超圖解 ESP32 深度實作
趙英傑
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商品描述
內容介紹:
本書是《超圖解 Arduino 互動設計入門》系列作品, 專為想要深度運用 ESP32 的讀者所撰寫, 從基本的 GPIO、內建的磁力感測器、電容觸控開關、物聯網 IoT 運用、低功率藍牙、低耗電睡眠模式、底層 FreeRTOS 作業系統等等, 都透過作者精心設計的實驗, 以及本系列作品最具特色的超圖解方式說明, 包含以下主題：
□ 內建電容觸控開關與霍爾效應磁力感測器
□ 硬體 / 計時器中斷處理與記憶體配置
□ OLED 顯示器中英文顯示以及圖形顯示
□ QR code 製作與顯示
□ Wi-Fi 無線網路物聯網 IoT 應用
□ HTTP GET/POST 與網路 API 使用
□ 動態資料圖表網頁
□ WebSocket 網路即時資料傳輸
□ RTC 即時時鐘與 GPS 精準對時
□ ESP32 睡眠模式與定時喚醒、觸碰喚醒
□ SPIFFS 檔案系統與 SD 記憶卡的使用
□ 網路音樂 / podcast 串流播放、文字轉語音播放
□ mDNS 區域網域名稱
□ BLE 低功耗藍牙應用
□ BLE 藍牙鍵盤、滑鼠人機介面輸入裝置製作
□ 藍牙立體聲播放器
□ 經典藍牙序列埠通訊 (SPP)
□ 藍牙裝置電量顯示
□ HTTPS 加密網路連線與網站建置
□ Web Bluetooth 網頁藍牙傳輸
□ Mesh 網路實作
□ FreeRTOS 作業系統
□ FreeRTOS 任務排程
□ 看門狗 (watchdog)
□ FreeRTOS 訊息佇列
□ FreeRTOS 二元旗號 (semaphore) 與互斥旗號 (mutex)
□ OTA 無線韌體更新
□ 物件導向程式設計與自製程式庫
□ Backtrace 除錯訊息解析
□ 電壓偵測與電流偵測
在學習的過程中, 也帶著讀者動手做出許多有趣實用的實驗, 包括：
□ 煙霧濃度偵測
□ 磁石開關
□ 人體移動警報器
□ 即時天氣顯示器
□ 網頁式遙控調光器
□ 網頁動態圖表
□ 休眠省電定時上傳感測資料
□ 網路收音機
□ 氣溫語音播報機
□ 藍牙立體聲音播放器
□ 藍牙多媒體旋鈕控制器
□ 藍牙多媒體鍵盤
□ 電腦桌面自動切換器
□ 投籃遊戲機
□ 網頁式藍牙遙控車
本書特色:
ESP32 是一系列高效能雙核心、低功耗、整合 Wi-Fi 與藍牙的 32 位元微控器, 適合物聯網、可穿戴設備與行動裝置應用。ESP32 的功能強大, 涉及的程式以及應用場域相關背景知識也較為廣泛, 本書的目的是把晦澀的技術內容, 用簡單可活用的形式傳達給讀者。
ESP32 支援多種程式語言, 本書採用最受電子 Maker 熟知的 Arduino 語言。但因為處理器架構不同, 所以某些程式指令, 像是控制伺服馬達以及發出音調的 PWM 輸出指令, 操作語法和典型的 Arduino (泛指在 Arduino 官方的開發板, 如：Uno 板執行的程式) 不一樣, 這意味著某些 Arduino 範例和程式庫無法直接在 ESP32 上執行。
相對地, ESP32 的獨特硬體架構也需要專門的程式庫和指令才能釋放它的威力, 例如, 低功耗藍牙 (BLE) 無線通訊、可輸出高品質數位音效的 I2S(序列音訊介面)、DAC(數位類比轉換器)、Mesh(網狀) 網路、HTTPS 安全加密連網...等。
更有意思的是, ESP32 開發工具引入了 FreeRTOS 即時作業系統, 可運行多工任務 (同時執行多個程式碼), 而 ESP32 Arduino 程式其實就是運作在 FreeRTOS 上的一個任務。因此, 書中除了含括 Arduino 語言外, 也會適時帶入 ESP32 官方開發工具鏈 ESP-IDF 的功能, 除了可操控底層 FreeRTOS 作業系統外, 也可運用 Arduino 中未提供的 ESP32 專屬功能。
本書假設讀者已閱讀過《超圖解 Arduino 互動設計入門》第三或四版, 所以本書的內容不包含基本電子學 (像電阻分壓電路、電晶體開關電路、運算放大器的電路原理分析..等), 也不教導 Arduino 程式入門 (如：條件判斷、迴圈、陣列、指標..等), 而是以《超圖解 Arduino 互動設計入門》為基礎, 將篇幅依照 ESP32 應用的需要, 在程式設計方面說明物件導向 (OOP)、類別繼承、虛擬函式、回呼函式、指標存取結構、堆疊與遞迴...等進階主題。
另外, 本書也不僅僅只是探討 Arduino 程式, 由於微控器是物聯網應用當中的一個環節, 以『透過網頁瀏覽器控制某個裝置』的應用來說, 呈現在瀏覽器的內容是採用 HTML 和 JavaScript 語言開發的互動網頁, 和微控器的 Arduino 程式語言完全不同, 在相關章節也會對這些主題有所著墨。
開發微電腦應用程式, 偶爾會用到一些小工具程式, 例如, 呈現在 OLED 顯示器上的中英文字體與影像, 都必須先經過『轉檔』才能嵌入 Arduino 程式碼, 除了使用現成的工具軟體, 書中也示範採用廣受歡迎的 Python 語言編寫批次轉換字體和影像檔的工具程式。書中提及的 Python 程式屬於進階應用, 是假設讀者閱讀過《超圖解 Python 程式設計入門》, 具備運用 Python 操作檔案目錄、解析命令行參數、轉換影像、執行緒...等相關概念後的延伸學習, 可讓讀者練習善用各種程式語言綜合實踐的方法。
另外, 為了方便讀者查詢書中內容, 本書特別準備了線上版本的索引, 避免一般中文書缺乏索引的問題, 讓讀者可以快速找到所需的主題。希望這本厚實的作品能夠成為各位實作專案時最佳的工具書。
目錄大綱
目錄:
第 1 章 32 位元雙核心 ESP32 晶片以及軟體開發工具
1-1 ESP32 的特色與開發板介紹
1-2 ESP-IDF 程式開發框架及 menuconfig 工具簡介
1-3 使用 Arduino IDE 開發 ESP32 程式
1-4 在 Arduino IDE 中編譯 ESP-IDF 程式
1-5 ESP32 程式開發工具內含 FreeRTOS（即時作業系統）
第 2 章 ESP32 開發板與 Arduino 程式開發應用
2-1 EP32 開發板的接腳
2-2 ESP32 的 3 個 UART 序列通訊與 printf() 函式
2-3 輸出核心除錯訊息
2-4 數位輸出 / 入及電容觸控腳
2-5 類比輸入埠：讀取 MQ-2 煙霧 / 可燃性氣體感測值
動手做 2-1 偵測煙霧濃度
2-6 使用 ESP32 內建的霍爾效應感測器
動手做 2-2 磁石控制開關
2-7 PWM 輸出
動手做 2-3 調光器
2-8 調控 PWM 訊號的頻率：發出聲音
動手做 2-4 發出聲音
動手做 2-5 控制伺服馬達
2-9 字串處理：String 與 std::string 類型
第 3 章 物件導向程式設計與自製 Arduino 程式庫
3-1 模組化程式設計
動手做 3-1 可分辨「按一下」和 「長按」動作的開關
3-2 使用 enum 定義常數數字的集合
3-3 物件導向程式設計：自己寫程式庫
動手做 3-2 使用自製的 Switch 程式庫製作調光器
第 4 章 中斷處理以及 ESP32 記憶體配置
4-1 觸發中斷的時機與中斷服務常式
動手做 4-1 設定與取消硬體中斷
4-2 volatile 和主記憶體分區
4-3 分時多工與執行緒
4-4 解析 ESP32 的回溯（Backtrace）除錯訊息
4-5 微波感應偵測物體移動
動手做 4-2 人體移動警報器
4-6 計時器中斷
動手做 4-3 利用計時器定時閃爍 LED
動手做 4-4 用計時器定時閃爍 LED 之後刪除計時器物件
4-7 認識堆疊（stack）和堆積（heap）記憶體區域
第 5 章 OLED 顯示器以及 Python 中文轉換工具程式設計
5-1 使用 OLED 顯示器顯示文字訊息
動手做 5-1 使用 U8g2 程式庫操控 OLED 顯示器
動手做 5-2 在 OLED 顯示器呈現動態資料
5-2 全畫面及分頁暫存區（buffer）
5-3 產生顯示器用的點陣字體子集
5-4 使用 JavaScript 和 Python 取得字元編碼
動手做 5-3 在 OLED 螢幕顯示中文
5-5 點陣 VS 向量字體：使用 FontForge 軟體檢視
5-6 透過 Python 程式一氣呵成文字編碼和程式輸出
第 6 章 Wi-Fi 無線物聯網操控裝置
6-1 認識 Wi-Fi 無線網路
6-2 使用 ESP32 的 WiFi 程式庫連接無線網路
動手做 6-1 連線到 Wi-Fi 網路並顯示 IP 位址和電波訊號強度
動手做 6-2 建立 Wi-Fi 無線接入點（AP）
動手做 6-3 使用 WebServer 程式庫建立 HTTP 伺服器
動手做 6-4 處理 GET 或 POST 請求
6-3 在 ESP32 的快閃記憶體中儲存網頁檔案
6-4 透過 JavaScript（jQuery 程式庫）動態擷取 ESP32 資料
動手做 6-5 從 ESP32 輸出網頁的純文字更新資料
動手做 6-6 動態網頁調光器
第 7 章 擷取網路資料以及 Python OLED 圖像轉換工具
7-1 網路應用程式訊息交換格式：XML 與 JSON
動手做 7-1 讀取 JSON 格式的世界各地天氣資料
動手做 7-2 從 ESP32 讀取氣象網站資料
7-2 使用 ArduinoJson 程式庫處理 JSON 資料
7-3 在 OLED 螢幕顯示天氣概況
7-4 在 OLED 螢幕顯示開機畫面（點陣圖）
7-5 自動批次轉換點陣圖檔的 Python 程式
第 8 章 物聯網動態資料圖表網頁
8-1 從 ESP32 網站伺服器輸出 JSON 資料
動手做 8-1 從 ESP32 伺服器輸出 JSON 文件
8-2 使用 chart.js 在網頁繪製動態圖表
8-3 動態新增圖表資料
8-4 即時動態圖表
動手做 8-2 呈現即時動態數據圖表
第 9 章 使用 WebSocket 即時連線監控聯網裝置
9-1 使用 WebSocket 建立即時連線
9-2 使用 JavaScript 的 WebSocket 物件與 ESP32 伺服器連線
動手做 9-1 透過 WebSocket 從 ESP32 發送 JSON 資料
第 10 章 RTC 即時鐘以及網路和 GPS 精確對時
10-1 再談 struct（結構）
10-2 內建在 ESP32 晶片內部的月曆和時鐘：即時鐘（RTC）
動手做 10-1 透過網際網路更新時間
10-3 在 ESP32 的 Serial2 序列埠連接 GPS 衛星定位模組
動手做 10-2 連接 GPS 模組
10-4 認識 NMEA 標準格式與獲取 GPS 的經緯度值
10-5 解析 GPS 訊號的經緯度和日期時間資料
動手做 10-3： 使用 TinyGPS++ 程式庫解析 GPS 訊號
第 11 章 ESP32 的睡眠模式與喚醒方法
11-1 超低功耗的深度睡眠模式
11-2 定時喚醒微控器
動手做 11-1 觸控喚醒微控器
11-3 搭配網路時間的定時喚醒程式
11-4 認識 ThingSpeak 物聯網雲端平台
動手做 11-2 定時喚醒 ESP32 並上傳感測資料
11-5 在深度睡眠中維持接腳的狀態：控制 RTC_GPIO 接腳
動手做 11-3 在深度睡眠時維持數位 輸出狀態
11-6 外部喚醒：透過 GPIO 腳
動手做 11-4 透過 GPIO 腳從外部喚醒 ESP32
第 12 章 SPIFFS 檔案系統與 MicroSD 記憶卡
12-1 快閃記憶體的 SPIFFS 分區配置與操作
動手做 12-1 在 SPIFFS 中寫入與讀取檔案
動手做 12-2 使用 SPIFFS 紀錄執行狀態
12-2 透過網頁表單上傳檔案到ESP32
12-3 連接 microSD 記憶卡
動手做 12-3 使用 SD 記憶卡提供 ESP32 伺服器網頁
動手做 12-4 寫入 DHT11 溫濕度紀錄到 MicroSD 記憶卡
12-4 重複利用既有的程式碼：父類別、子類別與繼承
12-5 透過指標存取類別物件
第 13 章 設置區域網路域名、動態顯示 QR Code 以及 OTA 更新韌體
13-1 設置區域網路域名
動手做 13-1 替 ESP32 伺服器設定本地域名
13-2 用 QR Code 二維條碼呈現網址
動手做 13-2 在 OLED 螢幕顯示本機 IP 位址和 QR 碼
13-3 透過 OTA 更新 ESP32 的韌體
動手做 13-3 透過 Arduino IDE 進行 OTA 更新
動手做 13-4 透過網頁表單上傳檔案更新 ESP32 韌體
第 14 章 網路收音機、文字轉語音播報裝置與音樂播放器
14-1 I2S 序列音訊介面
14-2 製作網路收音機的前置作業
動手做 14-1 網路收音機 / Podcast 播放器
14-3 使用 Google 文字轉語音服務
動手做 14-2 氣溫語音播報服務
14-4 認識與解析 WAV 聲音檔案格式資料
14-5 驅動 I2S 週邊播放 WAV 音檔
14-6 兼具播放立體聲和單聲道 WAV 音源的程式
14-7 使用自訂結構解析 WAV 音檔標頭
第 15 章 典型藍牙以及 BLE 藍牙應用實作
15-1 藍牙立體聲接收器以及 ESP32 內部的 DAC
動手做 15-1 ESP32 藍牙立體聲播放器
15-2 ESP32 經典藍牙序列埠通訊程式
動手做 15-2 ESP32 藍牙序列埠通訊
15-3 使用 Serial Bluetooth Terminal 手機 App 連接藍牙
動手做 15-3 藍牙 SPP 一對一連線
15-4 開發 BLE 藍牙裝置
15-5 使用 nRF Connect 工具軟體檢測 BLE 藍牙裝置
15-6 製作 ESP32 BLE 藍牙序列通訊裝置
15-7 特徵回呼虛擬類別
15-8 提供 BLE 藍牙剩餘電量資訊服務
動手做 15-4 BLE 藍牙通知電量
15-9 偵測負載的電流量
動手做 15-5 測量負載的消耗電流
第 16 章 BLE 藍牙人機輸入裝置應用實作
16-1 旋轉編碼器
動手做 16-1 連接旋轉編碼器
動手做 16-2 結合 Switch 類別的旋轉編碼器程式
16-2 整合 BLE 藍牙鍵盤與滑鼠的程式庫
動手做 16-3 BLE 藍牙多媒體控制器旋鈕
16-3 BLE 藍牙多媒體鍵盤
動手做 16-4 連接 ESP32 與按鍵模組
動手做 16-5 整合滑鼠與多媒體鍵盤
16-4 電腦桌面自動切換器
動手做 16-6 使用 VL53L0X 飛時測距模組測量距離
動手做 16-7 電腦桌面自動切換器
16-5 人機介面裝置（HID）程式庫的原理說明
第 17 章 FreeRTOS 即時系統核心入門
17-1 認識 FreeRTOS 以及任務排程
動手做 17-1 第一個 FreeRTOS 程式
17-2 FreeRTOS 資料類型
17-3 FreeRTOS 任務的一生
17-4 任務的優先權與看門狗
17-5 動態調整任務優先權與刪除任務
17-6 ESP32 的可用記憶體容量以及任務的記憶體用量
17-7 傳遞參數給任務函式
第 18 章 FreeRTOS 即時系統核心應用
18-1 ESP32 Arduino 程式的起始點：app_main()
動手做 18-1 OLED 顯示器任務
18-2 透過佇列傳遞任務資料
動手做 18-2 讀取類比值並顯示在 OLED 螢幕
18-3 熱敏電阻
動手做 18-3 在佇列中傳遞結構資料
18-4 使用旗號（Semaphore）鎖定資源
動手做 18-4 由多工任務和中斷常式構成的投籃機
第 19 章 採用 HTTPS 加密連線的前端與 Web 伺服器
19-1 認識 HTTPS 加密連線
19-2 檢視與匯出網站的憑證
19-3 以 HTTPS 加密連線取得 ThingSpeak 資料
動手做 19-1 從 ESP32 以 HTTPS 加密連線 ThingSpeak
動手做 19-2 在 SPIFFS 中存放 CA 憑證檔
19-4 使用 OpenSSL 工具產生自簽的 SSL/TLS 憑證
19-5 在 ESP32 建立 HTTPS 加密連線的 Web 伺服器
19-6 在瀏覽器中匯入自簽憑證
第 20 章 使用 JavaScript 操控 ESP32 BLE 藍牙裝置
20-1 使用瀏覽器探索藍牙裝置
20-2 JavaScript 非同步程式設計
20-3 替 VS Code 程式編輯器安裝 Live Server 伺服器
20-4 透過 navigator.bluetooth 物件操控ESP32 藍牙裝置
20-5 讀取與寫入藍牙 UART 服務的 TX 和 RX 特徵值
20-6 ArrayBuffer（位元組陣列）與DataView（資料視圖）
20-7 使用 async/await 改寫藍牙網頁程式
20-8 藍牙遙控車的雙馬達驅動與控制電路
動手做 20-1 編寫馬達驅動程式模組
動手做 20-2 網頁藍牙 ESP32 遙控車
20-9 製作藍牙遙控車的互動網頁
第 21 章 建立無線 Mesh（網狀）通訊網路
21-1 認識與建立 Mesh 網路
21-2 調配與執行多工任務的 Task Scheduler 程式庫
動手做 21-1 在 Mesh 網路中分享訊息
21-3 組建 Mesh 感測器網路
動手做 21-2 Mesh 感測器網路的根節點程式
21-4 在 Mesh 網路中一對一傳送資料
21-5 連接 Mesh 網路與網際網路
21-6 上傳 Mesh 網路資料到雲端
附錄 A Python Asyncio（非同步 IO）多工處理以及 BLE 藍牙連線程式設計
A-1 Python 多工處理程式
A-2 使用 Python Bleak 程式庫連結 BLE 藍牙裝置
索引
