ESP8266 : panorama du SoC, des modules et des cartes de développement

Présentation

L'ESP8266 est un microcontrôleur économique intégrant nativement une interface Wi-Fi 2,4 GHz (IEEE 802.11 b/g/n) et une pile TCP/IP. Il est conçu et commercialisé par Espressif Systems, une société chinoise basée à Shanghai et présente à l'international (États-Unis, Inde, République tchèque, Brésil, Singapour).

Lancé fin 2014, l'ESP8266 a connu un succès très rapide grâce à un rapport prix / fonctionnalités sans précédent : pour quelques euros, il met à disposition un microcontrôleur 32 bits cadencé à 80 MHz et une connectivité Wi-Fi complète. Sa version la plus connue, l'ESP-01, est devenue la porte d'entrée standard vers l'IoT pour le grand public.

Le SoC a depuis été complété par la famille ESP32 (cœur Xtensa LX6/LX7 dual-core, Bluetooth en plus du Wi-Fi), puis par les ESP32-Cx / ESP32-Sx / ESP32-Hx, mais l'ESP8266 reste massivement utilisé pour les projets simples et peu gourmands.

Trois niveaux à ne pas confondre

Avant d'entrer dans les spécifications, une clarification utile sur le vocabulaire — fréquemment mélangé dans la documentation amateur :

L'ESP-01 est donc un module (vendu par AI-Thinker), pas un SoC ni une carte de développement à proprement parler.

Spécifications techniques du SoC ESP8266EX

Processeur

• cœur Tensilica Xtensa LX106, RISC 32 bits ;
• cadencé à 80 MHz par défaut, 160 MHz en mode overclock logiciel.

Mémoire

• 32 Kio d'IRAM (instructions) ;
• 32 Kio de cache d'instructions ;
• 80 Kio de RAM utilisateur ;
• 16 Kio de RAM système réservée à l'ETS ;
• pas de ROM ni de flash interne : le code est chargé depuis une flash SPI externe (QSPI) pouvant atteindre 16 Mio, généralement comprise entre 512 Kio et 4 Mio sur les modules vendus.

Radio Wi-Fi

• norme IEEE 802.11 b/g/n (2,4 GHz uniquement) ;
• chiffrement WEP, WPA, WPA2 (mais pas WPA3) ;
• modes station, point d'accès et mixte (STA+AP) ;
• bloc RF intégré (TR switch, balun, LNA, PA, matching network) — le module n'a besoin que de son antenne.

Périphériques

• 17 GPIO théoriques au niveau du SoC (mais beaucoup sont préemptées par la flash SPI ou non exposées sur les modules courants) ;
• SPI matériel ;
• I²C logiciel (bit-banging, pas de contrôleur dédié) ;
• I²S avec DMA ;
• UART matérielle complète sur des broches dédiées ; un second UART en émission seule peut être activé sur GPIO2 ;
• un ADC 10 bits unique, par approximations successives, lisible sur la broche TOUT/ADC0.

Alimentation

• tension d'alimentation 3,0 à 3,6 V (nominal 3,3 V) ;
• pics de courant pouvant atteindre environ 300 mA lors des émissions Wi-Fi.

Modules à base d'ESP8266

Deux familles principales coexistent. AI-Thinker a inondé le marché avec la série « ESP-0x / ESP-1x », pendant qu'Espressif a publié sa propre gamme « ESP-WROOM » plus tardive.

Modules AI-Thinker

AI-Thinker a produit une longue série de modules, qui se distinguent essentiellement par leur facteur de forme, leur antenne (PCB, céramique, IPEX), leur nombre de broches exposées et la taille de la flash soudée.

Les plus connus :

Les autres références (ESP-02 à ESP-11, ESP-13, ESP-14) existent mais ont peu percé en pratique. La plupart sont aujourd'hui difficiles à trouver et n'ont pas d'intérêt particulier face aux ESP-12x.

Modules Espressif

Espressif a publié sa propre gamme « WROOM » certifiée FCC/CE, souvent privilégiée pour les produits commerciaux :

Liste détaillée et historique des modules sur Wikipédia : https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266

Cartes de développement

Les cartes de développement embarquent un module ESP8266 et tout le nécessaire pour démarrer immédiatement : convertisseur USB-série, régulateur 3,3 V, boutons RESET et FLASH, broches au pas de 2,54 mm, parfois LED utilisateur.

NodeMCU

La carte la plus populaire de la famille. Elle existe en plusieurs révisions :

• v0.9 : module ESP-12, format « large » 47 mm de large ;
• v1.0 (DEVKIT v1.0) : module ESP-12E, USB-série CP2102, format normalisé ;
• v3 (« LoLin » et clones) : module ESP-12E ou ESP-12F, USB-série CH340. C'est la version la plus répandue, bien que la numérotation « v3 » soit purement commerciale (non officielle).

La carte expose la plupart des GPIO du module sous des noms D0 à D8 propres à NodeMCU, qui ne correspondent pas directement aux numéros GPIO de l'ESP8266. Une table de correspondance est indispensable :

WeMos D1 mini

Format compact (34 × 25 mm), module ESP-12F, USB-série CH340. Compatible mécaniquement avec un large écosystème de shields empilables (relais, OLED, batterie, capteur DHT…). C'est aujourd'hui la carte la plus utilisée pour des projets domotiques.

Adafruit HUZZAH

Carte haut de gamme avec module ESP-12E, régulateur 500 mA, niveau logique compatible avec une logique 5 V via résistances de pull-up. Idéale pour prototyper de manière fiable, mais plus chère et nécessite un FTDI externe sur la version sans USB.

Espressif ESP-12E (module)

Le module ESP-12E n'est pas une carte de développement à proprement parler : c'est le module SMD soudé sur la majorité des NodeMCU et WeMos. Son brochage est cependant utile à connaître lorsqu'on veut concevoir sa propre carte autour de lui.

DOIT ESP-12F

Carte de prototypage à base de module ESP-12F, comparable à une NodeMCU v3, parfois vendue sous le nom DOIT DevKit V1.

Pour aller plus loin

• L'ESP-01 : présentation et premiers pas
• Premier programme ESP-01 : afficher les informations système
• ESP8266 : commandes AT
• Documentation officielle Espressif : https://www.espressif.com/en/products/socs/esp8266
• Article Wikipédia (en anglais), plus complet : https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266