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ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド

筆者は最近、AliExpressで約4ドルのNodeMCUを購入しました。購入のきっかけは、「ESP8266がなぜこれほど話題になっているのか」を実際に自分の目で確かめてみたかったからです。

NodeMCUはオープンソースのIoTプラットフォームです。Espressif Systems製のWi-Fi SoC「ESP8266」上で動作するファームウェアと、ESP-12モジュールをベースとしたハードウェアで構成されています。

ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド
出典：ESP8266 Datasheet

Arduino UNOと比較すると、ESP8266はCPU性能と価格の両面で圧倒的な優位性があります。なんとArduinoより500%高速で、82%も安価です。さらにWi-Fi接続機能まで標準で備えています。

Espressifの公式サイトを訪れたときは、豊富なドキュメントやリソースが揃っていることに驚かされました。たとえば、AndroidアプリからESP8266をWi-Fiに接続させる仕組みもあります。アプリがSSIDとパスワードをパケットとして送信し、ESP8266がそれを検知して自動的に接続するというものです。これは「SmartConfig」と呼ばれ、Texas Instrumentsによって考案された技術です。

本記事では、Espressif RTOS SDKに含まれるSmartConfigサンプルのセットアップから実行までの手順を丁寧に解説します。

必要なもの

  • ある程度スペックのあるPC
  • ESP12-E搭載のNodeMCUボード
  • VirtualBox（https://www.virtualbox.org/wiki/Downloads）
  • Ubuntu Server LTS（https://www.ubuntu.com/download/server）

開発用にVirtualBoxを構成する

  1. VirtualBoxのダウンロードとUbuntu Serverのインストール： 特別に難しい作業ではありませんが、不安であれば検索エンジンで調べるか、図解付きの手順ガイドを参照してください。OSインストールは覚えておいて損のないスキルです。（ヒント：VirtualBoxが仮想ディスクの選択を求めたら、「可変サイズ（Dynamically allocated）」を選び、50GB以上を割り当てておくと後々の手間を大幅に減らせます。）

  2. 仮想マシンからインターネットへアクセスできることを確認し、DNSサーバーを設定します。

ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド
マシンを右クリック → 設定 → ネットワーク

DNSサーバーの設定は、以下の例を参考にしてください。

例：dns-nameservers 8.8.8.8 8.8.4.4
Googleにpingが通れば準備完了です！

  1. （任意）OpenSSHとSambaサーバーのインストール： 導入しておくと日々の作業が格段に楽になります。

  2. （任意）ポートフォワーディングの有効化： 仮想マシンに直接SSH接続したい場合は設定しておきましょう。たとえば、ホストマシンの2222番ポートを仮想マシンの22番ポートにマッピングします。

ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド
ポートフォワーディングの有効化：設定 → ネットワーク → ポートフォワーディング

ポートフォワーディングを有効にすれば、ホストマシンから仮想マシンへ直接SSH接続できるようになります。

ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド
FIG1: ssh -p 2020 denis@localhost

注意：Windows環境の場合は、SSH接続にPuTTYが必要です。

  1. NodeMCUを接続して認識を確認： NodeMCUを接続し、以下のコマンドを実行します。

tail -f /var/log/kern.log

デバイスが /dev/ttyUSB0 として認識されたことがログに表示されるはずです。何も表示されない場合は、USBデバイスを仮想マシンに追加する必要があります。追加後、デバイスを抜き差ししてください。

ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド
USBの追加：設定 → ポート → USB

ここまで順調に進んでいるならおめでとうございます！SDKのコンパイルとSmartConfigサンプルの実行準備が整いました。

SDKのコンパイルとボードへの書き込み

  1. 必要なパッケージのインストール： 以下のコマンドを実行します（この情報はSDKのreadme.mdにも記載されています）。

sudo apt-get install make unrar-free autoconf automake libtool gcc g++ gperf flex bison texinfo gawk ncurses-dev libexpat-dev python-dev python python-serial sed git unzip bash help2man wget bzip2 libtool-bin

  1. 作業フォルダを作成して移動： mkdir Development && cd Development

  2. Open SDKのクローン： https://github.com/pfalcon/esp-open-sdk

git clone --recursive https://github.com/pfalcon/esp-open-sdk.git

  1. makeの実行： make

注意：このステップは時間がかかるため、辛抱強く待ちましょう。 筆者の仮想マシンでは50分ほどかかりました。環境によって所要時間は前後しますが、実行前にインターネットに接続していることとDNSが正しく設定されていることを必ず確認してください。確認にはGoogleへのpingが最も簡単です（地域によってGoogleがブロックされている場合は、他のサイトで試してください）。

ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド
ping成功例：$ ping medium.com

pingが成功したら、ウィンドウを最小化してお気に入りのドラマでも楽しんでいましょう。約40分後に戻ってくればOKです（ただし、PCがスリープモードに入らないよう注意してください）。

SDKのビルドが成功すると、PATHに何かを追加するよう促すメッセージが表示されます。以下のコマンドを実行してください。

echo 'export PATH=/home/denis/Development/esp-open-sdk/xtensa-lx106-elf/bin:$PATH' >> ~/.profile

このコマンドは指定した文字列を~/.profileファイルに追記します。続けて以下を実行します。

xtensa-lx106-elf-gcc --version

バージョン情報が正しく表示されれば、ツールチェーンの導入は完了です！

  1. ボードの動作テスト： NodeMCUを接続し、lsusbでデバイスが認識されているか確認します。その後、esptool.py chip_idを実行すると、ボードのチップIDが表示されます。

ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド
esptool.py chip_id の実行例

  1. ESP8266_RTOS_SDKのクローン：

git clone https://github.com/espressif/ESP8266_RTOS_SDK.git

  1. SDKパスとBINパスのエクスポート： 以下のコマンドを実行します。

echo 'export SDK_PATH=/home/denis/Development/ESP8266_RTOS_SDK' >> ~/.profile

echo 'export BIN_PATH=/home/denis/Development/ESP8266_RTOS_SDK/bin' >> ~/.profile

  1. SmartConfigサンプルのコンパイル：

cd /home/denis/Development/ESP8266_RTOS_SDK/examples/smart_config/

chmod +x ./gen_misc.sh

./gen_misc.sh

スクリプトからの質問には、すべてデフォルト値のままEnterを押して進み、SPI_SIZE_MAPを尋ねられたら4を選択してください。NodeMCUのフラッシュサイズは32Mbit（=4MB）だからです。SPI_SPEEDは3（80MHz）を選んでも問題ありません。

以下のような出力が表示されれば成功です：

!!!SDK_PATH: /home/denis/Development/ESP8266_RTOS_SDK
BIN_PATH: /home/denis/Development/ESP8266_RTOS_SDK/bin

No boot needed.
Generate eagle.flash.bin and eagle.irom0text.bin successully in BIN_PATH
eagle.flash.bin — — — →0x00000
eagle.irom0text.bin — →0x20000!!!

  1. ボードへの書き込み（フラッシュ）：

cd $BIN_PATH

esptool.py erase_flash

esptool.py write_flash 0x00000 $BIN_PATH/eagle.flash.bin 0x20000 $BIN_PATH/eagle.irom0text.bin 0x3FC000 $BIN_PATH/esp_init_data_default.bin

書き込み後、ボードをリセットするとLEDの点滅が止まります。これでファームウェアが正常に動作しています。

スマートフォンアプリで接続する

  • Androidアプリ
  • iPhoneアプリ

ESP8266 NodeMCUでFreeRTOSを始める――初心者向け実践ガイド
Android端末でのスクリーンショット

アプリを開き、スマートフォンがWi-Fiアクセスポイントに接続していることを確認します。パスワードを入力して「確認」を押すと、数秒後にESP8266があなたのAPへ自動接続します。これで完成です。最後まで読み進めていただき、おめでとうございます！

ESP8266-RTOS-SDKを使ってさらに開発を進めたい方は、ぜひ公式サイトをチェックしてみてください。役立つリソースやドキュメントが数多く公開されています。また、SDKフォルダ内にある他のサンプルコードにも目を通すことで、学びが大きく広がるでしょう。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。ご質問やご連絡はTwitter（MetonymyQT）までお気軽にどうぞ。

参考リソース

  • ESP8266 Overview
  • ESP8266 Resources
  • FreeRTOS Website

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