2016
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ESP8266 ohne Arduino
Steuern mit WLAN IV
Ergänzung zum Buch: Messen und Steuern mit dem Smartphone

GPS-Modul
Eine kleine Powerbank (nicht im Bild) mit grüner Füllstandanzeige versorgt ESP8266-12f mit WLAN-Relaissteuerung - völlig autark.
Seit Sommer 2015 ist der ESP auch mit der IDE vom Arduino programmierbar. Der ESP ist schneller, kleiner und hat mehr Speicherplatz. Eigentlich gab/gibt es keinen Grund mehr einen Arduino zu benutzen. Nun wird nur noch die inzwischen vertraute Programmier-Umgebung des Arduino genutzt und natürlich die reichlich verfügbaren Bibliotheken für die verschiedenen Hardwarekomponennten.

Ob alles auch funktioniert soll folgende Anwendung zeigen, bei der drei Themen zur Anwendung gebracht werden:

Als Ergebnis entsteht als fertiges "Produkt" eine Rheinturmuhr auf einem TFT-Display, gesteuert mit der Netzzeit über WLAN und der Abfrage des Verkaufsranges (damals in rfo-Basic) der beiden eBooks aus eigener Feder über das Auslesen der Amazon-Bestseller-Liste im Bereich Bücher/Messtechnik.

GPS-Modul
Verkaufsrangabfrage mit dem ESP8266 und Bitmapdarstellung - alles direkt aus dem Internet.

Sollte eines der beiden 'Bestseller' dort auf Platz #1 sein, so wird in jeder Minute für 30 Sekunden das Buchcover angezeigt. Sollte dies nicht der Fall sein, könnte der Rang durch Erwerb verbessert werden...

Alle diese Dinge wurden schon auf andere Weise auf dieser Seite gelöst. Die entsprechenden Links hier oben zeigen auf diese früheren Projekte. Der ESP erlaubt jedoch eine viel kompaktere und schnellere Lösung. So werden zum Beispiel die Fotos/Bilder nicht mehr über eine SD-Karte geladen, sondern direkt aus dem Netz. Das klappt - nach einer Anpassung der SD-Routine - zurzeit nur mit dem BMP-Format.

Aufgrund eines leicht defekten neuen TFT-Displays gestaltete sich die Ansteuerung zunächst sehr holprig. Als die Ursache gefunden war, klappte jedoch auch die entsprechende "Adafruit_ST7735.h" und die dazu gehörende "Adafruit_GFX.h". Der Grafiktest lief deutlich schneller als mit dem Arduino. Entsprechende Videos im Netz zeigen das ebenfalls. Es wurde hier eine Anpassung von nzmichaelh der ST7735-Library benutzt.

Das Listing wird nicht Zeile für Zeile erläutert, da es meist schon bekannte Routinen aus anderen Projekten sind. Zusammenspiel und Struktur stehen hier im Vordergrund.

Hinweis:
Die Rangabfrage stammt aus einer Zeit als diese Amazon-Seiten noch nicht über https aufgerufen wurden. Der WiFiClient muss nun an entsprechender Stelle mit einem WifiClientSecure ersetzt werden, damit die Abfrage wieder funktioniert. Auch die Bitmap-Lösung könnte inzwischen überholt sein. Zum Zeitpunkt dieser Testphase gab es keine fertige und funktionierende Bibliothek für dieses Problem.


Deklarationsteil Bibliotheken reloaded

Um den ESP mit der IDE ab Version 1.6.6 zu programmieren, sind einige Vorbereitungen nötig, die im Netz beschrieben sind. Ein "ESP-Sketch" beginnt dann immer mit

#include <ESP8266WiFi.h>

Die Schreibweise (WiFi, nicht WIFI) ist dabei wichtig, da es viele andere Anpassungen gibt und nur mit dieser Bibliothek die eingebauten Anpassungen (Core) der IDE richtig funktionieren.

Danach folgen die üblichen Grafik-Deklarationen, wie sie auch bei einem echten Arduino erfolgen würden. SPI, Grafik, Display-Anschlüsse, ein TFT-Objekt und verschiedene Farbdeklarationen wurden allesamt aus vorigen Quelltexten übernommen. Ab und zu meckerte die neuere IDE über fehlende Vorwärts-Deklarationen, darum wird z.B. towerart vordeklariert.

Das Gleiche gilt für dei Zeit-Routinen: "TimeLib.h" und der vorwärtsdeklaration getNtpTime(). Mit den Routinen aus "WiFiUdp.h" erfolgt die Datenabfrage aus dem Internet (TCP/IP).


Routinen Eine Auflistung

Hier die Kurzerläuterung zu jeder Routine in der Rheinefolge des Erscheinens:

read32 -
Lesen von 4 Bytes als langer Integer, Daten aus einem WiFiClient-Stream.

Internet -
Verbindet den ESP mit dem Router bzw. dem Internet.

getMYbmp -
holt ein Bitmap aus dem Netz. Viele serielle Ausgaben, da diese Routine aus der Adafruit-SD-Routine entstand und nur ein experimentelles Ergebnis liefert. Die BMP-Dateien müssen noch gespiegelt auf dem Kopf stehend vorliegen.

book -
Scannt Amazon mit der eBook-ID nach dem Verkaufsrang.

setup -
Initialisierung von Grafik, Internet, Zeichnen des Towers und Überschreiben durch Laden des Rheinturmbildes. Festlegung des Zeit-Synchronisationsintervalls (hier 15 min.)

processMessage -
Serielle Steuerung zum Test der einzelnen Funktionen während der Laufzeit.

books -
Alle 15. bzw. 45. Sekunde den Stand abrufen und eventuell das Cover-Bild laden.

loop -
Sekundenschleife mit serieller Abfrage.

towerart -
Zeichnet den Turm oder nur die Lampen/Led.

getNtpTime -
Routine aus Time.h mit kleinsten Anpassungen.


Quelltext as it is

Hier das Gesamtlisting mit über 300 Zeilen. Das sieht lang aus, beinhaltet aber mehrere kleinere Projekte wie weiter oben angegeben.

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#include <ESP8266WiFi.h>
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>    // Core graphics library
#include <Adafruit_ST7735.h> // Hardware-specific library
#define TFT_CS     15
#define TFT_RST    12 
#define TFT_DC     16
#define TFT_SCLK 14 
#define TFT_MOSI 13 
Adafruit_ST7735 tft = Adafruit_ST7735(TFT_CS,  TFT_DC, TFT_RST);
//Colors
#define rgb      tft.Color565
#define BACK     rgb(0,0,255)
#define TOWER    rgb(63,63,63)
#define LAMP_ON  0xffff//ST7735_YELLOW
#define LAMP_OFF rgb(127,127,127)
#define LAMP_POS rgb(255,0,0)
#define DIGITS   LAMP_ON
#define BACK_TXT rgb(128,128,128)
void towerart(boolean);
bool tower;
#include <TimeLib.h> 
#include <WiFiUdp.h>
time_t getNtpTime();

uint16_t read16(WiFiClient f) 
{byte b[2];f.readBytes(b,2); // LSB
 return 256*b[1]+b[0];
}
#define ROT2  0
#define ROT0  2
uint32_t read32(WiFiClient f) 
{byte b[4];f.readBytes(b,4); // LSB
 return 16777216*b[3]+65536*b[2]+256*b[1]+b[0];
}

bool Internet(char *ssid, char *pass)
{int i;
 WiFi.begin(ssid, pass);
 Serial.print("\nConnecting to "); 
 Serial.print(ssid);
 while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && i++ < 20) 
 {delay(500);Serial.print(" .");
 }
 if(i == 21)
 {Serial.print("\nNo internet."); 
  WiFi.disconnect();
  return false;
 }
 Serial.print("\nInternet ok.");
 Serial.println(); 
 return true;
}

bool getMYbmp(char *url,char *command)
{uint8_t  r, g, b; WiFiClient client;
 if (!client.connect(url, 80)) 
 {Serial.println("connection failed");return false;
 }
 client.print(command);
 if(read16(client) == 0x4D42)// BMP signature
 {Serial.print("File size: "); 
  Serial.println(read32(client));
  (void)read32(client); // Read & ignore creator bytes
  Serial.print("Image Offset: ");
  Serial.println(read32(client), DEC);
  Serial.print("Header size: "); 
  Serial.println(read32(client));
  Serial.print("Image size: ");
  Serial.print(read32(client));
  Serial.print('x');        
  Serial.println(read32(client));
  if(read16(client) == 1) 
  // # planes -- must be '1'
  {Serial.print("Bit Depth: "); 
   Serial.println(read16(client));
   if(read32(client) == 0)  // 0 = uncompressed
   {// Set TFT address window to clipped image bounds
    read32(client);  read32(client);  read32(client);  
    read32(client);  read16(client); //trial&error  
    tft.setRotation(ROT2);
    tft.setAddrWindow(0,0, 128-1, 160-1);
    for (long i=0;i<(128*160);i++) 
    {client.readBytes(&g,1);
     client.readBytes(&r,1);
     client.readBytes(&b,1);
     tft.pushColor(tft.Color565(r,g,b));
    }
   }else return false;
  }else return false;
 }
 tft.setRotation(ROT0);
 return true;
}

int book(char *id)
{WiFiClient client;
 if (!client.connect("amazon.de", 80)) 
  Serial.println("connection to amazon.de failed");
  client.print("GET http://www.amazon.de/gp/bestsellers/
  books/189259/ref=pd_zg_hrsr_b_3_4_last\r\n");
 if(client.find(id)){Serial.print(id);
                     Serial.println(" found.");}
 else return 0;
 String tmp=client.readStringUntil('"');
 //Serial.println(tmp);
 int e=tmp.lastIndexOf('/');
 int a=tmp.lastIndexOf('_');
 if((e-a)<1)return 0;
 tmp=tmp.substring(a+1,e);
 return tmp.toInt();
}

void setup() 
{long startTime;
 char ssid[] = "FRITZ!Box";  //  your network SSID (name)
 char pass[] = "0123456789"; // your network password
 Serial.begin(9600);
 tft.initR(INITR_BLACKTAB);
 tft.setRotation(ROT0);
 tft.setTextWrap(true);
 tft.setTextColor(DIGITS,BACK_TXT);
 towerart(false);
 if(Internet(ssid,pass))
 {startTime=millis();
  if(getMYbmp("hjberndt.de",
 "GET http://www.hjberndt.de/soft/rtbmp\r\n"))
  {tower=true;
//#define Serial tft
   Serial.print("Loaded in ");
   Serial.print(millis()-startTime); 
   Serial.println(" ms");
  }
  else Serial.print("\nError loading bitmap.");
 }   
 setSyncProvider(getNtpTime);
 setSyncInterval(900); 
}

void processMessage() 
{String s=Serial.readStringUntil('\n');
  if(s.startsWith("S"))
  {s.remove(0,1);
   tft.print(s);
  }
  if(s.startsWith("P"))
  {s.remove(0,1);
   tft.print(s);
  }
  if(s.startsWith("S"))
  {s.remove(0,1);
   tft.print(s);
  }
  if(s.startsWith("B"))
  {getMYbmp("hjberndt.de",
   "GET http://www.hjberndt.de/soft/rtbmp\r\n");
   tower=true;
  }
  if(s.startsWith("1"))
  {getMYbmp("hjberndt.de",
   "GET http://www.hjberndt.de/soft/b1bmp\r\n");
   tower=false;
  }
  if(s.startsWith("2"))
  {getMYbmp("hjberndt.de",
   "GET http://www.hjberndt.de/soft/b2bmp\r\n");
    tower=false;
  }
}

void books()
{if(second()==15)
 {tft.setCursor(tft.width()/2+8*5, tft.height()-10);
  int pos=book("B00SM1UMQG");
  if(pos==1)
  {getMYbmp("hjberndt.de",
   "GET http://www.hjberndt.de/soft/b2bmp\r\n");
   tower=false;
  }
  else if(!tower){getMYbmp("hjberndt.de",
  "GET http://www.hjberndt.de/soft/rtbmp\r\n");
   tower=true;}
  tft.print("#");tft.print(pos);tft.print(" ");
 }
 if(second()==45)
 {tft.setCursor(tft.width()/2+8, tft.height()-10);
  int pos=book("B00CO5TGEK");
  if(pos==1)
  {getMYbmp("hjberndt.de",
   "GET http://www.hjberndt.de/soft/b1bmp\r\n");
   tower=false;
  }
  else if(!tower){getMYbmp("hjberndt.de",
  "GET http://www.hjberndt.de/soft/rtbmp\r\n");
  tower=true;}
  tft.print("#");tft.print(book("B00CO5TGEK"));
  tft.print(" ");
 }
}

void loop() 
{time_t prev=0;
 if(Serial.available())processMessage();
 if(now()!=prev)
 {prev=now();
  if(tower)towerart(true);
  books();
 }
}

//THE TOWER ART -- RHINETOWER -- BY HJBERNDT.DE

#define H_OFF (-1)

void towerart(boolean lamps)
{if(!lamps)
 {int w2=tft.width()/2+H_OFF;
  int h=tft.height();
  tft.fillScreen(BACK);
  tft.fillTriangle(w2-15,50,w2+15,50,w2+1,75,TOWER);//V
  tft.fillTriangle(w2+1,5,w2-6,h,w2+8,h,TOWER);// ^
  tft.fillRect(w2-14,43,30,3,TOWER);//=
  tft.fillRect(w2-11,36,24,3,TOWER);//-
  tft.setTextSize(1);
 }
 else
 {boolean is;char s[20];
  int x=tft.width()>>1;x+=H_OFF;
  int y=tft.height()-8;
  int i=1; //Lamp 1-39 
  int s10=0,s01=0;
  int m10=0,m01=0; 
  int h10=2,h01=3; 
  s01=second() % 10; s10=second() / 10;
  m01=minute() % 10; m10=minute() / 10;
  h01=hour()   % 10; h10=hour()   / 10;
  do //The Clock
  {switch (i) //Decode Time To Lamp 
   {case 1: case 2: case 3: case 4: case 5: case 6: case 7: 
    case 8: case 9: is=s01>(i-1); break;        
    case 10:case 11:case 12:case 13:case 14: is=s10>(i-10);
    break; //Seconds  
    case 15:case 16:case 17:case 18:case 19:case 20:case 21:
    case 22:case 23: is=m01>(i-15);break;
    case 24:case 25:case 26:case 27:case 28: is=m10>(i-24);
    break; //Minutes
    case 29:case 30:case 31:case 32:case 33:case 34:case 35:
    case 36:case 37: is=h01>(i-29);break;
    case 38:case 39: is=h10>(i-38); 
    break; //Hours
   }    
   tft.drawFastHLine(x, y, 2, is ? LAMP_ON : LAMP_OFF);
   y-=2;
   if(i==9 || i==9+5 || i==9+5+9 || i==9+5+9+5 || i==9+5+9+5+9)
   {tft.fillCircle(x-2, y-1, 1, LAMP_POS);
    tft.fillCircle(x+2, y-1, 1, LAMP_POS);
    y-=4;
   }
  }while(++i<=39); //all done
  //Text Time
  tft.setCursor(3, tft.height()-10);
  sprintf(s,"%0d%0d:%0d%0d:%0d%0d",h10,h01,m10,m01,s10,s01);
  tft.print(s);
 }
}

/*-------- NTP code ----------*/
time_t getNtpTime()
{IPAddress timeServer(132, 163, 4, 101); 
 // time-a.timefreq.bldrdoc.gov
 const int timeZone = 1;   // Central European Time
 const int NTP_PACKET_SIZE = 48; 
 // NTP time is in the first 48 bytes of message
 byte packetBuffer[NTP_PACKET_SIZE]; 
 //buffer to hold incoming & outgoing packets
 WiFiUDP Udp;
 unsigned int localPort = 8888;  
 // local port to listen for UDP packets
 Serial.println("Starting UDP");
 Udp.begin(localPort);
 Serial.print("Local port: ");
 Serial.println(Udp.localPort());
 Serial.println("waiting for sync");
 while (Udp.parsePacket() > 0) ; 
 // discard any previously received packets
ifquot;char Serial.println("Transmit NTP Request");
 memset(packetBuffer, 0, NTP_PACKET_SIZE);
 packetBuffer[0]  = 0b11100011; // LI, Version, Mode
 packetBuffer[1]  = 0;     // Stratum, or type of clock
 packetBuffer[2]  = 6;     // Polling Interval
 packetBuffer[3]  = 0xEC;  // Peer Clock Precision
 packetBuffer[12] = 49;
 packetBuffer[13] = 0x4E;
 packetBuffer[14] = 49;
 packetBuffer[15] = 52;
 Udp.beginPacket(timeServer, 123); 
 //NTP requests are to port 123
 Udp.write(packetBuffer, NTP_PACKET_SIZE);
 Udp.endPacket();
 uint32_t beginWait = millis();
 while (millis() - beginWait < 1500) 
 {int size = Udp.parsePacket();
  if (size >= NTP_PACKET_SIZE) 
  {Serial.println("Receive NTP Response");
   Udp.read(packetBuffer, NTP_PACKET_SIZE);  
   // read packet into the buffer
   unsigned long secsSince1900;
   // convert four bytes starting at location 40 to a long integer
   secsSince1900 =  (unsigned long)packetBuffer[40] << 24;
   secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[41] << 16;
   secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[42] << 8;
   secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[43];
   return 1+secsSince1900 - 2208988800UL + timeZone * SECS_PER_HOUR;
  }
 }
 Serial.println("No NTP Response :-(");
 return 0; 
}

Die Umschaltung auf Sommerzeit ist in obigen Listing nicht vorgesehen. Dies wurde in der GPS-Uhr jedoch eingebaut und kann entsprechend übernommen werden.

Ausblick Messen Steuern Regeln

Auch wenn nun Arduino mit einer IoT-Version nachzieht ist seit dem ESP8266 das Thema in Hobbykreisen hoch aktuell und auch preiswert. Mit Hilfe der bekannten IDE vom Arduino und den vorhandenen Bibliotheken können nun auf einfachste Weise die Dinge kompakter und schneller und sogar preiswerter realisiert werden. Und es geht sogar noch einfacher ...


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