Базовое OTA-обновление ESP32 «по воздуху» (OTA) в Arduino IDE

Представьте, что у вас несколько модулей ESP32 разбросаны по всему дому. Каждый раз вытаскивать их и подключать кабель для обновления программы становится раздражающим и отнимающим время занятием.

К счастью, существует отличное решение — обновление «по воздуху» (Over-The-Air).

Что такое обновление «по воздуху» (OTA)?

ESP32 обладает важной функцией, которая называется обновление «по воздуху» (Over-The-Air updates), или сокращённо OTA. Эта функция позволяет загружать новые программы или прошивки на ESP32 через соединение Wi-Fi, а не через подключение традиционного USB-кабеля.

Эта возможность становится особенно ценной, когда ваш ESP32 установлен в труднодоступном месте, например, на крыше, спрятан внутри стены или расположен в отдалённой зоне на улице.

Если вы управляете большим парком устройств ESP32 одновременно, OTA-обновления становятся ещё более важными. С помощью этой функции вы можете отправить новую прошивку на все устройства сразу с одного компьютера во время планового обслуживания, что экономит огромное количество времени и усилий.

Принцип работы OTA-обновления ESP32

Прежде чем начать работать с OTA-обновлениями, очень полезно понять, что происходит «за кулисами» и как ESP32 управляет всем этим процессом.

ESP32 организует свою флеш-память в различные секции, называемые разделами (Partitions). Эти разделы используются для различных целей, таких как хранение программ, сохранение пользовательских данных и управление файловыми системами.

Для правильной работы OTA-обновлений ESP32 необходима специальная организация памяти. Эта организация включает как минимум два одинаковых раздела приложений, с именами ota_0 и ota_1, а также третий раздел, называемый otadata (раздел данных OTA).

Раздел otadata — это специальный раздел, который просто отслеживает информацию о том, из какого раздела приложений ESP32 должен загружаться при запуске или перезагрузке.

В любой момент времени только один из этих разделов приложений активен и выполняет вашу программу, в то время как другой простаивает и не используется. Когда вы выполняете OTA-обновление, новая программа загружается в неактивный раздел. Как только загрузка завершается и ESP32 проверяет, что новое обновление является допустимым, система переключается, делая только что обновлённый раздел активным. С этого момента ваш ESP32 будет запускать новую программу из этого раздела.

Такая продуманная архитектура обеспечивает важную функцию безопасности. Если что-то пойдёт не так во время обновления, ESP32 может автоматически откатиться к предыдущей версии прошивки, которая работала нормально. Эта возможность отката делает всю систему гораздо более надёжной и предотвращает полную неработоспособность вашего устройства из-за неудачного обновления.

Два основных метода OTA для ESP32

Существует несколько методов выполнения OTA-обновлений на ESP32, но два из наиболее часто используемых:

Базовое OTA

В методе базового OTA вы начинаете с загрузки специальной программы с поддержкой OTA на плату ESP32 через обычное соединение USB-кабелем. Эта первая загрузка необходима, потому что она настраивает возможность OTA на вашем ESP32.

После успешной загрузки этого скетча с поддержкой OTA ваш ESP32 будет отображаться как сетевой порт наряду с обычными последовательными портами в Arduino IDE. С этого момента вы можете просто выбрать этот сетевой порт и загружать новые программы непосредственно на ваш ESP32 через вашу Wi-Fi-сеть так же легко, как вы бы загружали через USB-кабель.

Веб-обновление (Web Updater)

Метод веб-обновления работает немного иначе. В этом подходе ваш ESP32 запускает небольшой веб-сервер, который предоставляет страницу обновления. С любого компьютера или телефона, подключённого к той же сети, вы можете открыть эту страницу в браузере и загрузить новую версию вашей программы в виде бинарного файла (.bin). ESP32 затем автоматически устанавливает эту новую прошивку.

У каждого метода есть свои преимущества, поэтому вы можете выбрать тот, который лучше всего подходит для нужд вашего проекта.

Данное руководство проведёт вас шаг за шагом через реализацию базовых OTA-обновлений. Однако, если вам интересен метод OTA через веб-обновление и вы хотите узнать, как он работает, вы можете ознакомиться с отдельным руководством здесь:

OTA-обновление ESP32 через веб-интерфейс (Web Updater) в Arduino IDE

Одна из лучших особенностей ESP32 заключается в том, что его прошивку можно обновлять по беспроводной сети. Такой вид программирования называется «по воздуху» (OTA)…

/lastminuteengineers/esp32-ota-web-updater-arduino-ide/index

Шаги для выполнения OTA-обновления

Процесс включения и выполнения OTA-обновления включает два простых шага:

Загрузка скетча с поддержкой OTA через USB (последовательное) соединение.
Загрузка новой программы «по воздуху» через беспроводное соединение.

Шаг 1: Загрузка скетча с поддержкой OTA (серийная загрузка)

Самое первое, что вам нужно сделать, — это загрузить программу с поддержкой OTA на ваш ESP32. Важно помнить, что этот первый шаг всегда должен выполняться через физическое последовательное соединение с помощью USB-кабеля. Только после этой начальной настройки ваш ESP32 сможет начать принимать беспроводные обновления.

Ниже приведён абсолютный минимум кода, который необходимо загрузить на ваш ESP32 для активации функциональности OTA.

// Include Libraries
#include <WiFi.h>        // For connecting ESP32 to WiFi
#include <ArduinoOTA.h>  // For enabling over the air updates

// Set WiFi Credentials
const char* ssid = "..........";      // Change to your WiFi Network name
const char* password = "..........";  // Change to you password

void setup() {
  // Connect to WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.waitForConnectResult() != WL_CONNECTED) {
    delay(5000);
    ESP.restart();
  }

  ArduinoOTA.begin();  // Starts OTA
}

void loop() {
  ArduinoOTA.handle();  // Handles OTA
}

Разбор работы OTA-кода

Теперь давайте разберём, как этот код на самом деле работает и что делает каждая его часть.

Мы начинаем с подключения двух важных библиотек в верхней части нашего кода. Библиотека WiFi.h позволяет ESP32 подключаться к Wi-Fi-сети, а библиотека ArduinoOTA.h включает обновления «по воздуху».

#include <WiFi.h>        // For connecting ESP32 to WiFi
#include <ArduinoOTA.h>  // For enabling over the air updates

Далее мы определяем две переменные для хранения имени вашей сети (SSID) и пароля. Обязательно обновите их, указав данные вашей собственной сети, чтобы ESP32 мог подключиться.

// Set WiFi Credentials
const char* ssid = "..........";      // Change to your WiFi Network name
const char* password = "..........";  // Change to you password

Переходя к секции setup нашего кода, первое, что мы делаем, — подключаемся к Wi-Fi. Мы выполняем это с помощью функции WiFi.begin() из библиотеки Wi-Fi. При выполнении она автоматически подключает ваш ESP32 к сети в режиме станции (station mode). Затем код терпеливо ожидает, пока соединение не будет успешно установлено, прежде чем двигаться дальше.

// Connect to WiFi
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.waitForConnectResult() != WL_CONNECTED) {
  delay(5000);
  ESP.restart();
}

После того как Wi-Fi-соединение установлено, мы используем нашу первую важную функцию из библиотеки ArduinoOTA, которая называется ArduinoOTA.begin(). Эта функция не требует никаких специальных параметров — она просто запускает OTA-сервис, чтобы ваш ESP32 был готов принимать беспроводные обновления.

ArduinoOTA.begin();

В секции loop кода у нас есть ещё одна важная функция — ArduinoOTA.handle(). Эта функция непрерывно проверяет, поступают ли на ваш ESP32 запросы на обновление. Ваш собственный код приложения — всё, что вы хотите, чтобы ваш ESP32 делал, — также будет находиться в этой секции loop рядом с этой функцией.

void loop() {
  ArduinoOTA.handle();  // Handles OTA
}

Это действительно представляет собой максимально упрощённый, абсолютный минимум кода, необходимый для работы обновлений «по воздуху» на вашем ESP32.

Однако, если вы хотите изучить дополнительные возможности и функции, вы можете воспользоваться другими функциями, доступными в библиотеке ArduinoOTA. Чтобы увидеть, что ещё возможно, просто перейдите в File > Examples > ArduinoOTA > BasicOTA.

Встроенный пример BasicOTA в Arduino IDE

Шаг 2: Загрузка нового скетча «по воздуху»

Когда ваш ESP32 выполняет скетч с поддержкой OTA, вы можете отключить USB-кабель. С этого момента вы можете питать ESP32 от аккумуляторного блока или любого другого источника питания по вашему выбору.

Перед тем как продолжить, убедитесь, что ваш компьютер и плата ESP32 подключены к одной и той же Wi-Fi-сети. Это абсолютно необходимо для правильной работы OTA.

В Arduino IDE найдите выпадающее меню выбора платы и порта. Теперь вы должны увидеть ваш ESP32 в списке как сетевой порт, например, что-то вроде «DOIT ESP32 DEVKIT V1 at 192.168.254.53» с маленьким значком беспроводной сети рядом. Выберите этот сетевой порт для продолжения. Если вы не можете найти его в выпадающем меню, попробуйте перезапустить IDE.

Вот что важно помнить для всех ваших будущих обновлений: каждая новая программа, которую вы планируете загрузить «по воздуху», также должна включать в себя и ArduinoOTA.begin(), и ArduinoOTA.handle(). Если вы забудете включить эти функции, вы потеряете возможность OTA после этого обновления, и вам придётся вернуться к использованию USB-кабеля для её восстановления.

С учётом этого требования, убедитесь, что вы добавляете любой новый код, который хотите загрузить на ESP32, к предыдущему скетчу с поддержкой OTA, а не начинаете с нуля.

В качестве практического примера для демонстрации этого процесса мы включили простую программу мигания светодиодом в предыдущий код.

// Include Libraries
#include <WiFi.h>        // For connecting ESP32 to WiFi
#include <ArduinoOTA.h>  // For enabling over the air updates

// Set WiFi Credentials
const char* ssid = "..........";      // Change to your WiFi Network name
const char* password = "..........";  // Change to you password

//variabls for blinking an LED with Millis
const int led = 2;                 // ESP32 Pin to which onboard LED is connected
unsigned long previousMillis = 0;  // will store last time LED was updated
const long interval = 1000;        // interval at which to blink (milliseconds)
int ledState = LOW;                // ledState used to set the LED

void setup() {
  pinMode(led, OUTPUT);

  // Connect to WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.waitForConnectResult() != WL_CONNECTED) {
    delay(5000);
    ESP.restart();
  }

  ArduinoOTA.begin();  // Starts OTA
}

void loop() {
  ArduinoOTA.handle();  // Handles OTA

  //loop to blink without delay
  unsigned long currentMillis = millis();
  if (currentMillis - previousMillis >= interval) {
    // save the last time you blinked the LED
    previousMillis = currentMillis;
    // if the LED is off turn it on and vice-versa:
    ledState = not(ledState);
    // set the LED with the ledState of the variable:
    digitalWrite(led, ledState);
  }
}

Примечание

Вы могли заметить, что в этом примере мы не использовали функцию delay() для мигания светодиода, хотя delay() обычно используется для этой цели. Причина в том, что функция delay() полностью приостанавливает всю вашу программу на определённое время. Если запрос OTA-обновления придёт, пока ваш ESP32 «заморожен» и ожидает завершения delay(), ваша программа полностью пропустит этот запрос, и обновление не удастся.

Вместо использования delay() мы используем неблокирующий метод, такой как millis(). Это позволяет вашей программе продолжать работать и проверять наличие обновлений, даже выполняя другие задачи.

Теперь, когда вы будете готовы, нажмите кнопку «Upload» так же, как вы обычно делаете при любой загрузке Arduino.

На экране появится окно с заголовком «Configure and Upload», предлагающее ввести пароль. Здесь запрашивается пароль Wi-Fi вашей сети. Введите его и нажмите кнопку «Upload» в окне.

Запрос пароля при загрузке OTA-скетча через сетевой порт

Как только процесс загрузки будет завершён, ваш ESP32 автоматически перезагрузится, и новый код немедленно начнёт выполняться. Например, если вы загрузили код мигания светодиодом, который мы показали ранее, вы должны увидеть, как встроенный светодиод на вашем ESP32 начнёт мигать.

Важные советы

Для бесперебойной работы обновлений «по воздуху» (OTA) на вашем ESP32 важно следовать нескольким ключевым советам.

Всегда убедитесь, что каждая новая программа, которую вы загружаете по беспроводной сети, включает OTA-код. Если вы загрузите программу без него, ваш ESP32 потеряет возможность обновления по Wi-Fi. В этом случае вам нужно будет снова подключить плату к компьютеру USB-кабелем и повторно загрузить работающий скетч с поддержкой OTA.
Всегда убедитесь, что ваш компьютер и ESP32 находятся в одной Wi-Fi-сети. Это абсолютно необходимо для правильной работы OTA, потому что два устройства должны обмениваться данными друг с другом по сети.
Если сетевой порт не появляется в Arduino IDE после первой физической загрузки, не волнуйтесь. Просто перезапустите IDE.
Помните, что OTA-скетчи используют больше памяти, чем обычные. Это связано с тем, что ESP32 хранит одновременно текущую программу и новую загружаемую, прежде чем переключиться на неё, поэтому тщательно планируйте использование флеш-памяти, чтобы убедиться, что места для обновлений достаточно.