seco / esp-matrix

ESP8266 (Wemos D1 mini) based LED-Matrix

ESP-Matrix

---

ESP-Matrix ist ein Modul des Fablab Karlsruhe, das eine Reihe von LED-Matrix-Modulen als Laufschrift ansteuern kann.

Komponenten

Als Controller wird ein ESP8266 in Form eines WeMos D1 mini verwendet.

Die Matrixmodule bestehen aus 4 einfarbigen 8x8 LED Bausteinen, die von einem MAX7219 angesteuert werden. Solche Modulreihen gibt es fertig konfektioniert für unter 4,-€.

Entworfen wurde das Ganze als Projekt für einen Kindergeburtstag, hat jedoch das Potential noch deutlich erweitert zu werden. Denkbar ist einerseits die Kontrolle über verschiedene Funktionen des ESP nach Javascript weiterzureichen, so dass über Javascript-basierte Programmierung das Display gesteuert werden kann. Dies wird dadaurch unterstützt, dass schon in dieser Version ein vollständiger HTML-basierter Editor im ESP vorhanden ist, der seine Daten auf dem SPIFFS Dateisystem ablegen kann.

Weiterhin sind weitere vorgefertigte Funktionen im ESP denkbar, so dass neben freien Texten und Zeitinformationen auch andere Informationen aus dem Internet geholt und dargestellt werden können.

Es wird empfohlen eine möglichst aktuelle Arduino-IDE (idealerweise 1.8.1) zu verwenden. Bei älteren IDEs kommt es mit den aktuellen ESP-Toolchains zu Problemen. Die verwendeten asynchronen Bibliotheken benötigen unbedingt die Version 2.3 des ESP-Tools, die wie folgt über den Boardmanager installiert werden kann.

Zusätzlich muss der Arduino-IDE noch der ESP-Uploadmanager hinzugefügt werden. Damit bekommt die IDE unter dem Werkzeuge Menupunkt eine weitere Option: "ESP8266 Sketch Data Upload". Ohne diesen Punkt lassen sich keine Dateien in das SPIFFS Dateisystem laden!

Bibliotheken

Verwendung finden die folgenden Bibliotheken aus Github, die für das Projekt gepatcht wurden. Diese gepatchten Bibliotheken finden sich im Ordner "libraries" dieses Repositories.

• ESPAsyncWebServer.h
• Timelib.h

Bei der Time-Bibliothek kommt es unter nicht case-sensitiven Systemen (Windows, Mac) oft zu Fehlermeldungen, wenn die Bibliothek als Time.h eingebunden wird. Zahlreiche andere Bibliotheken bringen Headerdateien in der Schreibweise time.h mit. Daher ist es sinnvoll diese Bibliothek in ein Verzeichnis Timelib zu installieren und auch die direkt die Timelib.h einzubinden. Die im Projekt aus Rückwärtskompatibilitätsgründen enthaltene Time.h macht nichts anderes!

Neben den vorhandenen Arduino bzw. ESP-Standardbibliotheken werden folgende Bibliotheken aus Github-Repositories ohne Veränderung verwendet:

• ESPAsyncUDP.h
• ESPAsyncTCP.h
• Timezone.h
• Max72xxPanel.h

Folgende Bibliotheken, die per Arduino-Library-Manager installiert werden können werden verwendet:

• Adafruit_GFX.h

Grundidee bzw. weitere Entwicklung

Die Grundidee ist ein ständig laufender Webserver auf dem ESP, der sowohl für die Kommunikation mit der Applikation (hier der LED-Laufschrift) als auch für die Konfiguration des WLAN zuständig ist. Der Schwachpunkt anderer Bibliotheken wie WiFi-Manager ist, dass sich dort der Webserver nach der WLAN-Konfiguration beendet. Zudem wurde Wert darauf gelegt, die asynchronen UDP und TCP Bibliotheken verwenden zu können, um weniger blockierende Kommunikation zu erhalten. Die im Paket ESPAsyncWebServer enthaltene Funktion des ACE-Editors wurde soweit abgeändert, dass dieser vollständig im Speicher des ESP abgelegt werden kann, und auch im AP Mode zur Verfügung steht. Gleiches sollte für eine Adaption einer graphischen Programmiermöglichkeit dienen, die ESP-Funktionen nach Javascript druchreicht. Hier ist Tuniot ggf. eine Möglichkeit, die aktuell getestet wird.

Ansonsten steht noch aus:

• Refactoring: Zusammenfassen der Webserver- und Konfigurationsfunktionen in eine eigene Bibliothek und Klasse als Basis für beliebige web-basierte ESP-Anwendungen. Desweiteren Kapseln der Matrix- und Zeitfunktionen in ebenfalls
• Mehrstufige Benutzerauthentifizierung und -verwaltung (Trennen von Konfiguration und Anwendung)
• Ausbau der IP-Konfiguration um WPS, feste IP-Adressen und Netzwerkkonfiguration, DHC-Range, etc..
• Einsatz von https
• Durchreichen der ESP-Funktionen zum Browser zum Einsatz browserbasierter Programmierung
• OTA Updates

aktuell implementierte Funktionen

Derzeit startet der ESP in den AP-Mode und ist über den im Sourcecode hinterlegten SSID-Namen ESPMATRIX und das Passwort ABCdef123456 erreichbar. Sollte der ESP bereits die Zugangsinformationen zu einem aktuell erreichbaren WLAN gespeichert haben (z.B. weil vorher ein anderer Sketch geladen war), so verbindet er sich dorthin! Die LED-Matric zeigt in allen Fällen dann die IP-Adresse an, unter der der ESP zu erreichen ist. Sollte der ESP sich nicht programmieren lassen, oder sollte es Probleme beim Verbinden mit WLANs geben, so ist es ratsam, den ESP zunächst komplett zu löschen. Dies geschieht mit dem esptool.py:

python path/to/esptool.py --port COMPORTNAME erase_flash

Dies kann auch bei neu gekauften Modulen notwendig sein, da diese manchmal mit inkompatiblem Aufbau der Speicherstrukturen zur Arduino IDE ausgelifert werden. Die Arduino-IDE schreibt nur in der ersten Speicherblock und geht dabei von einem Standardlayout aus! Das ist eionerseits sinnvoll, weil so keine Inhalte der anderen Speicherbereiche angerührt werden, kann aber zu Problemen führen, wenn diese Bereich nicht so liegen bzw. gefüllt sind, wie dies die IDE oder der Sketch erwartet! Sobald man mit dem ESP verbunden ist, gibt es diese wichtigen URLs:

• /content Erlaubt Inhalt, Helliugkeit und Geschwindigkeit des Textes einzustellen. Uhrzeit und Datum sind derzeit nur dann aktuell, wenn der ESP sich als Client in einem WLAN befindet und einen NTP-Server erreicht (de.pool.ntp.org).
• /wificonnectAP Ermöglicht es dem ESP, sich als Client an ein vorhandenes WLAN zu verbinden.
• /wificonfigAP Erlaubt es, SSID und Passwort für den AP Mode, sowie das Passwort für den Administrationsaccount (voreingestellt admin/admin) zu ändern.
• /wifiRestartAP Löscht die gespeicherten WLAN Client-Zugangsdaten und startet im AP-Mode
• /edit Startet den eingebauten ACE Editor, um die auf dem SPIFFS abgelegten Dateien zu editieren. Für den Editor is es nun unabdingbar, dass der Inhalt des data-Unterverzeichnisses mittels des oben beschriebenen ESP-Uploadmanagers auf des SPIFFS geladen wird. Ansonsten werden die Javascriptdateien nicht gefunden!

Verdrahtung

Es ist wichtig, dem ESP einen möglichst großen Stützkondensator zur Seite zu stellen. Je nach USB-Port kommt es sonst zu Fehlverhalten beim Programmieren. Sollten mehr als 4 LED-Module in Reihe geschaltet werden, so ist dafür zu sorgen, dass die LED-Module eine vom Programmierport unabhängige Spannungsversorgung erhalten. Ansonsten werden die folgenden PINs miteinander verbunden:

Wemos D1 mini	LED-Matrix
D5 (14/CLK)	CLK
D6 (12/MISO)	CS
D7 (13/MOSI)	DIN