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IoT-Technologien verdanken ihr Wachstum vor allem der Verbreitung von preiswerten WiFi-Modulen mit hoher Leistungsfähigkeit – einer der Hauptakteure auf diesem Markt ist ESP32.
Vor zwanzig Jahren war die Implementierung von WLAN-Konnektivität in elektronischen Geräten mit wirklich beträchtlichen Kosten und dem Bedarf an komplexen Hardware-Lösungen verbunden. Die Zeiten haben sich jedoch geändert, und heute ist das „Hinzufügen“ einer drahtlosen Schnittstelle in ein von Ihnen zu bauendes Gerät nicht nur sehr billig, sondern auch extrem einfach – dank hervorragender, funkspezifischer integrierter Schaltkreise und darauf basierender Module, die eine schnelle und einfache Implementierung selbst komplexer Netzwerkfunktionalitäten sowohl in Amateur- als auch in kommerziellen Projekten ermöglichen. Heute werden wir einen Blick auf den ESP32-Chip und die Möglichkeiten werfen, die er je nach Art des Moduls oder des Boot-Kits bietet.
Der ESP32 selbst, oder die Highlights des beliebten WiFi-Transceivers
Der ESP32 ist eine beliebte Serie von integrierten Schaltkreisen (ASICs), die von Espressif Systems entwickelt wurde und hauptsächlich für IoT (Internet of Things) und andere drahtlose Kommunikationsprojekte gedacht ist.
Die verschiedenen Versionen des Chips unterscheiden sich in Bezug auf die Architektur und die Anzahl der Prozessorkerne, die Taktfrequenz sowie dieMenge des Speichers oder schließlich die Größe des Gehäuses und die Anzahl der Pins. Jeder Vertreter der ESP32-Familie gehört zur Klasse der SoCs (System-on-Chip), was bedeutet, dass er eine Reihe von Basiskomponenten integriert, die in den heutigen digitalen Geräten eine Schlüsselrolle spielen: einen Prozessor, eine Reihe von Speicher- und Peripherieblöcken sowie grundlegende Stromversorgungsschaltungen und – das wichtigste Element – einen Funktransceiver, der WiFi oder WiFi + Bluetooth Kommunikation ermöglicht.
Die grundlegende ESP32-Chipserie umfasst nicht weniger als 10 Chips, von denen zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels vier (ESP32-D0WD, ESP32-D0WDQ6-V3, ESP32-D0WDQ6 und ESP32-S0WD) bereits als veraltet gelten und vom Hersteller nicht für neue Projekte empfohlen werden.
Bei den anderen sechs handelt es sich um Dual-Core-Chips in kompakten 5×5 mm QFN- oder LGA 7×7 mm-Formfaktoren mit 48 Pins, die eine Reihe von Transceiver-Modi unterstützen. Das Bluetooth-Modul ermöglicht den Betrieb mit den klassischen BT-Profilen (L2CAP, SDP, GAP, SMP, AVDTP, AVCTP, A2DP (SNK), AVRCP (CT)) sowie mit dem energiesparenden BLE-Standard (Profile L2CAP, GAP, GATT, SMP).
Im Falle von batteriebetriebenen Geräten ist es sehr wichtig zu wissen, dass die ESP32-Chips den Stromverbrauch auf bis zu 5 Mikroampere (!) senken können, was selbst bei tragbaren Geräten mit Batterien mit geringer Kapazität erhebliche Stromeinsparungen ermöglicht.
Neuere ESP32-Versionen
Die oben beschriebene “Basis”-Familie ESP32 ist jedoch nicht das Ende des Angebots von Espressif – der Hersteller hat eine Reihe neuerer Chips entwickelt, die oft überraschend interessante Fähigkeiten haben. Und so basiert die ESP32-S2-SERIE auf einem Single-Core-Prozessor, der mit 240 MHz getaktet ist, und bietet On-Board-RAM von mehreren hundert Kilobyte und (im Falle der ESP32-S2F-Chips) auch Flash (2 oder 4 MB).
Unter den 43 GPIO-Leitungen befinden sich konfigurierbare I/O, die USB OTG, SPI, I2S, UART, I2C, LED PWM, LCD, einen Link für Kameramodule sowie ADC-Eingänge, DAC-Ausgänge und Leitungen zur Unterstützung einer Reihe von Touchtasten unterstützen. Der Chip hat einen eingebauten WiFi-Transceiver, der im 2,4-GHz-Band arbeitet.
Die ESP32-S3-Serie basiert auf Xtensa® 32-bit LX7 Dual-Core Prozessoren mit 512 kB SRAM und 384 kB ROM. Der Transceiver unterstützt neben WiFi sogar schon den neuen Bluetooth 5 (Low Energy) Standard.
Eine sozusagen ‘abgespeckte’ Version des ESP32-S2 ist der ESP32-C2 – hier haben wir ‘nur’ einen 120-Megahertz-RISC-V-Prozessor (32 Bit), aber der Chip selbst ist viel kleiner als sein Gegenstück aus der S3-Serie, was die Integration in kompaktere kommerzielle Geräte ermöglicht.
Die ESP32-C3-Serie bietet etwas mehr Fähigkeiten und eine höhere Taktrate (160 MHz) und verfügt über mehr internen Speicher als die C2-Serie. Die ESP32-C6-Produktlinie ist ebenfalls erwähnenswert – während auch hier ein 160-Megahertz-Single-Core-Prozessor verfügbar ist, unterstützt der Transceiver selbst bereits WLAN 6, BLE 5 und sogar IEEE 802.15.4.
Projekte auf Basis von ESP32 bauen
Bei der Beschreibung der ESP32-Serie haben wir bewusst nicht das Wort „Modul“ verwendet – denn es sei daran erinnert, dass „nackte“ ICs heute nur noch selten in neuen Projekten eingesetzt werden. Viel häufiger finden wir in der Praxis gebrauchsfertige Module, die den Einsatz von Espressif-Systemen sowohl in Bezug auf die Programmierung als auch auf das Design (Mosaik von Pfaden auf der Leiterplatte) und die Montage (Pin-Muster) perfekt erleichtern. Die Module haben nämlich eine Reihe von Vorteilen – sie verfügen über alle wichtigen Peripherieschaltungen, sie haben eingebaute Antennen oder Koaxialanschlüsse für eine externe Antenne und vor allem sind sie sehr einfach zu installieren.
Aus der Sicht der Programmierung ist die Verwendung von ESP32 viel einfacher als viele konkurrierende Lösungen. Die Marke Espressif bietet eine offizielle Entwicklungsumgebung und eine Reihe von Bibliotheken, Beispielen und Dokumentationen, um den Einstieg zu erleichtern. Darüber hinaus gibt es für ESP32 Unterstützung für eine Vielzahl von Entwicklungsplattformen, darunter Arduino, MicroPython und PlatformIO, so dass ESP32-basierte Module und Entwicklungsboards auch von weniger erfahrenen Entwicklern, die bisher z.B. mit der Arduino-IDE Erfahrungen gesammelt haben, leicht verwendet werden können. Aufgrund des günstigen Preises, der Vielseitigkeit und der einfachen Bedienung hat die ESP32-Serie bei Heimwerkern, Hobbyisten und Profis große Beliebtheit erlangt, was einfach zu einer großen Anzahl an verfügbaren Ressourcen, Tutorials und Beispielprojekten geführt hat, die den Einstieg in die Plattform deutlich erleichtern.
