Modul gateway WT32-ETH01 ESP32, Ethernet 10/100 Mbps, Wi-Fi, Bluetooth, alimentare 5V sau 3.3V

WT32-ETH01 este o placa cu ESP32 si port Ethernet, folosita in proiecte care au nevoie de o legatura prin cablu mai stabila decat Wi-Fi, de exemplu noduri de automatizare, gateway-uri pentru echipamente seriale sau panouri de monitorizare. In acest tutorial folosim modulul singur, programat din Arduino IDE cu placa ESP32 Dev Module, fara nicio alta placa de dezvoltare.

Modulul nu are port USB, asa ca il programam printr-un adaptor USB-TTL CP2102 cu logica de 3.3 V. La final vom avea un program care porneste Ethernet-ul, afiseaza adresa IP primita de la router si verifica periodic ca reteaua raspunde.

Cum functioneaza:

ESP32 contine controlerul MAC pentru Ethernet, iar circuitul LAN8720A de pe placa este partea fizica (PHY) care vorbeste cu cablul. Cele doua se leaga prin interfata RMII, care are nevoie de un ceas de referinta de 50 MHz. Acest ceas vine de la un oscilator de pe placa, pornit de ESP32 prin pinul IO16, si intra in ESP32 pe pinul IO0. De aceea in program pinul IO16 este declarat ca pin de alimentare al PHY si ceasul este setat pe ETH_CLOCK_GPIO0_IN.

Pinii IO23 (MDC) si IO18 (MDIO) formeaza magistrala de management prin care ESP32 configureaza LAN8720A, iar adresa PHY este 1. Datele propriu-zise circula pe pinii RMII IO19, IO21, IO22, IO25, IO26 si IO27, care sunt folositi intern si nu apar pe barete.

Cateva calcule utile. Portul serial la 115200 baud transmite 10 biti pentru fiecare octet (un bit de start, 8 de date si un bit de stop), deci aproximativ 115200 / 10 = 11520 octeti pe secunda. Ethernet-ul de 100 Mbps are o viteza teoretica de 100 / 8 = 12.5 MB pe secunda, de peste 1000 de ori mai mare. Consumul mediu este de 80 mA, dar sursa trebuie sa poata da cel putin 500 mA pentru varfurile de curent ale Wi-Fi si Ethernet. Un port USB ofera 500 mA, deci este suficient.

Conectare:

Alimentam modulul de la pinul +5V al adaptorului CP2102, care trece direct tensiunea de 5 V din USB. Nu folosim pinul 3V3 al adaptorului, pentru ca regulatorul lui da un curent mic, insuficient pentru un ESP32 cu Wi-Fi. Semnalele sunt de 3.3 V, deci nu este nevoie de convertor de nivel, dar nu aplicati niciodata 5 V pe pinii de semnal. Linia seriala se leaga in cruce: TXD al adaptorului la RX0 si RXD al adaptorului la TX0. Pinul IO0 se leaga la GND doar cat timp incarcam programul.

Butoane, reglaje si indicatoare:

Placa nu are butoane, potentiometre, jumperi sau comutatoare. Pornirea in modul de programare se face cu un fir intre IO0 si GND, iar resetarea se face cu pinul EN. Starea placii o arata trei LED-uri.

Modul de programare. Conectati firul dintre IO0 si GND inainte de a alimenta placa sau inainte de a o reseta. Dupa ce Arduino IDE termina incarcarea, scoateti firul si reporniti alimentarea. Daca monitorul serial afiseaza mesajul waiting for download, firul este inca pus sau placa nu a fost repornita.

Resetarea. Pentru a reporni programul fara a scoate alimentarea, atingeti scurt pinul EN de GND cu un fir. Programul reporneste de la inceput si vedeti din nou mesajele de pornire pe monitorul serial.

LED-ul POWER. La conectarea adaptorului in USB trebuie sa se aprinda imediat. Este primul semn ca alimentarea si masa sunt corecte.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati din Tools > Board placa ESP32 Dev Module, din pachetul esp32 by Espressif Systems, instalat din Boards Manager. Pachetul nu vine cu Arduino IDE, asa ca adaugati mai intai in File > Preferences, la Additional boards manager URLs, adresa https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json. Programul a fost scris pentru versiunile 2.0.x si 3.x ale pachetului. Setati Upload Speed la 115200.

Programul foloseste doar bibliotecile care vin cu pachetul ESP32 (WiFi.h, ETH.h si WiFiClient.h), deci nu trebuie instalata nicio biblioteca din Library Manager.

Codul:

Programul porneste interfata Ethernet cu parametrii specifici placii WT32-ETH01, afiseaza evenimentele de retea si adresa IP, iar la fiecare 5 secunde incearca o conexiune TCP catre gateway-ul retelei, adica routerul, pe portul 80.

/*
  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");
  }
}

Cum functioneaza codul:

La inceput definim parametrii PHY-ului: WT_PHY_ADDR este adresa 1 a circuitului LAN8720A, WT_PHY_POWER este pinul 16 care porneste oscilatorul, iar WT_PHY_MDC si WT_PHY_MDIO sunt pinii 23 si 18 ai magistralei de management. Variabila ethConnected retine daca am primit o adresa IP, iar lastCheck retine momentul ultimei verificari.

Functia onEvent este apelata de sistem la fiecare eveniment de retea. La ARDUINO_EVENT_ETH_START setam numele gazdei cu ETH.setHostname. La ARDUINO_EVENT_ETH_CONNECTED stim ca cablul este conectat. La ARDUINO_EVENT_ETH_GOT_IP afisam adresa IP, masca si gateway-ul si punem ethConnected pe true. La ARDUINO_EVENT_ETH_DISCONNECTED punem ethConnected pe false.

In setup pornim monitorul serial la 115200 baud, inregistram functia onEvent cu WiFi.onEvent si apelam ETH.begin. Ordinea argumentelor lui ETH.begin s-a schimbat in versiunea 3 a pachetului ESP32, de aceea apelul este ales cu directiva ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR.

In loop verificam o data la 5 secunde, cu millis, daca Ethernet-ul este conectat. Daca da, afisam viteza legaturii cu ETH.linkSpeed si modul duplex, apoi cream un obiect WiFiClient si apelam client.connect catre ETH.gatewayIP() pe portul 80, cu limita de 3000 ms. Daca routerul accepta conexiunea, reteaua functioneaza complet si inchidem conexiunea cu client.stop.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 115200 baud dupa ce ati scos legatura IO0 - GND si ati repornit placa. Dupa cateva secunde apar mesajele de mai jos, cu adresa IP data de routerul dumneavoastra.

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

Probleme frecvente:

Incarcarea se opreste cu eroarea Failed to connect to ESP32. Cauza este de obicei IO0 neconectat la GND la pornire sau firele TX si RX nelegate in cruce. Conectati IO0 la GND, verificati ca TXD al adaptorului merge la RX0 si RXD la TX0, apoi alimentati din nou placa si reluati incarcarea.

Dupa incarcare monitorul serial arata waiting for download. Firul dintre IO0 si GND este inca pus. Scoateti-l si reporniti alimentarea.

Pe monitorul serial apar caractere aiurea. Viteza monitorului serial nu este 115200 baud. Selectati aceasta viteza in coltul din dreapta jos al monitorului.

Apare ETH started, dar nu apare nicio adresa IP. Cablul nu este conectat, routerul nu are DHCP activ sau portul este defect. Verificati cablul, incercati alt port al routerului si urmariti daca apare mesajul de cablu conectat.

Modulul se reseteaza singur sau se blocheaza la pornire. Alimentarea este insuficienta sau tensiunea creste prea lent. Folositi pinul +5V al adaptorului sau o sursa de 5 V cu minimum 500 mA, evitati alimentarea din pinul 3V3 al adaptorului si folositi fire de alimentare scurte.

Programul nu compileaza si da eroare la ETH.begin. Pachetul ESP32 instalat are alta versiune decat cea asteptata. Folositi o versiune 2.0.x sau 3.x si lasati selectata placa ESP32 Dev Module.

Limitari si sfaturi:

Modulul are un singur port Ethernet de 10/100 Mbps, fara alimentare prin cablul de retea (PoE), deci are nevoie mereu de alimentare separata. Pinii IO34 - IO39 sunt numai intrari, iar pe baretele sunt scosi numai IO35, IO36 si IO39. Intrarile ADC2 (IO2, IO4, IO12, IO14, IO15) nu pot fi citite cat timp Wi-Fi este pornit. Pinii IO0, IO2 si IO12 sunt pini de pornire si nu trebuie fortati la pornire.

Nivelul logic este de 3.3 V, deci pentru echipamente de 5 V adaugati convertor de nivel. Modulul poate lucra intre -40 °C si +85 °C, dar este bine sa fie protejat de umiditate si vibratii.

Mai departe puteti construi un gateway serial-Ethernet cu pinii TXD si RXD, un server web pentru comanda unor relee, un nod MQTT pentru automatizari sau un dispozitiv cu actualizare de firmware OTA prin retea.