XIAO ESP32S3(sense) con Zephyr(RTOS)

Esta wiki cubre el soporte de Zephyr para la Seeed Studio XIAO ESP32S3. Con la ayuda de esta guía, podrás utilizar el conjunto de características disponibles para la placa.

¿Qué es Zephyr?

El sistema operativo Zephyr se basa en un núcleo de bajo consumo diseñado para su uso en sistemas embebidos y con recursos limitados: desde sensores ambientales embebidos simples y wearables con LED hasta controladores embebidos sofisticados, relojes inteligentes y aplicaciones inalámbricas IoT.

Para cada dispositivo compatible, Zephyr tiene un archivo devicetree que describe la placa y sus características. La página de la placa Xiao ESP32S3 en Zephyr describe las características compatibles actualmente disponibles, las cuales están definidas por el archivo dts de la placa.

Referencia: Zephyr Project

Empezando

El primer paso para trabajar con Zephyr es configurar el SDK y la cadena de herramientas para el desarrollo local. Debes consultar la guía para empezar con Zephyr para el procedimiento de configuración necesario según tu entorno.

Una vez que la cadena de herramientas de Zephyr esté configurada y se haya descargado el SDK asociado, puedes comenzar el desarrollo de la aplicación.

Para el XIAO ESP32S3, puedes consultar el archivo de descripción de la placa para obtener más información sobre la configuración.

Para obtener los archivos necesarios para usar el ESP32S3, ejecuta el siguiente comando:

west blobs fetch hal_espressif

Después de esto, los ejemplos pueden ser construidos y flasheados a la placa.

El ejemplo más sencillo es ejecutar el ejemplo "Hello World" en la placa. Después de cambiar al directorio de la instalación de Zephyr, ejecuta los siguientes comandos.

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/hello_world
west flash
west espressif monitor

Con el comando final deberías ver la respuesta mostrando el saludo "¡Hello World!".

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-1155-g1a55caf8263e ***
Hello World! xiao_esp32s3

Para ayudar con el proceso de usar Zephyr con Xiao y su placa de expansión, se ha creado un repositorio con varios overlays y configuraciones que se utilizan aquí. Los comandos incluidos en este artículo de la wiki asumen que se encuentra en ../applications/xiao-zephyr-examples relativo a la raíz de Zephyr. Se puede proporcionar una ruta alternativa a los comandos a continuación actualizándola.

git clone https://github.com/Cosmic-Bee/xiao-zephyr-examples

Preparación de Hardware

Seeed Studio XIAO ESP32S3 Sense	Seeed Studio Expansion Board
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Conocimientos para Desarrolladores

Placa de Expansión XIAO

Para utilizar módulos Grove con XIAO ESP32S3 de Seeed Studio, utilizaremos una Placa de Expansión Seeed Studio para XIAO y conectaremos la XIAO ESP32S3 en ella.

Después de eso, se pueden utilizar los conectores Grove en la placa para conectar módulos Grove.

Pin Definitions

Debes seguir el gráfico a continuación para usar los números de pin internos adecuados al conectar los módulos Grove a los conectores en el Grove Shield para XIAO.

Funcionalidad Primaria

• Bluetooth
• Wi-Fi
• TFLite

Bluetooth

Para probar esta configuración, podemos usar un ejemplo existente con Zephyr:

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/bluetooth/observer
west flash
west espressif monitor

Verás una consola disponible para enviar comandos a la placa:

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-1155-g1a55caf8263e ***
Starting Observer Demo
Started scanning...
Exiting main thread.
Device found: EC:11:27:22:AF:D2 (public) (RSSI -77), type 0, AD data len 31
Device found: 02:96:58:9A:B4:64 (random) (RSSI -78), type 3, AD data len 31
Device found: 66:A5:E1:CF:8C:35 (random) (RSSI -58), type 0, AD data len 17
Device found: 62:09:50:DB:85:D0 (random) (RSSI -92), type 0, AD data len 14
Device found: C4:5A:95:A7:96:7D (random) (RSSI -78), type 0, AD data len 20
Device found: E5:44:60:88:DB:99 (random) (RSSI -82), type 0, AD data len 27
Device found: 66:18:ED:DD:74:1C (random) (RSSI -71), type 0, AD data len 17
Device found: 37:D2:FC:F8:FA:B8 (random) (RSSI -75), type 3, AD data len 31
Device found: 40:B8:84:E5:5F:A4 (random) (RSSI -70), type 2, AD data len 28
Device found: 44:EB:7C:AA:89:0B (random) (RSSI -83), type 0, AD data len 18
Device found: 71:AC:4A:98:5E:73 (random) (RSSI -72), type 2, AD data len 4
Device found: 60:D9:62:70:EF:4C (random) (RSSI -95), type 2, AD data len 4
Device found: D8:7D:FC:AE:37:F0 (random) (RSSI -67), type 3, AD data len 8
Device found: 48:1F:C0:29:77:C2 (random) (RSSI -73), type 2, AD data len 4
Device found: 46:B7:35:F5:D7:BE (random) (RSSI -86), type 3, AD data len 17
Device found: E5:4A:F1:1C:3C:39 (random) (RSSI -88), type 3, AD data len 8

CONFIG_BT=y
CONFIG_BT_OBSERVER=y

El archivo de configuración aquí habilita las características relacionadas con Bluetooth para la compilación de Zephyr.

Wi-Fi

Para probar esta configuración, podemos usar un ejemplo existente con Zephyr:

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/net/wifi
west flash
west espressif monitor

Verás una consola disponible para enviar comandos a la placa:

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-1155-g1a55caf8263e ***
uart:~$

Existen varios comandos que te permiten ver y conectarte a redes locales. Consulta el readme del ejemplo para más información.

uart:~$ wifi scan
Scan requested

Num  | SSID                             (len) | Chan (Band)   | RSSI | Security        | BSSID             | MFP
1    | Zephytopia                       10    | 6    (2.4GHz) | -42  | WPA2-PSK        |                   | Disable
2    | Maceronia                        9     | 6    (2.4GHz) | -43  | WPA2-PSK        |                   | Disable

Vamos a profundizar un poco en este ejemplo para ver por qué funciona:

&wifi {
    status = "okay";
};

El archivo de superposición de la aplicación se utiliza para configurar diversos componentes de la placa. Usando este archivo, el ejemplo puede ser utilizado ya que la superposición informa a la lógica del ejemplo para habilitar Wi-Fi.

CONFIG_WIFI=y

CONFIG_NETWORKING=y
CONFIG_NET_L2_ETHERNET=y

CONFIG_NET_IPV6=n
CONFIG_NET_IPV4=y
CONFIG_NET_DHCPV4=y
CONFIG_ESP32_WIFI_STA_AUTO_DHCPV4=y

CONFIG_NET_LOG=y

El archivo de configuración aquí habilita varias características relacionadas con redes para la compilación de Zephyr.

TFLite - Hola Mundo

Habilita TFLite con Zephyr y actualiza:

west config manifest.project-filter -- +tflite-micro
west update

Compila el ejemplo y grábalo en tu placa:

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/modules/tflite-micro/hello_world
west flash
west espressif monitor

Verás los resultados devueltos en la consola:

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-1155-g1a55caf8263e ***
x_value: 1.0*2^-127, y_value: 1.0*2^-127

x_value: 1.2566366*2^-2, y_value: 1.4910772*2^-2

x_value: 1.2566366*2^-1, y_value: 1.1183078*2^-1

x_value: 1.8849551*2^-1, y_value: 1.677462*2^-1

x_value: 1.2566366*2^0, y_value: 1.9316229*2^-1

x_value: 1.5707957*2^0, y_value: 1.0420598*2^0

x_value: 1.8849551*2^0, y_value: 1.9146791*2^-1

x_value: 1.0995567*2^1, y_value: 1.6435742*2^-1

x_value: 1.2566366*2^1, y_value: 1.0674761*2^-1

x_value: 1.4137159*2^1, y_value: 1.8977352*2^-3

La información adicional sobre TFLite está fuera del alcance de esta guía, pero el ejemplo sirve como una referencia para las capacidades del dispositivo y los componentes necesarios para ejecutar la configuración de TFLite.

Componentes adicionales

• Grove - Expansion Board - I2C Display
• Grove - Expansion Board - Button
• Grove - Expansion Board - Buzzer
• Grove - Expansion Board - SD Card
• Grove - Temperature and Humidity Sensor (SHT31)
• 1.69inch LCD Display Module, 240×280 Resolution, SPI Interface
• Round Display for Xiao

Grove - Expansion Board - I2C Display

Para probar esta configuración, podemos usar un ejemplo existente con Zephyr:

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/drivers/display --  -DSHIELD=seeed_xiao_expansion_board
west flash

Verás una pantalla mostrando múltiples cuadros negros y un cuadro parpadeante en la esquina, ya que esta pantalla solo admite dos colores.

Vamos a profundizar un poco en este ejemplo para ver por qué funciona:

/ {
    chosen {
      zephyr,display = &ssd1306;
    };
};

&xiao_i2c {
  status = "okay";

  ssd1306: ssd1306@3c {
    compatible = "solomon,ssd1306fb";
    reg = <0x3c>;
    width = <128>;
    height = <64>;
    segment-offset = <0>;
    page-offset = <0>;
    display-offset = <0>;
    multiplex-ratio = <63>;
    segment-remap;
    com-invdir;
    prechargep = <0x22>;
  };
};

El shield configura una pantalla OLED SSD1306 en el registro 0x3C. Se selecciona como la pantalla de Zephyr en la sección elegida.

Grove - Expansion Board - Botón

Para probar esta configuración, podemos usar un ejemplo existente con Zephyr:

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/basic/button -- -DSHIELD=seeed_xiao_expansion_board
west flash
west espressif monitor

Al presionar el botón con el ejemplo, se activará el LED integrado.

Verás los resultados devueltos en la consola.

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-1155-g1a55caf8263e ***
Set up button at gpio@60004000 pin 2
Set up LED at gpio@60004000 pin 21
Press the button
Button pressed at 842621292
Button pressed at 1164489270
Button pressed at 1329015357
Button pressed at 1577684271
Button pressed at 1728636675
Button pressed at 1728755988
Button pressed at 1822426500

Vamos a adentrarnos este ejemplo para ver por qué funciona:

/ {
    aliases {
      sw0 = &xiao_button0;
    };

    buttons {
      compatible = "gpio-keys";
      xiao_button0: button_0 {
        gpios = <&xiao_d 1 (GPIO_PULL_UP | GPIO_ACTIVE_LOW)>;
        label = "SW0";
        zephyr,code = <INPUT_KEY_0>;
      };
    };
};

El archivo de superposición / shield se utiliza para configurar diversos componentes de la placa. Usando este archivo, el ejemplo del botón puede ser utilizado, ya que la superposición permite que Zephyr configure el botón y lo haga disponible para el código asociado.

En este caso, D1 en el Xiao ESP32S3. Se configura en esta superposición para actuar como un botón y se le asigna el nombre sw0 para permitir que se utilice en el ejemplo, que tiene código esperando esto.

Grove - Expansion Board - Zumbador

Activaremos nuestro zumbador utilizando el ejemplo de parpadeo PWM para controlar su activación mediante una señal PWM. Para esto, utilizaremos una superposición personalizada que habilita el PWM para el pin A3.

cd ~/zephyrproject/zephyr
west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/basic/blinky_pwm -- -DDTC_OVERLAY_FILE="$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/xiao-esp32s3/xiao_expansion_buzzer.overlay"

Después de grabar, deberías comenzar a escuchar una serie de zumbidos que cambian de sonido a medida que el ejemplo avanza.

Veamos por qué esto funciona:

#include <zephyr/dt-bindings/pwm/pwm.h>

/ {
    aliases {
        pwm-0 = &ledc0;
        pwm-led0 = &pwm_buzzer;
    };

    pwmleds {
        compatible = "pwm-leds";
        pwm_buzzer: pwm_led_gpio0_4 {
            label = "PWM Buzzer";
            pwms = <&ledc0 0 1000 PWM_POLARITY_NORMAL>;
        };
    };
};

&pinctrl {
    ledc0_default: ledc0_default {
        group1 {
            pinmux = <LEDC_CH0_GPIO4>;
            output-enable;
        };
    };
};

&ledc0 {
    pinctrl-0 = <&ledc0_default>;
    pinctrl-names = "default";
    status = "okay";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    channel0@0 {
        reg = <0x0>;
        timer = <0>;
    };
};

La superposición configura la lógica PWM para el pin 4, que corresponde con el pin A3 en el diagrama de pines del ESP32S3.

Grove - Expansion Board - Tarjeta SD

Usaremos el ejemplo del sistema de archivos aquí, junto con el shield de la Xiao Expansion Board, para intentar interactuar con el lector de tarjetas SD a través de SPI. El shield de la expansión tiene el pin CS configurado para el pin asociado &xiao_d 2, por lo que no es necesario hacer ningún trabajo adicional para asociar esta capacidad con la placa, aparte de agregar el shield. Para prepararlo aún más, estamos utilizando una configuración personalizada que habilita la funcionalidad de la tarjeta SD.

cd ~/zephyrproject/zephyr
west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/subsys/fs/fs_sample -- -DEXTRA_CONF_FILE="$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/xiao_expansion_sd.conf" -DSHIELD=seeed_xiao_expansion_board

Now flash and monitor:

west flash
west espressif monitor

You should see a response similar to this:

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-2566-gc9b45bf4672a ***
[00:00:00.208,000] <inf> sd: Maximum SD clock is under 25MHz, using clock of 24000000Hz
[00:00:00.208,000] <inf> main: Block count 15519744
Sector size 512
Memory Size(MB) 7578
Disk mounted.
Listing dir /SD: ...
[FILE] IMAGE1.JPG (size = 58422)
[FILE] IMAGE2.JPG (size = 97963)

En este caso, mi tarjeta SD tenía dos archivos. Sus nombres y tamaños se mostraron en mi consola.

Repasemos los elementos relevantes que intervienen aquí:

CONFIG_SPI=y
CONFIG_DISK_DRIVER_SDMMC=y
CONFIG_GPIO=y

En la configuración asociada, estamos habilitando SPI, el controlador de disco SDMMC y los GPIO. Sin esta configuración, la superposición generará un error, ya que el ejemplo no podrá encontrar la tarjeta SD.

La parte relevante del shield de la Xiao Expansion Board se muestra a continuación:

&xiao_spi {
    status = "okay";
    cs-gpios = <&xiao_d 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;

    sdhc0: sdhc@0 {
        compatible = "zephyr,sdhc-spi-slot";
        reg = <0>;
        status = "okay";
        mmc {
            compatible = "zephyr,sdmmc-disk";
            status = "okay";
        };
        spi-max-frequency = <24000000>;
    };
};

Como se mencionó anteriormente, el mapeo de pines &xiao_d 2 se utiliza para permitir que se seleccione el pin D2 para esto, sin importar la placa que se utilice, siempre que sea compatible con la configuración de pines &xiao_d.

Grove - Sensor de temperatura y humedad (SHT31)

Primero suelda los pines y conecta tu Xiao ESP32S3 a la expansión de la placa. Luego conecta un cable de conector Grove entre el Grove SHT31 y uno de los puertos I2C en la placa de expansión.

Para probar esta configuración, podemos usar un ejemplo existente con Zephyr:

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/sensor/sht3xd -- -DDTC_OVERLAY_FILE=$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/sht31.overlay
west flash
west espressif monitor

Verás los resultados siguientes en la consola:

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-1155-g1a55caf8263e ***
SHT3XD: 25.54 Cel ; 53.39 %RH
SHT3XD: 25.58 Cel ; 53.42 %RH
SHT3XD: 25.60 Cel ; 53.57 %RH
SHT3XD: 25.68 Cel ; 53.71 %RH
SHT3XD: 25.68 Cel ; 53.72 %RH
SHT3XD: 25.71 Cel ; 53.67 %RH
SHT3XD: 25.75 Cel ; 53.60 %RH
SHT3XD: 25.76 Cel ; 53.48 %RH
SHT3XD: 25.82 Cel ; 53.31 %RH
SHT3XD: 25.84 Cel ; 53.16 %RH

Vamos a adentrarnos en este ejemplo para ver por qué funciona:

 &xiao_i2c {
    sht3xd@44 {
            compatible = "sensirion,sht3xd";
            reg = <0x44>;
        };
    };

El archivo de superposición de la aplicación se utiliza para configurar diversos componentes de la placa. Usando este archivo, el ejemplo de SHT31 puede ser utilizado, ya que la superposición informa a la lógica del ejemplo cómo configurar el sensor para nuestra placa.

Módulo de pantalla LCD de 1.69 pulgadas, resolución 240×280, interfaz SPI

Para este ejemplo, utilizaremos SPI para conectar una pantalla LCD de 1.69 pulgadas con una resolución de 240x280.

Primero conecta tu placa a la pantalla LCD utilizando la siguiente imagen como guía (en este caso estamos utilizando la Xiao ESP32S3, pero el mismo diseño de pines se usa para la conexión aquí).

1.69-pulg LCD SPI Display	XIAO ESP32S3
VCC	3V3
GND	GND
DIN	D10
CLK	D8
CS	D1
DC	D3
RST	D0
BL	D6

Ahora podemos compilar y grabar el firmware:

cd ~/zephyrproject/zephyr
west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/drivers/display -- -DDTC_OVERLAY_FILE=$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/240x280_st7789v2.overlay -DEXTRA_CONF_FILE=$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/240x280_st7789v2.conf
west flash

Con el nuevo firmware instalado, el dispositivo ahora muestra la misma pantalla de demostración que vimos previamente en la placa de expansión, pero ahora actualizada para la pantalla LCD a color a través de SPI.

Pantalla Redonda para Xiao

Para probar esta configuración, podemos usar un ejemplo existente con Zephyr:

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/drivers/display --  -DSHIELD=seeed_xiao_round_display

Ingresa al modo de arranque y graba tu dispositivo:

west flash

Verás una pantalla mostrando múltiples esquinas de colores con una esquina negra parpadeando.

Otro ejemplo demuestra el uso de la pantalla táctil:

west build -p always -b xiao_esp32s3 samples/modules/lvgl/demos --  -DSHIELD=seeed_xiao_round_display -DCONFIG_LV_Z_DEMO_MUSIC=y

La demostración de música que se muestra aquí es solo una porción de la pantalla real, pero aún demuestra el funcionamiento de la pantalla táctil. Como puedes ver, al tocar el botón de reproducción se activa la animación de la música.

Puedes ver en el archivo del shield que esto funciona mediante la interfaz con el controlador de pantalla redonda GC9A01 a través de SPI y el módulo táctil CHSC6X a través de I2C.

Vamos a profundizar un poco en este ejemplo para ver cómo funciona:

/ {
    chosen {
      zephyr,display = &gc9a01_xiao_round_display;
    };

    lvgl_pointer {
        compatible = "zephyr,lvgl-pointer-input";
        input = <&chsc6x_xiao_round_display>;
    };
};

/*
 * xiao_serial uses pins D6 and D7 of the Xiao, which are used respectively to
 * control the screen backlight and as touch controller interrupt.
 */
&xiao_serial {
    status = "disabled";
};

&xiao_i2c {
    clock-frequency = < I2C_BITRATE_FAST >;

    chsc6x_xiao_round_display: chsc6x@2e {
        status = "okay";
        compatible = "chipsemi,chsc6x";
        reg = <0x2e>;
        irq-gpios = <&xiao_d 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    };
};

&xiao_spi {
    status = "okay";
    cs-gpios = <&xiao_d 1 GPIO_ACTIVE_LOW>, <&xiao_d 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;

    gc9a01_xiao_round_display: gc9a01@0 {
        status = "okay";
        compatible = "galaxycore,gc9x01x";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <DT_FREQ_M(100)>;
        cmd-data-gpios = <&xiao_d 3 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        pixel-format = <PANEL_PIXEL_FORMAT_RGB_565>;
        width = <240>;
        height = <240>;
        display-inversion;
    };
};

Este shield realiza lo siguiente:

• Selecciona la pantalla GC9A01 como la pantalla elegida de Zephyr.
• Establece la lógica del puntero LVGL para usar el módulo CHSC6X.
• Desactiva la comunicación serial, ya que los pines se usan para el retroiluminado y la interrupción táctil (como se muestra arriba mediante: irq-gpios = <&xiao_d 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;).
• Configura la pantalla redonda para SPI utilizando los pines D1, D2 y D3.

La lógica del ejemplo depende del código de ejemplo de LVGL, el cual se puede examinar más a fondo.

✨ Proyecto de Contribuidor

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