Gateway-Modul WT32-ETH01 ESP32, Ethernet 10/100 Mbit/s, WLAN, Bluetooth, Versorgung 5 V oder 3,3 V

WT32-ETH01 ist eine Platine mit ESP32 und Ethernet-Anschluss, die in Projekten eingesetzt wird, die eine stabilere kabelgebundene Verbindung als WLAN benötigen, zum Beispiel Automatisierungsknoten, Gateways für serielle Geräte oder Überwachungstafeln. In diesem Tutorial verwenden wir das Modul allein, programmiert aus der Arduino IDE mit dem Board ESP32 Dev Module, ohne eine weitere Entwicklungsplatine.

Das Modul hat keinen USB-Anschluss, deshalb programmieren wir es über einen USB-TTL-Adapter CP2102 mit 3,3 V Logikpegel. Am Ende haben wir ein Programm, das das Ethernet startet, die vom Router erhaltene IP-Adresse anzeigt und regelmäßig prüft, ob das Netzwerk antwortet.

So funktioniert es:

Der ESP32 enthält den MAC-Controller für Ethernet, und der Schaltkreis LAN8720A auf der Platine ist der physische Teil (PHY), der mit dem Kabel kommuniziert. Beide sind über die Schnittstelle RMII verbunden, die einen Referenztakt von 50 MHz benötigt. Dieser Takt kommt von einem Oszillator auf der Platine, der vom ESP32 über den Pin IO16 eingeschaltet wird, und gelangt über den Pin IO0 in den ESP32. Deshalb wird im Programm der Pin IO16 als Versorgungspin des PHY deklariert und der Takt auf ETH_CLOCK_GPIO0_IN gesetzt.

Die Pins IO23 (MDC) und IO18 (MDIO) bilden den Management-Bus, über den der ESP32 den LAN8720A konfiguriert, und die PHY-Adresse ist 1. Die eigentlichen Daten laufen über die RMII-Pins IO19, IO21, IO22, IO25, IO26 und IO27, die intern genutzt werden und nicht auf den Stiftleisten erscheinen.

Einige nützliche Berechnungen. Die serielle Schnittstelle mit 115200 Baud überträgt für jedes Byte 10 Bit (ein Startbit, 8 Datenbits und ein Stoppbit), also etwa 115200 / 10 = 11520 Byte pro Sekunde. Das Ethernet mit 100 Mbit/s hat eine theoretische Geschwindigkeit von 100 / 8 = 12,5 MB pro Sekunde, also mehr als 1000-mal so schnell. Der mittlere Verbrauch beträgt 80 mA, die Versorgung muss aber für die Stromspitzen von WLAN und Ethernet mindestens 500 mA liefern können. Ein USB-Port liefert 500 mA, das reicht also aus.

Anschluss:

Wir versorgen das Modul über den Pin +5V des Adapters CP2102, der die 5 V aus dem USB direkt weitergibt. Den Pin 3V3 des Adapters verwenden wir nicht, da sein Regler nur einen kleinen Strom liefert, der für einen ESP32 mit WLAN nicht ausreicht. Die Signale sind 3,3 V, deshalb ist kein Pegelwandler nötig, aber legen Sie niemals 5 V an die Signalpins an. Die serielle Leitung wird gekreuzt verbunden: TXD des Adapters an RX0 und RXD des Adapters an TX0. Der Pin IO0 wird nur so lange mit GND verbunden, wie wir das Programm laden.

Tasten, Einstellregler und Anzeigen:

Die Platine hat keine Tasten, Potentiometer, Jumper oder Schalter. Der Programmiermodus wird über eine Drahtbrücke zwischen IO0 und GND eingeschaltet, das Zurücksetzen erfolgt über den Pin EN. Den Zustand der Platine zeigen drei LEDs an.

Programmiermodus. Verbinden Sie die Brücke zwischen IO0 und GND, bevor Sie die Platine einschalten oder zurücksetzen. Nachdem die Arduino IDE das Laden beendet hat, entfernen Sie die Brücke und starten die Versorgung neu. Zeigt der serielle Monitor die Meldung waiting for download an, steckt die Brücke noch oder die Platine wurde nicht neu gestartet.

Zurücksetzen. Um das Programm neu zu starten, ohne die Versorgung zu trennen, berühren Sie den Pin EN kurz mit einem Draht an GND. Das Programm startet von vorn, und Sie sehen die Startmeldungen im seriellen Monitor erneut.

Die LED POWER. Beim Anschluss des Adapters am USB-Port muss sie sofort aufleuchten. Das ist das erste Zeichen dafür, dass Versorgung und Masse stimmen.

Board und Bibliotheken:

In der Arduino IDE wählen Sie unter Tools > Board das Board ESP32 Dev Module aus dem Paket esp32 von Espressif Systems, das über den Boards Manager installiert wird. Das Paket liegt der Arduino IDE nicht bei, deshalb tragen Sie zuerst unter File > Preferences bei Additional boards manager URLs die Adresse https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json ein. Das Programm wurde für die Versionen 2.0.x und 3.x des Pakets geschrieben. Stellen Sie Upload Speed auf 115200 ein.

Das Programm verwendet nur die Bibliotheken, die im ESP32-Paket enthalten sind (WiFi.h, ETH.h und WiFiClient.h), deshalb muss keine Bibliothek über den Library Manager installiert werden.

Der Code:

Das Programm startet die Ethernet-Schnittstelle mit den Parametern der Platine WT32-ETH01, zeigt die Netzwerkereignisse und die IP-Adresse an und versucht alle 5 Sekunden eine TCP-Verbindung zum Gateway des Netzwerks, also zum Router, auf Port 80 aufzubauen.

/*
  WT32-ETH01 Ethernet test: prints the IP address and checks the router
  Board (Arduino IDE, Tools > Board): ESP32 Dev Module
  Board package (Boards Manager): esp32 by Espressif Systems, versions 2.0.x or 3.x
  Boards Manager URL (File > Preferences):
    https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json
  Libraries: none to install. WiFi.h, ETH.h and WiFiClient.h come with the ESP32 package.
  Wiring (CP2102 USB to TTL adapter, 3.3 V logic):
    Adapter +5V -> module 5V pin (row 1)
    Adapter GND -> module GND pin next to 5V (row 1)
    Adapter TXD -> module RX0
    Adapter RXD -> module TX0
    Module IO0  -> module GND next to IO0 (row 2), only while uploading
    RJ45 port   -> router or switch with DHCP
*/
#include <WiFi.h>
#include <ETH.h>
// Ethernet PHY (LAN8720A) settings specific to the WT32-ETH01
#define WT_PHY_ADDR  1   // PHY address
#define WT_PHY_POWER 16  // GPIO16 enables the 50 MHz oscillator
#define WT_PHY_MDC   23  // Management clock pin
#define WT_PHY_MDIO  18  // Management data pin
static bool ethConnected = false;       // True after an IP address is received
static unsigned long lastCheck = 0;     // Time of the last network check
const unsigned long CHECK_INTERVAL = 5000;  // Check every 5 seconds
// Called by the system for every network event
void onEvent(WiFiEvent_t event) {
  switch (event) {
    case ARDUINO_EVENT_ETH_START:
      Serial.println("ETH started");
      ETH.setHostname("wt32-eth01");  // Name shown on the router
      break;
    case ARDUINO_EVENT_ETH_CONNECTED:
      Serial.println("ETH cable connected");
      break;
    case ARDUINO_EVENT_ETH_GOT_IP:
      Serial.print("ETH MAC: ");
      Serial.println(ETH.macAddress());
      Serial.print("IP address: ");
      Serial.println(ETH.localIP());
      Serial.print("Subnet mask: ");
      Serial.println(ETH.subnetMask());
      Serial.print("Gateway: ");
      Serial.println(ETH.gatewayIP());
      ethConnected = true;
      break;
    case ARDUINO_EVENT_ETH_DISCONNECTED:
      Serial.println("ETH cable disconnected");
      ethConnected = false;
      break;
    case ARDUINO_EVENT_ETH_STOP:
      Serial.println("ETH stopped");
      ethConnected = false;
      break;
    default:
      break;
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);  // Serial monitor on TX0 / RX0
  delay(500);
  Serial.println("WT32-ETH01 Ethernet test");
  WiFi.onEvent(onEvent);  // Register the event handler
  // The order of the arguments changed in version 3 of the ESP32 package
#if ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR >= 3
  ETH.begin(ETH_PHY_LAN8720, WT_PHY_ADDR, WT_PHY_MDC, WT_PHY_MDIO, WT_PHY_POWER, ETH_CLOCK_GPIO0_IN);
#else
  ETH.begin(WT_PHY_ADDR, WT_PHY_POWER, WT_PHY_MDC, WT_PHY_MDIO, ETH_PHY_LAN8720, ETH_CLOCK_GPIO0_IN);
#endif
}
void loop() {
  if (millis() - lastCheck < CHECK_INTERVAL) {
    return;  // Not time yet
  }
  lastCheck = millis();
  if (!ethConnected) {
    Serial.println("Waiting for an IP address...");
    return;
  }
  // Show the link speed and duplex mode
  Serial.print("Link: ");
  Serial.print((unsigned int)ETH.linkSpeed());
  Serial.print(" Mbps, ");
  Serial.println(ETH.fullDuplex() ? "full duplex" : "half duplex");
  // Try a TCP connection to the router on port 80 with a 3 second timeout
  WiFiClient client;
  if (client.connect(ETH.gatewayIP(), 80, 3000)) {
    Serial.println("Router reachable on port 80");
    client.stop();  // Close the connection
  } else {
    Serial.println("Router did not accept the connection on port 80");
  }
}

So funktioniert der Code:

Zu Beginn definieren wir die Parameter des PHY: WT_PHY_ADDR ist die Adresse 1 des Schaltkreises LAN8720A, WT_PHY_POWER ist der Pin 16, der den Oszillator einschaltet, und WT_PHY_MDC und WT_PHY_MDIO sind die Pins 23 und 18 des Management-Busses. Die Variable ethConnected speichert, ob wir eine IP-Adresse erhalten haben, und lastCheck speichert den Zeitpunkt der letzten Prüfung.

Die Funktion onEvent wird vom System bei jedem Netzwerkereignis aufgerufen. Bei ARDUINO_EVENT_ETH_START setzen wir den Hostnamen mit ETH.setHostname. Bei ARDUINO_EVENT_ETH_CONNECTED wissen wir, dass das Kabel angeschlossen ist. Bei ARDUINO_EVENT_ETH_GOT_IP zeigen wir die IP-Adresse, die Subnetzmaske und das Gateway an und setzen ethConnected auf true. Bei ARDUINO_EVENT_ETH_DISCONNECTED setzen wir ethConnected auf false.

Im setup starten wir den seriellen Monitor mit 115200 Baud, registrieren die Funktion onEvent mit WiFi.onEvent und rufen ETH.begin auf. Die Reihenfolge der Argumente von ETH.begin hat sich in Version 3 des ESP32-Pakets geändert, deshalb wird der Aufruf mit der Direktive ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR ausgewählt.

Im loop prüfen wir alle 5 Sekunden mit millis, ob das Ethernet verbunden ist. Wenn ja, zeigen wir die Verbindungsgeschwindigkeit mit ETH.linkSpeed und den Duplexmodus an. Danach erzeugen wir ein Objekt WiFiClient und rufen client.connect zu ETH.gatewayIP() auf Port 80 auf, mit einem Zeitlimit von 3000 ms. Akzeptiert der Router die Verbindung, funktioniert das Netzwerk vollständig, und wir schließen die Verbindung mit client.stop.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 115200 Baud, nachdem Sie die Verbindung IO0 - GND entfernt und die Platine neu gestartet haben. Nach einigen Sekunden erscheinen die folgenden Meldungen mit der IP-Adresse, die Ihr Router vergeben hat.

WT32-ETH01 Ethernet test
ETH started
ETH cable connected
ETH MAC: 24:6F:28:A1:5C:7E
IP address: 192.168.1.57
Subnet mask: 255.255.255.0
Gateway: 192.168.1.1
Link: 100 Mbps, full duplex
Router reachable on port 80
Link: 100 Mbps, full duplex
Router reachable on port 80

Häufige Probleme:

Das Laden bricht mit dem Fehler Failed to connect to ESP32 ab. Die Ursache ist meist, dass IO0 beim Start nicht mit GND verbunden ist oder dass die Leitungen TX und RX nicht gekreuzt sind. Verbinden Sie IO0 mit GND, prüfen Sie, dass TXD des Adapters an RX0 und RXD an TX0 liegt, schalten Sie dann die Platine erneut ein und wiederholen Sie das Laden.

Nach dem Laden zeigt der serielle Monitor waiting for download an. Die Brücke zwischen IO0 und GND steckt noch. Entfernen Sie sie und starten Sie die Versorgung neu.

Im seriellen Monitor erscheinen unlesbare Zeichen. Die Geschwindigkeit des seriellen Monitors ist nicht 115200 Baud. Wählen Sie diesen Wert in der rechten unteren Ecke des Monitors aus.

Es erscheint ETH started, aber keine IP-Adresse. Das Kabel ist nicht angeschlossen, der Router hat kein aktives DHCP oder der Anschluss ist defekt. Prüfen Sie das Kabel, probieren Sie einen anderen Anschluss am Router aus und achten Sie darauf, ob die Meldung für das angeschlossene Kabel erscheint.

Das Modul startet sich selbst neu oder blockiert beim Start. Die Versorgung ist zu schwach oder die Spannung steigt zu langsam an. Verwenden Sie den Pin +5V des Adapters oder ein 5-V-Netzteil mit mindestens 500 mA, vermeiden Sie die Versorgung über den Pin 3V3 des Adapters und verwenden Sie kurze Versorgungsleitungen.

Das Programm lässt sich nicht kompilieren und meldet einen Fehler bei ETH.begin. Das installierte ESP32-Paket hat eine andere Version als erwartet. Verwenden Sie eine Version 2.0.x oder 3.x und lassen Sie das Board ESP32 Dev Module ausgewählt.

Einschränkungen und Tipps:

Das Modul hat einen einzigen Ethernet-Anschluss mit 10/100 Mbit/s ohne Versorgung über das Netzwerkkabel (PoE), es braucht deshalb immer eine eigene Stromversorgung. Die Pins IO34 bis IO39 sind nur Eingänge, und auf den Stiftleisten sind nur IO35, IO36 und IO39 herausgeführt. Die Eingänge ADC2 (IO2, IO4, IO12, IO14, IO15) können nicht gelesen werden, solange das WLAN eingeschaltet ist. Die Pins IO0, IO2 und IO12 sind Startpins und dürfen beim Start nicht erzwungen werden.

Der Logikpegel beträgt 3,3 V, deshalb setzen Sie für Geräte mit 5 V einen Pegelwandler ein. Das Modul kann zwischen -40 °C und +85 °C betrieben werden, es ist aber ratsam, es vor Feuchtigkeit und Vibrationen zu schützen.

Anschließend können Sie ein Gateway seriell-Ethernet mit den Pins TXD und RXD bauen, einen Webserver zur Steuerung einiger Relais, einen MQTT-Knoten für Automatisierungen oder ein Gerät mit Firmware-Aktualisierung OTA über das Netzwerk.