیز مفید هستند. به علت مصرف انرژی کم و ابعاد کوچکی که دارند برای ساخت ابزار IoT پوشیدنی مثل ساعت‌های هوشمند و ترکرهای سلامت مناسب هستند. در پروژه‌های روباتیک به عنوان یک واحد کنترل از راه دور با قابلیت برقراری ارتباط وایرلس عمل می‌کنند. از ESP32 همچنین برای جمع‌آوری داده از طریق سنسورها مثلا سنسورهای دما و رطوبت و شتاب‌سنج‌ها نیز استفاده می‌شود. به این ترتیب در مانیتورینگ محیطی، اتوماسیون صنعتی، حیطه سلامت و بهداشت و سیستم‌های امنیتی نیز کاربرد دارند.

مقایسه تراشه، ماژول و برد توسعه ESP32 و معرفی محبوب‌ترین نمونه‌های هر گروه

ESP32 در واقع فقط نام تراشه تولید شده توسط شرکت سازنده است اما تولیدکنندگان و توسعه‌دهندگان با توجه به نیازهای پروژه‌شان سه انتخاب متفاوت می‌توانند داشته باشند. تراشه ESP32، ماژول ESP32 و یا برد توسعه ESP32.

تراشه ESP32

تراشه ESP32 تراشه اصلی ساخته شده توسط شرکت Espressif است که بدون هیچ بدنه محافظی ارائه می‌شود و بدون لحیم کاری نمی‌توان آن را به برد توسعه و یا ماژول متصل کرد. بنابراین اکثر توسعه‌دهندگان، تراشه را به تنهایی برای پروژه‌شان خریداری نمی‌کنند چرا که باعث اضافه شدن پیچیدگی بیشتر در فرایند تولید می‌شود. تراشه‌های ESP32 در پکیج QFN با ابعاد 10 در 10 میلی‌متر، 7 در 7 میلی‌متر، 6 در 6 میلی‌متر، 5 در 5 میلی‌متر و یا 4 در 4 میلی‌متر و در سری‌های مختلف ESP32، ESP32-S، ESP32-C، ESP32-H و ESP32-P تولید و به بازار عرضه می‌شوند.

سری‌های مختلف خانواده تراشه‌های ESP32 تحت عنوان ESP32-xx مشخص می‌شوند و قابلیت‌های CPU متفاوتی دارند اما با استفاده از SDK یکسان برنامه‌ریزی می‌شوند. همچنین پریفرال‌های جانبی و ابعاد آن‌ها نیز متفاوت است.

سری اصلی ESP32

دارای یک پردازنده تک هسته‌ای یا دو هسته‌ای 32 بیتیXtensa LX6 است و از وای‌فای 802.11b/g/n و بلوتوث v4.2 BR/EDR پشتیبانی می‌کند. این تراشه دارای 34 پورت GPIO قابل برنامه‌ریزی است و از کانورترهای ADC و DAC پشتیبانی می‌کند.

سری ESP32-S

این سری شامل دو عضو اصلی ESP32-S2 و ESP32-S3 است. سری ESP32-S2 یک پردازنده تک هسته Xtensa LX7 دارد و از وای‌فای 2.4 گیگاهرتز 802.11b/g/n پشتیبانی می‌کند اما قابلیت بلوتوث ندارد. دارای 43 پورت GPIO قابل برنامه‌ریزی است و 2 کانورتر ADC با رزولوشن 13 بیت و 12 کانال دارد. سری ESP32-S3 در مقابل دارای یک پردازنده دو هسته‌ای Xtensa LX7 است که تا فرکانس بیشینه 240MHz کار می‌کند و علاوه بر وای‌فای 2.4 گیگاهرتز از بلوتوث 5 LE نیز پشتیبانی می‌کند. این تراشه دارای 45 پورت GPIO قابل برنامه‌ریزی است و 2 کانورتر ADC با رزولوشن 12 بیت و 20 کانال دارد.

سری ESP32-C

این خانواده دارای 4 عضو اصلی است. ESP32-C2، ESP32-C3، ESP32-C6 و عضو جدید ESP32-C5 که اخیرا معرفی شده است. ESP32-C2 یک پردازنده 32 بیتی تک هسته‌ای RISC-V دارد که تا فرکانس بیشینه 120MHz کار می‌کند. همچنین از وای‌فای 2.4 گیگاهرتز 802.11b/g/n و بلوتوث 5 LE پشتیبانی می‌کند. این تراشه دارای 14 پورت GPIO قابل برنامه‌ریزی است. سری ESP32-C3 نیز یک پردازنده 32 بیتی تک هسته‌ای RISC-V دارد که تا فرکانس بیشینه 160MHz کار می‌کند و از همان استاندارد وای‌فای و بلوتوث مشابه نمونه قبلی پشتیبانی می‌کند. این سری دارای 16 یا 22 پورت GPIO قابل برنامه‌ریزی هستند و 2 کانورتر ADC با 12 کانال دارند. سری بعدی یعنی ESP32-C6 یک پردازنده 32 بیتی تک هسته‌ای RISC-V با عملکرد بالا دارد که تا فرکانس بیشینه 160MHz کار می‌کند. همچنین از وای‌فای 2.4 گیگاهرتز 802.11ax سری 6، زیگ‌بی 802.15.4 و بلوتوث 5.3 LE پشتیبانی می‌کند. در دو پکیج QFN40 با 30 پورت GPIO و QFN32 با 22 پورت GPIO به بازار ارائه می‌شود. سری جدید ESP32-C5 نیز دارای یک پردازنده تک هسته‌ای 32 بیتی RISC-V است که تا فرکانس بیشینه 240MHz کار می‌کند و از وای‌فای 2.4 گیگاهرتز و 5 گیگاهرتز 802.11ax سری 6، زیگ‌بی 802.15.4 و بلوتوث 5 LE پشتیبانی می‌کند. تراشه‌های این سری بیش از 20 پورت GPIO قابل برنامه‌ریزی دارند.

سری ESP32-H

تراشه ESP32-H2 در این خانواده دارای یک پردازنده تک هسته‌ای 32 بیتی RISC-V است که تا فرکانس بیشینه 96MHz کار می‌کند. این تراشه یک تراشه کومبو است که از زیگ‌بی و Thread با استاندارد IEEE 802. 15.4 و بلوتوث 5.3 LE پشتیبانی می‌کند. البته باید توجه داشته باشید که این سری از تراشه‌های ESP32 از قابلیت وای‌فای پشتیبانی نمی‌کنند. این تراشه دارای 19 پورت GPIO قابل برنامه‌ریزی است.

سری دارای دو پردازنده ESP32-P

این سری از تراشه‌های ESP32 آخرین سری تولید شده توسط شرکت Espressif هستند که در حال حاضر نمونه ESP32-P4 از آن‌ها به بازار ارائه شده است. این تراشه دارای یک پردازنده دو هسته‌ای 32 بیتی RISC-V است که تا فرکانس بیشینه 240MHz کار می‌کند. همچنین یک پرازنده تک هسته‌ای 32 بیتی RISC-V دارد که تا فرکانس 40MHz کار می‌کند. هر کدام از پردازنده‌ها حافظه داخلی مختص به خودشان دارند. این تراشه وای‌فای و بلوتوث داخلی ندارد و در صورت نیاز می‌تواند به راحتی به تراشه‌های سری C/S/H این خانواده متصل شود. این تراشه در پکیج QFN104 با ابعاد 10 در 10 میلی‌متر و با بیش از 50 پورت GPIO به بازار ارائه می‌شود.

ماژول‌ ESP32

ماژول‌های ESP32 ماژول‌های اتصال سطحی هستند که یک تراشه ESP32 درون آن‌ها قرار دارد. مزیت اصلی ماژول‌ها نسبت به تراشه‌ها، نصب راحت آن‌ها روی بردهای MCU بدون نیاز به لحیم‌کاری است. همچنین ماژول‌ها درون یک محافظ ساخته شده براساس استانداردهای FCC ارائه می‌شوند و بنابراین تولیدکنندگان دیگر نگران مراحل اضافه جهت رسیدن به شرایط این استاندارد نیستند. ماژول‌های ESP32 توسط چندین شرکت مطرح از جمله Espressif و AI Thinker و U-blox تولید و ارائه می‌شوند. از محبوب‌ترین ماژول‌های تولید شده توسط شرکت Espressif می‌توان به ESP32-WROOM-32 و ESP32-WROOM-32E-N4 اشاره کرد. ESP32-WROOM-32 ماژول ESP32 اصلی تولید شده توسط شرکت Espressif است که یک ماژول قدرتمند و عمومی دارای وای‌فای، بلوتوث و بلوتوث کم‌مصرف امبدد است و از تراشه ESP32-D0WDQ6 به عنوان هسته داخلی بهره می‌برد. ESP32-WROOM-32E-N4 از لحاظ مشخصات فنی با ماژول ESP32-WROOM-32 کاملا یکسان است اما از تراشه پیشرفته‌تر ESP32-D0WD-V3 یا ESP32-D0WDR2-V3 به عنوان هسته داخلی بهره می‌برد که در آن برخی از باگ‌های نسخه قبلی رفع شده است. همچنین شرکت AI-Thinker نیز ماژول‌هایی تحت عنوان ESP32-S و ESP32-A1S تولید می‌کند که در آن‌ها از یک تراشه ESP32 استفاده شده است.

برد توسعه ESP32

بردهای توسعه ESP32، بردهای توسعه IoT هستند که یک تراشه ESP32 از قبل در آن‌ها قرار داده شده است. این برد توسعه‌ها معمولا پیش از تولید انبوه یک وسیله، برای تست و طراحی اولیه آن مورد استفاده قرار می‌گیرند. هنگام انتخاب یک برد توسعه ESP32 مناسب پروژه‌تان باید به مشخصات آن شامل پین‌های GPIO، پین‌های ADC، آنتن‌های وای‌فای، LEDها و حافظه فلش دقت کنید. بردهای توسعه ESP32 توسط شرکت‌های مختلفی تولید می‌شوند. از محصولات مطرح شرکت Espressif می‌توان به برد توسعه ESP-WROVER-KIT اشاره کرد که در آن از ماژول ESP-WROOM-32 یا ESP32-WROVER استفاده می‌شود. یکی دیگر از برد توسعه‌های محبوب تولیدشده توسط شرکت Espressif برد توسعه ESP32-CAM است که با دارا بودن یک دوربین کوچک روی برد با بقیه برد توسعه‌های این خانواده تا حدودی متفاوت است. در این نمونه از ماژول ESP32-S به عنوان هسته اصلی استفاده شده است. ESP32-DEVKITC-32E نیز نمونه‌ای است که توسط شرکت AI-Thinker تولید می‌شود و در آن از یک ماژول ESP-WROOM-32S استفاده شده است. از نقاط قوت این برد توسعه می‌توان به امکان اتصال پین‌های I/O آن از طریق هدرها اشاره کرد. همچنین چون منبع باز است از منابع کد مختلفی پشتیبانی می‌کند.

ویژگی‌هایی که خرید ماژول ESP32 را به یک خرید مطمئن تبدیل می‌کند

برای توسعه یک پروژه IoT با کارایی و امنیت بالا معمولا یکی از بهترین گزینه‌ها خرید ماژول ESP32 و یا برد توسعه شامل این ماژول است. دلایل متعددی برای این کار وجود دارد که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.

هسته پردازنده و حافظه ماژول

اولین و مهمترین دلیل استفاده از ماژول‌های ESP32، پردازنده dual-core قوی آن‌ها (Tensilica Xtensa LX6) است که می‌تواند با فرکانس حداکثر 240MHz کار کند و بنابراین برای انجام چندین وظیفه به طور همزمان مناسب است. همچنین این ماژول به طور معمول دارای 520KB حافظه SRAM و تا 4MB حافظه فلش است. به علاوه بعضی از نمونه‌های آن حافظه PSRAM اضافی نیز ارائه می‌دهند که برای کاربردهای نیازمند حافظه فشرده مناسب است.

گزینه‌های اتصال و ویژگی‌های امنیتی پیشرفته

ماژول‌های وای‌فای ESP32 از استانداردهای 802.11b/g/n در فرکانس 2.4GHz پشتیبانی می‌کنند. بعضی از بردهای توسعه شامل این ماژول‌ها از دو باند 2.4GHz و 5GHz به طور همزمان پشتیبانی می‌کنند. ماژول‌های ESP32 از اتصالات بلوتوث و بلوتوث با مصرف انرژی پایین (BLE) نیز پشتیبانی می‌کنند که کارایی پروژه را افزایش می‌دهند. به علاوه بعضی از اعضای این خانواده با پشتیبانی از اترنت امکان اتصالات عادی شبکه را نیز فراهم می‌کنند. ماژول‌های وای‌فای ESP32 و همچنین بردهای توسعه دارای این ماژول‌ها از پروتکل‌های امنیتی قوی مانند WPA2 و WPA3 پشتیبانی می‌کنند که می‌توانند امنیت ارتباطات را تضمین کنند.

مصرف انرژی

ماژول‌های ESP32 از چندین مد کم‌مصرف شامل light sleep، deep sleep و hibernation پشتیبانی می‌کنند که به طور چشمگیری میزان مصرف انرژی در پروژه را کاهش می‌دهد و بنابراین پروژه‌های توسعه یافته توسط این ماژول را به پروژه‌های باتری-محور تبدیل می‌کند. این ماژول به طور معمول با ولتاژ 3.3 ولت کار می‌کند اما بعضی از بردهای توسعه ساخته شده با این ماژول شامل یک رگولاتور ولتاژ برای تحمل ولتاژهای بالاتر هستند.

رابط‌های جانبی و پین‌های GPIO

این ماژول‌های وای‌فای دارای تعداد زیاد پورت I/O عمومی هستند که می‌توانند به‌عنوان پورت ورودی/خروجی دیجیتال، PWM، کانورترهای ADC و DAC و غیره مورد استفاده قرار گیرند. همچنین از مجموعه غنی از پریفرال‌های جانبی شامل پروتکل‌های ارتباطی چندگانه I2C، SPI، UART و CAN پشتیبانی می‌کنند. این عامل باعث می‌شود که ماژول‌های وای‌فای ESP32 بتوانند به راحتی با رنج وسیعی از سنسورها و پریفرال‌های دیگر ارتباط برقرار کنند.

شکل ظاهری و اندازه

ماژول‌ها و برد توسعه‌های ESP32 در ابعاد و اشکال مختلف، مناسب برای کاربردهای متفاوت تولید می‌شوند. بعضی از برد توسعه‌ها مثل ESP32 Pico Kit به صورت بسیار فشرده تولید می‌شوند و بنابراین برای پروژه‌هایی که محدودیت فضا دارند ایده‌آل هستند. برد توسعه‌های دیگر مثل ESP32 DevKitC تعداد پورت GPIO بیشتر و پریفرال‌های گسترده‌تری را پشتیبانی می‌کنند اما ابعاد بزرگتری دارند و ممکن است برای همه پروژه‌ها مناسب نباشند.

سهولت برنامه‌ریزی

چندین پلتفرم توسعه متفاوت از ماژول‌های وای‌فای ESP32 پشتیبانی می‌کنند. به عنوان مثال Arduino IDE که با ماژول‌های ESP32 سازگاری کامل دارد و برنامه‌نویسی آن‌ها را ساده می‌کند. PlatformIO نیز یکی دیگر از محیط‌های توسعه عمومی است که از ESP32 پشتیبانی می‌کند و امکان دیباگینگ داخلی را نیز در اختیار توسعه‌دهنده قرار می‌دهد. Espressif IDF نیز پلتفرم توسعه رسمی شرکت اسپرسیف است که ابزار گسترده‌ای برای توسعه پیشرفته در اختیار کاربران قرار می‌دهد. همچنین باید توجه داشت که به علت در دسترس بودن اسناد و اطلاعات فراوان در رابطه با این قطعات پیدا کردن روش صحیح برنامه‌ریزی این قطعات ساده و در دسترس است.

امکانات جانبی

بعضی از بردهای توسعه ESP32 یک نمایشگر OLED داخلی دارند که مستقیما اطلاعات را روی برد به نمایش می‌گذارد. همچنین بردهایی مثل ESP32-WROVER-B کانکتورهایی برای اتصال به باتری های LiPo دارند و آن‌ها را به قطعاتی ایده‌آل برای پروژه‌های قابل حمل تبدیل می‌کنند. بعضی از نمونه‌ها نیز دارای سنسورهای داخلی دما، رطوبت و یا حرکت هستند.

قیمت و کیفیت

ماژول وای‌فای ESP32 به علت داشتن نرخ قیمت مناسب در مقابل عملکرد عالی معروف است. قیمت قطعات با توجه به مشخصات فنی و پریفرال‌های جانبی و همچنین قطعات جانبی که روی بردها نصب می‌شوند، می‌تواند متفاوت باشد اما همیشه به نسبت عملکرد عالی که این قطعات از خود نشان می‌دهند در محدوده قیمت اقتصادی قرار دارد. با توجه به اینکه تولیدکنندگان مطرحی مثل Espressif و AI Thinker این ماژول‌ها و بردهای وای‌فای را تولید می‌کنند، توسعه‌دهندگان می‌توانند از کیفیت قطعه‌ای که خریداری می‌کنند مطمئن باشند.