esp8266 + ws2813 = новогоднее настроение

Почитывая обзоры на Муське, я узнал про замечательную вещь — светодиоды с пиксельной адресацией, а также увидел интересный вариант применения ленты для создания праздничного настроения. Было решено соорудить нечто подобное, но, скажем так, на базе чего-то более перспективного и интересного, чем ардуино из обзора sav13, и не настолько сложно, как это сделал yurok. Встречайте — esp8266 в роли этого самого «перспективного и интересного»!
ДОПОЛНЕНО: Добавлен скетч для esp8266

Сразу оговорюсь — в обзоре будет очень мало работы паяльником и много букв, если кому-то интересен результат — прокручивайте вниз, фото и видео прилагается.
Итак, почему не arduino, тем более что у меня их уже имеется несколько штук? Дуина, конечно, хороша: для нее написано множество библиотек на все случаи жизни, имеется огромное сообщество разработчиков, привычная среда разработки и все такое… Но крошечный объем памяти — 32 кб на всё про всё, причем всего 2 кб под переменные — резко ограничивает полет фантазии для реализации эффектов и заставляет задуматься о смысле жизни искать что-то более мощное, но желательно не очень дорогое.
Прогресс не стоит на месте, и вот он, подходящий кандидат — микроконтроллер esp8266. Производителями готовых решений выпускаются различные платы и модули с этим чипом — практически на любой вкус и под любые цели. Можно отдельно отметить несколько любопытных вариантов.
1. ESP-09.

Чемпион по миниатюризации: квадратик «сантиметр на сантиметр». В каком-то обзоре один из муськовчан интересовался, что он может воткнуть в условиях очень ограниченного пространства… Вот и ответ! В наличии 1 мегабайт памяти, демократичный ценник (впрочем, как и на все платы на базе esp8266) — что еще надо? Из минусов — выводы на антенну и GPIO 0, 2, 12, 13, 14 и 15 находятся внизу, и для монтажа такое подойдет не всем.

2. ESP-07.

Представляет собой прямоугольную плату 22 мм на 16 мм, имеет на борту керамическую антенну, разъем для подключения внешней антенны, выводы GPIO 0, 2, 4, 5, 12, 13, 14, 15 и 16. Памяти по меркам esp самый минимум — «всего» 512 кб.
3. ESP-12 и ее разновидности.

По размерам практически идентичны предыдущему варианту, но отсутствует вывод на внешнюю антенну, а керамическая антенна заменена «змейкой» прямо на плате. Модели с различными буквенными индексами отличаются размером памяти.
4. Платы NodeMCU.

Главное внешнее отличие от всех предыдущих — это привычный шаг выводов и собственно наличие этих самых выводов, позволяющее легко подключать к плате модули. Кроме того, к этой плате гораздо проще подключаться с точки зрения разработчика — не нужно никаких конвертеров, программаторов и прошивальщиков — на плате имеется преобразователь напряжения, встроен UART-конвертер на базе чипа CH340 и есть разъем micro-USB. И, кроме того, через пин Vin ее можно запитать от 5 вольт (и даже больше). Проще некуда!
5. WeMOS D1 mini.

Тоже интересная плата, прежде всего тем, что конкретно под нее выпускается много модулей и имеется возможность объединять плату с модулями в своеобразный «бутерброд»: никаких лишних проводов, ничего нигде не болтается — мечта! По характеристикам аналогична платам NodeMCU — имеет много памяти, достаточное количество пинов и micro-USB разъем, но при этом компактнее.

Дабы не заморачиваться с преобразованием напряжения (все равно блок питания ленты на 5 вольт) и пайкой мелких элементов, я заказал пару плат NodeMCU ver.2, по цене одна плата вышла чуть дешевле трех с половиной долларов. К слову говоря, я заказывал еще и NodeMCU ver.3 (она дешевле на 60 центов), никакой разницы кроме размеров я не заметил.
Теперь о доставке. В Беларусь посылка добралась быстро, недели через 3 после покупки я забрал ее на почте. Упаковка — стандартный полиэтиленовый пакет, внутри несколько запаянных антистатических пакетиков с платами, всунутыми в куски вспененного полиэтилена. В общем — нормально. Ноги не погнуты, а бьющихся частей там нет.


А вот — наглядное сравнение плат NodeMCU с ардуино. Слева направо:
шилд для Nodemcu v.2, Arduino Uno R3, Nodemcu v.3, Nodemcu v.2, Arduino nano


Лента была куплена у другого продавца, 5 метров ленты с учетом долларового купона обошлись чуть дороже 20 баксов. Вот снапшот снапшот почему-то не открывается, вот ссылка на ленту.
Сначала думал найти подходящий профиль, но после пробных подключений и чтения форумов решил сделать проще — вместо алюминиевого профиля у меня используется обычный белый пластиковый кабель-канал. Лента совсем не греется, проверено многочасовыми тестами. Если кому интересно, я сфоткал потребление ленты вместе с esp8266. Вот довольно легкий режим «змейка», потребление чуть больше 2 ватт:

А вот максимальная нагрузка, все диоды на 2 метрах ленты светят ярким белым светом, потребление около 18 ватт:


Место подключения кабеля к ленте я закрепил термоклеем, выглядит примерно так


Как я уже говорил выше, для питания ленты на диодах ws2813 необходимо напряжение 5 вольт, а 2-метровому отрезку будет достаточно 18 Ватт в пике. Блок питания был взят с запасом — это MeanWell RS-50-5, купленный в одном известном российском магазине. Забегая немного вперед, скажу, что даже при длительном использовании блок совершенно не греется, что для меня является плюсом. Чтобы спрятать эту железяку с глаз долой, я использовал распределительную коробку стоимостью около полутора долларов, купленную с местном строительном магазине.

Блок питания в нее кое-как поместился, хоть его и пришлось немного доработать напильником:)


Сам модуль NodeMCU пока болтается снаружи — прячется за блоком, со стороны незаметен и никому не мешает.

Вот так вся конструкция выглядит на подоконнике:

Подходящей коробочки для модуля сначала не нашлось, и как его прятать — я особо даже не думал. Есть мысль, что подойдет пластиковая коробка для пальчиковых батареек, но эстетикой я займусь позже.


Теперь по управлению. Сначала у меня была мысль прикрутить управление с помощью обычного ИК-пульта, тем более что пульт с ИК-модулем для ардуино у меня давным-давно лежит в коробке. Но увы — ИК-приемник не сможет корректно работать без прерываний, а библиотека NeoPixel не даст их использовать. Короче, надо выбрать или одно или другое. Пришлось отказаться от этой идеи и копать дальше, в сторону Wi-fi или Bluetooth. Модуль имени короля Харальда I Синезубого у меня отсутствовал, да и выбор из двух беспроводных вариантов был очевиден — это однозначно встроенный вайфай.
Захотелось прикрутить управление подсветкой через Wi-fi, но появились новые вопросы — что именно использовать для управления? Будем разбираться.
Сам собой напрашивался Blynk, как правильно подумали знающие читатели. Для остальных следует пояснить, что есть блинк, чем он хорош, а чем неудобен. Итак, блинк — это проект, призванный помочь самоделкиным контролировать целый зоопарк различных устройств и тратить при этом минимальное время на разработку интерфейса управления. Однако есть важная деталь: для работы сервиса устройствам требуется или доступ в интернет, или установленный в локальной сети сервер. Интерфейс можно слепить в простом редакторе из довольно большого набора элементов на все случаи жизни, пользователю бесплатно выделяется 2000 единиц «энергии» для творчества. Каждый элемент стоит некоторое количество энергии, и при исчерпании лимита ее можно пополнить (проще говоря — купить). Можно установить сервер blynk где-нибудь в локальной сети, и тогда ограничение с энергией снимается, но появляется новый вопрос — куда бы так воткнуть сервер, чтобы он был доступен в любой момент времени? В общем, у блинка есть свои тонкости, и мне он в целом понравился, но не подошел.
Смотрим дальше. Следующий вариант — это раскрутка вебсервера на ЕСП и управление устройством напрямую, с помощью гиперссылок вида myesp.local/color/red/25. Подключение к устройству через браузер доступно с любого устройства в локальной сети и может быть удобно, если будет сделан хороший интерфейс, но… Примитивный HTML — это же каменный век, и с элементами управления особо не разгуляешься. В общем — этот вариант также отвалился на стадии первых тестовых подключений.
Погуглив в интернетах, я пришел к выводу, что можно сделать красивый и, что немаловажно, удобный веб-интерфейс с помощью JQuery mobile, а последующее взаимодействие с устройством реализовать через WebSocket. Что это такое, я знал только в общих чертах, и работать ни с тем, ни с другим несколько недель назад еще не умел. Но, как говорится — наши руки не для скуки! Сначала я хотел приспособить к ЕСПшке micro-SD карту и хранить на ней все, что нужно было для создания мини-сервера, но когда начал разбираться с esp8266 глубже, оказалось, что внешняя память в моем случае не нужна. Esp-12E, которая является основой платы NodeMCU, имеет на борту аж 4 мегабайта памяти, из которых один или три мегабайта можно задействовать под внутреннюю файловую систему. Учитывая размер единственной странички со всеми дополнительными скриптами и картинками, мне этого объема теоретически было более чем достаточно!

В общем, идея сформировалась: нужно сделать простую страницу, разместить ее во встроенной файловой системе ЕСПшки, поднять на ЕСПшке вебсервер и при обращении к нему — отдавать эту страницу. Все дальнейшее взаимодействие предполагалось только через websocket, такой подход должен снизить трафик и поможет избежать ненужной перерисовки управляющей веб-страницы.
Для быстрой разработки интерфейса был использован онлайн-инструмент Rapid interface builder, который при всей своей замечательности у меня нормально работал только один день, а потом перестал экспортировать архив с готовым интерфейсом. К счастью, прямо на странице можно посмотреть и скопировать исходный код интерфейса (кнопка Code), так что невозможность экспорта не стала большой проблемой. К тому же, интерфейс и таблицы стилей были впоследствии исправлены вручную. Когда наброски интерфейса были готовы, я забросил интерфейс во внутренюю память ESP, добавил в исходники взаимодействие через websocket, и тут случился облом: ESP не может работать с файлами во внутренней файловой системе, если полное имя файла и путь к нему длиннее 32 символов. Пришлось сократить имена, после чего все стало работать как я и ожидал, и я начал экспериментировать с эффектами.
Их не то чтобы много, но что-то я все-таки придумал. Я старался сделать эффекты не статичными (это слишком просто и скучно), а с возможностью «тюнинга». Как правило, пользователь может изменить скорость анимации, выбрать цвет и т.п. В общем, мелочь, которая позволяет иногда изменить один и тот же эффект до неузнаваемости. Если фантазия в отпуске или просто хочется поэкспериментировать, можно воспользоваться кнопкой «Придумать» — так можно сгенерить значения некоторых параметров случайным образом.
Список эффектов пока небольшой, но надеюсь что он будет расширяться.
1. Волны. Пользователь указывает минимальное и максимальное значение цвета в «волне», количество волн и скорость их движения. Волны трех базовых цветов могут как бы накладываться друг на друга, в итоге создавая новый цвет. Объяснять тяжело, фотография наверное тоже не очень поможет, лучше смотрите видео.
2. Радуга. Ну, название говорит само за себя… Пользователь может указать от 2 до 10 цветовых точек, между ними будут плавные цветовые переходы. Для динамики можно указать еще скорость движения радуги.
3. Линии. Вся лента плавно заполняется одним цветом справа налево или наоборот. Цвета могут быть случайными или выбранными заранее.
4. Снежинки. Они появляются, затем медленно тают. Или быстро — это зависит от настроек. Кроме того, можно указать частоту появления снежинок и их цвет… А еще цвет можно генерировать случайно для каждой «снежинки». Красиво, в общем.
5. Стробоскоп. Что-то вроде снежинок, только размер поменьше и скорость исчезновения побольше. Хотя что тут объяснять, все наверно и так знают, что такое стробоскоп.
6. Змейки. В одном направлении движутся полосы одного или разных цветов, могут менять направление движения. Настройки в общем-то как у большинства — скорость движения, цвет.
7. Пульс. Вся лента плавно пульсирует от минимального цвета до максимального и обратно. Цвета задаются пользователем, скорость пульсаций — тоже.
8. Автосмена режимов. Еще одно говорящее название — эффекты переключаются или по кругу, или случайным образом. Можно указать длительность действия эффекта, но фильтра по эффектам нет.
9. Планировщик. Реализовать эту фичу — в самых ближайших планах. Должен быть следующий функционал — пользователь настраивает какой-либо эффект, затем добавляет его в планировщик и задает длительность его выполнения, затем еще и еще. По моим расчетам, в теории можно будет задать не меньше сотни различных конфигураций, на практике наверно хватит и 10-15. Ну а планировщик будет переключать режимы согласно очередности.
И последнее — дабы не приходилось постоянно после включения выбирать эффекты и настраивать их под себя, параметры хранятся в энергонезависимой памяти, т.е. при включении пользователь увидит тот эффект, который был установлен перед выключением. Автосохранение происходит через минуту после того, как пользователь последний раз изменял настройки.
Ну а теперь — ссылки на видео. В этом плейлисте вы можете увидеть разные режимы в действии:







А вот здесь я покажу, как происходит управление параметрами





Вот такая поделка у меня получилась. Как я уже говорил, в JQuery не силен, поэтому местами там сделано неправильно или даже используются откровенные «костыли», но все работает, а это главное. В силу возможностей постараюсь развивать проект (есть мысли по добавлению расписания и режима ночника), но ваши пожелания и улучшения всячески приветствуются. Исходники появится здесь же через пару дней (как только приведу их в порядок), но если кому-то уж очень сильно невмоготу, есть ESP, лента и желание повторить этот проект — обращайтесь, отдам исходники как есть, а потом обновитесь.

И еще один важный момент. Вот что нам понадобится для работы с esp:
1. библиотека WebSockets by Markus Sattler, версия 2.0.5
2. библиотека Adafruit NeoPixel, версия 1.0.6
3. плагин ESP8266FS для заливки файлов во внутреннюю файловую систему ЕСПшки. Обратите внимание, что версия 0.3.0 у многих не работает, и у меня в том числе. Решение простое — используйте версию 0.2.0.

ДОПОЛНЕНО:
Последовательность действий для заливки программы в NodeMCU.
1. Качаем и устанавливаем среду разработки Arduino (у меня стоит версия 1.6.7), настраиваем ее для работы с NodeMCU. Как это сделать, в сети их уже неоднократно разжевано.
2. Устанавливаем библиотеки WebSockets и Adafruit Neopixel, ссылки на библиотеки есть чуть выше.
3. Качаем плагин ESP8266FS для заливки данных во внутреннюю файловую систему, устанавливаем его. Ссылка на плагин — чуть выше, у меня работает версия 0.2.0. Распаковываем этот плагин в папку tools, которая находится там, где установлена среда разработки Arduino. У меня это d:\Program Files (x86)\Arduino\tools\
4. Качаем мой архив, распаковываем его куда-нибудь. Структура архива такова:
SmartLED\
data\
smartled.h
smartled.cpp
SmartLED.ino
Ну, собственно, здесь почти все понятно: .h и .cpp — это файлы библиотеки, .ino — сам скетч, а вот папка data содержит файлы, которые необходимо будет залить во внутреннюю файловую систему ЕСПшки с помощью плагина ESP8266FS.
В общем, открываете в среде разработки файл SmartLED.ino, подключаем ЕСПшку и компилим скетч. Если все подключено верно, то скомпиленный бинарник зальется в плату. Теперь открываем пункт «ESP8266 Sketch Data Upload» в меню «Инструменты», и заливаем файлы в ЕСПшку.
После ребута можно пользоваться!
ЗЫЖ Не забудьте поправить настройки вайфая в скетче!

Вот, пожалуй, и все, что я хотел вам рассказать в этом обзоре.

Спасибо за внимание, и с наступающим Новым Годом!