Einführung & Programmierung des ESP8266 NodeMCU Boards

Der ESP8266 NodeMCU ist ein kleiner Mikrocontroller, welcher GPIOs hat und darüber sich per WLAN mit dem Internet verbinden kann. Dies und der geringe Preis macht ihn gegenüber bspw. Arduinos  sehr interessant. In kommenden Tutorials wollen wir die günstigen ESP8266 Module nutzen, um Daten per Wifi Verbindung an den Raspberry Pi zu senden, welcher als „Herzstück“ agiert.

In diesem Tutorial geht es um die Einführung sowie den generellen Aufbau und ersten Start mit einem ESP8266 NodeMCU.

Zubehör

Vom ESP8266 gibt es verschiedene Modelle, wobei der günstigste (ESP-01) lediglich vier GPIO Pins hat. Für minimale Anwendungen sollte dies ausreichen. Falls mehr Hardware-Pins gebraucht werden, so ist der ESP-12 die bessere Wahl. Letzteren gibt es auch als „Development Board“, was Adapter überflüssig macht.

Bevor wir starten, solltest du dir klar machen, welche Version für dich geeignet ist. Dieses und alle kommenden Tutorials werden mit beiden Versionen kompatibel sein.

• Das NodeMCU ESP-12 Modul hat eben den Vorteil, dass es per MicroUSB Kabel angeschlossen werden kann und einen Reset Knopf hat. Solltest du nur das Modul ohne Development Board (bspw. aus Platzgründen), so kann man dies auch separat erwerben.

Falls du kein integriertes Board hast, brauchst du folgendes:

• ESP-01
• FT232 USB-TTL Adapter
• Mini USB Kabel (kein micro)
• Jumper Kabel
• Breadboard

Falls du das Beispiel am Ende nachbauen möchtest, solltest du außerdem ein paar LEDs da haben.

Aufbau & Verkabelung

Zunächst einmal müssen wir den ESP8266 an einen USB Port unseres Computers anschließen. Beim Development Board reicht es ein micro USB Kabel anzuschließen. Ohne solch ein Board müssen wir den USB-TTL Adapter nutzen. Dafür ist es wichtig, dass wir die Pinbelegung unseres ESP Moduls kennen.

Für die beiden ESP-01 und ESP-12 habe ich hier einmal die Pinbelegung eingefügt:

Eine Belegung aller Modelle (ESP-05, ESP-07, usw.) findest du übrigens hier.

Nun müssen wir das Modul an den FT232 USB Adapter anschließen. Dieser hat 6 Pins, wovon wir 4 nutzen werden. Die Beschriftung der Pins ist nicht direkt sichtbar, da sie zwischen dem Jumper und den eigentlichen Pins ist.

Mit Jumper Kabeln werden folgende Pins des ESP8266 NodeMCU Moduls zunächst an den USB-TTL Konverter angeschlossen:

Der Anschluss von GPIO0 an GND ist übrigens nur wichtig, wenn geflasht wird. Nachdem die Firmware erfolgreich geflasht wurde, kannst du die Verbindung dieses Pins zu GND trennen.

Firmware flashen

Verbinde den USB Adapter zunächst an deinen PC. Der ESP8266 sollte automatisch erkannt werden und die Treiber unter Windows 7/8/10 automatisch installiert werden.

Anschließend benötigen wir das NodeMCU Flasher Tool. Es gibt hiervon eine 32Bit und 64Bit Version, welche entsprechend dem Betriebssystem heruntergeladen werden muss.

Starte das Programm und wähle den entsprechenden Port aus, an dem der ESP82166 angeschlossen ist. Normalerweise wird dieser automatisch erkannt (solange nicht mehr als ein Modul angeschlossen ist). Nach Prüfung drücke auf Flash(F) und warte, bis der Vorgang vollendet ist. Die Mac-Adresse sollte direkt angezeigt werden:

Das Development Team ist wohl dabei, das Tool auch für Linux und Mac verfügbar zu machen. Falls du die Firmware eines Tages updaten willst, kannst du hier weitere Informationen dazu finden.

Beispielsweise kannst du von hier eine Custom-Firmware (mit mehr standardmäßig enthaltenen Bibliotheken (wie http, etc.) laden. Diese liegt im „.bin“ Dateiformat vor und kann im „Config“ Tab anstelle der vordefinierten Firmware verwendet werden. Achte gleich beim Verbinden darauf, dass die Baudrate bei diesen Custom-Builds 115200 und nicht 9600 ist (sofern du sie verwendest).

Sobald die Firmware erfolgreich übertragen wurde, kannst du GPIO0 von GND trennen und das Flashing Tool schließen.

Verbindung zum ESP8266

Der ESP8266 NodeMCU Mikrocontroller lässt sich mittels der Sprache LUA programmieren (diese kommt übrigens auch in unserem automatischen Telegram-Skript vor). Um den Programmcode auf diesen zu übertragen, müssen wir zunächst eine serielle Verbindung aufbauen. Am einfachsten geht dies mit der Hilfe eines Tools.

Hierfür nutze ich das „ESPlorer“ Tool, welches in Java geschrieben wurde und somit auf allen Betriebssystemen genutzt werden kann. Lade dies zunächst auf der Entwicklerseite herunter und entpacke es.

Unter Windows Betriebssystemen reicht es die zugehörige „ESPlorer.bat“ zu starten.

Im rechten Tab ist wieder die Auswahl des Ports vorhanden. Wähle hier den entsprechenden Port (bei mir ist dies COM5) mit Baudrate 9600 (in früheren Versionen war diese bei 115200). Klicke nun auf den Button Open.

Üblicherweise tut sich erst einmal nicht viel, bis auf diesen Text:

PORT OPEN 9600

Communication with MCU..

Du musst den Mikrocontroller zunächst neustarten. Bei einem Development Board reicht das Drücken des Reset Buttons. Ohne Board muss der RST Pin (Belegung siehe oben) kurz mit GND verbunden werden. Danach erscheint folgende Meldung:

Got answer! Communication with MCU established.
AutoDetect firmware...

Can't autodetect firmware, because proper answer not received (may be unknown firmware). 
Please, reset module or continue.

Self adjust flash size.

NodeMCU 0.9.5 build 20150318  powered by Lua 5.1.4
lua: cannot open init.lua
>

Du hast es nun geschafft! Hier können nun bereits Befehle per LUA eingegeben werden, welche dann einmalig ausgeführt werden. Du kannst bspw. folgendes ganz unten eingeben:

print("Hello World")

Natürlich ist es auch möglich den Programmcode direkt nach dem Starten ausführen lassen. Dazu muss der Code in eine „init.lua“ Datei geschrieben werden, wozu wir aber gleich noch kommen.

Übrigens: Theoretisch ist es ebenfalls möglich sich per Putty oder Arduino IDE bzw. jedem Programm, das eine serielle Verbindung aufbauen kann, zu verbinden. Das ESPlorer Tool ist meiner Meinung nach aber die komfortabelste Möglichkeit.

Erster Test – Server

Die NodeMCU Seite hat einige Beispiele (unten), wovon wir zwei gleich einmal ausprobieren wollen.

Beim eerste Beispiel handelt es sich um einen kleinen Webserver, welcher unter der lokalen IP Adresse des ESP8266 läuft. Dazu muss dieser natürlich zunächst mit dem WLAN verbunden werden.

In der linken Seite des ESPlorer kannst du folgenden Code kopieren:

Hierbei müssen natürlich die WLAN Daten (SSID = Name, Passwort) mit denen deines Netzwerks ersetzt werden.

Drücke anschließend auf „Send to ESP“ (ggf. musst du die Datei vorher lokal speichern).

Um nun die IP Adresse herauszufinden, kannst du im in der rechten Ansicht unten folgendes eingeben:

Dies gibt eine Ausgabe wie folgende:

192.168.1.77    255.255.255.0    192.168.1.1

Die erste angegebene IP Adresse, ist jene innerhalb des lokalen Netzwerks. Falls sich dein Rechner ebenfalls in diesem Netzwerk befindet, so kannst du diese IP einfach in deinen Browser eingeben und folgendes sollte erscheinen:

Sobald du dies aufrufst, sollte der Log im rechten Fenster des ESPlorer auch etwas ausgeben.

Falls du die Datei in den Autostart packe willst, so speichere sie unter „init.lua“ und übertrage sie auf den ESP.
Solltest du sie eines Tages löschen wollen, so geht dies wie folgt (Dokumentation):

file.remove("init.lua")

ESP8266 NodeMCU GPIO schalten

Zum Schluss wollen wir noch von den GPIOs Gebrauch machen und eine LED leuchten lassen.

Achte darauf, dass die GPIO Nummerierung, wie auch beim Raspberry Pi, nicht mit der Pinbelegung übereinstimmt. So gilt bspw. beim ESP-01 GPIO0 = Pin3 und GPIO2 = Pin4. Im Code geben wir die Pin Nummerierung an. Die Belegung kann hier nachgelesen werden.

Beim ESP-12 NodeMCU sollte beachtet werden, dass die D-Pins (D0, D1, usw.) nicht die GPIO Nummern darstellen, sondern die IO/Pin Nummerierung:

Mit folgendem Skript kannst du eine LED an GPIO2 blinken lassen (langes Ende der LED an den GPIO, kurzes Ende an GND):

Auf der Referenzseite von NodeMCU findest du weitere kleine Beispiele.

Welche Projekte (insbesondere im Bezug auf den Raspberry Pi) soll ich als nächstes umsetzen?