Project 11 — ESP32: vergelijking van platforms

Repost van Tumblr. Sources op github.

Ik heb een ESP32 Pico gekocht. Ik heb er nog geen toepassing voor. Eerst wil ik de verschillende manieren waarop je hem kunt programmeren uitproberen.

De Pico is smal genoeg om op een enkel breadboard te gebruiken. Voor grotere ESP32’s heb je twee breadboards naast elkaar nodig.

Tests

Met behulp van verschillende platforms maakte ik een demo met deze functies:

• Systeeminformatie printen op seriële monitor
• WiFi gebruiken
• NTP gebruiken
• Tijd omzetten van UTC naar lokale tijd
  • Tijdzone Europe/Amsterdam: CET-1CEST,M3.5.0/2,M10.5.0/3
  • Met tussenpauzes actuele tijd printen op seriële monitor
• MQTT
  • Publish tijd van opstarten (lokale tijd)
  • Subscribe
  • Last will and testament
• Twee LEDs die afwisselend knipperen
  • Snelheid instelbaar via MQTT
• Een LED aansturen met PWM
  • Helderheid instelbaar via MQTT

1. Arduino IDE

Meer hier.

De eerste versie demo was snel klaar. Ik heb het programma opgezet zoals ik gewend ben met Arduino, met een standaard setup() en loop(). Voor NTP en MQTT heb ik de library’s gebruikt die ik eerder al in project 08 gebruikte.

Maar m’n code voor het omzetten van UTC naar lokale tijd kon ik achterwege laten. De library’s voor ESP kunnen overweg met tijdzones.

2. Espressif

Meer hier.

ESP-IDF is de officiële ontwikkelsoftware voor ESP van Espressif. Gebruik dit als je alles uit je ESP32 wilt halen. Beheer van het project gebeurt grotendeels via de command line.

Toen ik tutorials zocht op Youtube kwam ik al snel het begrip RTOS tegen. Espressif maakt gebruik van (een aangepaste vorm van) FreeRTOS. Het is de moeite waard je daarin te verdiepen. Voor simpele projecten volstaat de gebruikelijk opzet van Arduino met setup() en loop(), maar voor complexere projecten, waarin je ESP veel processen tegelijk moet aansturen, volstaat dat niet. Dan wil je een RTOS gebruiken, met z’n aparte taken, queues, en wat er nog meer bij komt kijken. Het doet denken aan Go met z’n goroutines en channels, dus ik voelde me er direct vertrouwd mee.

De documentatie is goed, op één ding na: er wordt bij functies niet vermeld welke headers je moet gebruiken. Dus moet je zoeken in de headerfiles waar een functie is gedeclareerd.

Ik bleek geen externe library’s nodig te hebben. Alle functionaliteit die ik nodig had wordt door Espressif zelf geboden.

3. Arduino IDE met RTOS

Meer hier.

Na m’n implementatie met Espressif wilde ik kijken of ik dezelfde principes van RTOS kon toepassen in de Arduino IDE (uiteraard alleen voor ESP). Dat werd demo2. Het bleek goed te doen. Ook hier bleek dat ik in plaats van de externe library’s voor NTP en MQTT gewoon Espressif zelf kon gebruiken.

In Arduino IDE gebruik je niet de standaard library’s van Espressif, maar de library’s die door Espressif voor de Arduino IDE zijn ontwikkeld. Ik weet niet in hoeverre dit dezelfde functionaliteit biedt als de standaardversie van Espressif. Je hebt niet de mogelijkheid om alle parameters voor het compileerproces te tunen. Misschien is dit een voordeel.

En je hoeft je minder zorgen te maken om het gebruik van headers. Dat gaat voor een groot deel vanzelf.

4. MicroPython

Meer hier.

Dit werkt makkelijk. Als je MicroPython eenmaal hebt geïnstalleerd op je ESP32 kun je met rshell de REPL starten of bestanden van en naar je ESP kopiëren.

Maar het is en blijft Python. Ik ben geen fan. Dat gedoe met spaties leidt onherroepelijk tot problemen bij grotere projecten.

Verder is de functionaliteit beperkt. Tijdzones kent MicroPython niet. Voor MQTT moest ik een externe implementatie gebruiken. In MicroPython is wel ondersteuning voor de protocollen die gebruikt worden in microcontrollers, zoals I²C, SPI, UART, etc, maar daarmee kun je nog niet elke sensor of display dat gebruik maakt van die protocollen besturen. Je moet een implementatie hebben voor dat specifieke apparaat, ergens een library downloaden, of zelf schrijven.

Hetzelfde geldt natuurlijk voor Arduino, maar voor Arduino zijn al heel veel library’s geschreven. Met MicroPython weet ik dat zo niet.

5. NodeMCU

Meer hier.

Dit is beter dan MicroPython. Hetzelfde idee, maar met Lua als programmeertaal in plaats van Python. Dat is natuurlijk een groot voordeel.

Alle functionaliteit die ik voor dit project nodig had is aanwezig in NodeMCU. Inclusief NTP, lokale tijd via tijdzones, en MQTT.

Er is niet één kernel van NodeMCU voor je ESP. Je compileert er zelf een nadat je hebt besloten welke modules je wilt gebruiken. Daardoor kan NodeMCU veel modules aanbieden, terwijl de uiteindelijke kernel niet groter wordt dan nodig. Een groot voordeel op een apparaat waar het geheugen zeer beperkt is.

6. Lua RTOS

Meer hier.

Een andere variant van Lua voor de ESP. Het gebruik is net iets simpeler dan met NodeMCU, maar dat komt doordat er maar één kernel is. En omdat alles wat Lua RTOS te bieden heeft in die ene kernel moet is er uiteraard een kleiner aanbod van modules.

Lua RTOS ondersteunt geen tijdzones, dus hiervoor moest ik weer m’n eigen code bakken.

MQTT ondersteunt geen last will and testament.

7. Mongoose OS

Meer hier.

Mongoose OS is een ramp. Ergens had ik gelezen dat dit het ideale OS voor de ESP32 zou moeten zijn. Niet dus. Je kunt programmaatjes schrijven in iets wat lijkt op JavaScript, maar waarin je niet eens twee strings met elkaar kunt vergelijken. Het is me niet gelukt mijn demo in Mongoose te implementeren.

Bovendien is er geen REPL, dus de helft van motivatie om een geïnterpreteerde taal te gebruiken ontbreekt.

Je kunt in Mongoose OS ook in C programmeren, maar waarom zou je? Dan heb je geen REPL en geen snelle uploads van scripts.

8. Zephyr

Wat is Zephyr? The Zephyr® Project strives to deliver the best-in-class RTOS for connected resource-constrained devices, built to be secure and safe. Het is vooral een ton aan software die je moet downloaden, waarbij weinig gaat zoals de handleiding veronderstelt, voordat je in staat bent om het simpelste programmaatje te compileren (een blink-programma), dat dan ook nog niet lukt. Een hello world, dat kreeg ik wel aan de praat.

Uiteindelijk komt het neer op het schrijven van een programma in C, waarna je een build doet, en dan alles naar je apparaat moet flashen. Net als Arduino IDE en Espressif, maar dan veel ingewikkelder.

Wat is het doel? Standaardisatie? Iets dat op alle IoT-apparaten zou moeten draaien? Dat lijkt mij een illusie. Met microcontrollers en zo wil je geen ballast.

9. CircuitPython

Ik had het vage idee dat CircuitPython beter (verder) ontwikkeld zou zijn dan MicroPython (de eerste is immers niet voor niets een vork van de laatste), dus wilde ik kijken wat CircuitPython te bieden heeft.

CircuitPython wordt niet ondersteund voor de ESP32. Wel voor de ESP32-S2. Zou ik een kernel voor de ESP32-S2 op de ESP32 kunnen laten draaien? Mij is het niet gelukt. Bij mijn pogingen om het voor elkaar te krijgen raakte ik verstrikt in de documentatie, die extreem slecht georganiseerd en verwarrend is.

Ik denk niet dat als ik eenmaal een board heb die wel door CircuitPython wordt ondersteund, om dan alsnog CircuitPython te gebruiken.

Het is en blijft toch Python.

Conclusies

Welk platform kun je nu het best gebruiken voor het programmeren van de ESP32? Wat mij betreft blijven er twee duidelijke favorieten over.

Arduino IDE

Voor kleine of grote eindtoepassing gebruik je de Arduino IDE.

Je kunt je programma’s op twee manieren vorm geven. De traditionele Arduino-manier, met z’n setup en loop. Dit is alleen geschikt voor simpele dingen, maar je kunt het wel makkelijker exporteren naar andere apparaten.

Of je gebruikt de FreeRTOS in Espressif, wat simpele dingen een klein beetje complexer maakt (hoewel dat meevalt), en grotere projecten een stuk handelbaarder. Je programma exporteren naar een ander soort board wordt dan wel ingewikkeld.

Het nadeel van het werken met de Arduino IDE (of direct met Espressif) is dat je voor elke verandering in de code die je wilt testen het complete programma moet compileren en flashen naar je apparaat. Dat is tijdrovend. En het is niet goed voor je apparaat om heel vaak een groot deel van het flashgeheugen te overschrijven.

NodeMCU

Voor graduele ontwikkeling, dingen testen, met kleine stukjes scripts werken, direct commando’s naar je board sturen, voor dit alles is een scripttaal en een REPL ideaal, en wat mij betreft is NodeMCU de duidelijke winnaar.

Behalve de snellere ontwikkeling met NodeMCU (in vergelijking met Arduino IDE) levert dit programmacode op die een stuk compacter en leesbaarder is dan de C++-code voor Arduino. Als je een complete toepassing voor NodeMCU hebt geschreven, en het werkt prima, en snelheid is niet echt een issue, dan kun je besluiten geen C++-versie te maken, maar gewoon de Lua-versie te blijven gebruiken.

Het is ook veel sneller om een Lua-programma te vervangen dan een C++-programma te moeten compileren en flashen.

Vervolg

Mijn testtoepassing is erg simpel.

Volstaat voor optimaal programmeren van de ESP32 de Arduino IDE, of heb je voor sommige dingen toch de ontwikkelomgeving van Espressif nodig?

Lua kent coroutines. Hoe gebruik je die effectief in NodeMCU?

Wordt NodeMCU actief doorontwikkeld? Hoe zit het met ondersteuning voor verschillende soorten displays en sensors en zo in NodeMCU?

Dat laatste is iets wat ik in de toekomst wil testen.