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XIAO ESP32S3(Sense) With FreeRTOS

このwikiはSeeed Studio XIAO ESP32S3のFreeRTOSサポートについて説明します。このガイドの支援により、ボードで利用可能な機能セットを活用できるようになります。

FreeRTOSとは​

pir

FreeRTOSは、リアルタイムカーネルと補完機能を実装するモジュラーライブラリのセットで構成されるCライブラリのコレクションです。FreeRTOSカーネルは、FreeRTOS上に構築されたアプリケーションがハードリアルタイム要件を満たすことを可能にするリアルタイムカーネル（またはリアルタイムスケジューラ）です。これにより、アプリケーションを独立した実行スレッドのコレクションとして整理することができます。

参考：Mastering the FreeRTOS Real Time Kernel

FreeRTOSポート​

FreeRTOSは、ESP-IDFにコンポーネントとして統合されたオープンソースRTOS（リアルタイムオペレーティングシステム）カーネルです。したがって、すべてのESP-IDFアプリケーションと多くのESP-IDFコンポーネントはFreeRTOSベースで書かれています。FreeRTOSカーネルは、ESPチップで利用可能なすべてのアーキテクチャ（すなわち、XtensaとRISC-V）にポートされています。

私たちはFreeRTOSのESP IDFポートを使用します。

ハードウェア準備​

私はSeed Studio XIAO ESP32S3 Senseと、オンボードカメラ、マイクロフォン、SDカードリーダー、そしてESP32S3のWifi機能を使用しています。

Seeed Studio XIAO ESP32S3(Sense)
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追加コンポーネント​

ソフトウェアの準備​

私はESP-IDFを使用したVisual Studio Code（Windows）を使用しています。

  1. VSCodeインストール
  2. ESP-IDFインストールガイド
  3. Gitリポジトリ
VS CodeESP-IDF for VSCode
VSCodeダウンロード⏬
ESP-IDFインストール ⏬

はじめに​

ESP-IDFのセットアップ​

Visual Studio Extensionをセットアップした後、ターミナルを開いて以下のコマンドを貼り付けて、通常のターミナル環境（VScode外）からESP-IDFコマンドラインツールにアクセスします。

note

VS-CodeのESP-IDF拡張機能の通常のインストールは90%のユースケースに対応します。環境外でESPコマンドラインツールが必要な場合のみ、以下の手順を実行してください。

PowerShell (Windows)

.$HOME\esp\v5.3\esp-idf\export.ps1
info

".$HOME\esp\v5.3\esp-idf" はユーザーによって異なる場合があります。これはデフォルトのインストールパスです。
お使いのデバイスのインストールパスに置き換えてください。

tip

セットアップの繰り返しを避けるため、管理者モードでPowerShellを起動し、以下のコマンドを入力してください

notepad $PSHOME\Profile.ps1

メモ帳のインスタンスが開きます。エクスポートシェルコマンドをメモ帳に貼り付けて保存してください。 PowerShellのインスタンスを開くと、以下のような出力が表示されるはずです。

Done! You can now compile ESP-IDF projects.

すべてが適切に完了した場合、以下のコマンド：

idf.py

should show the following output :

Usage: idf.py [OPTIONS] COMMAND1 [ARGS]... [COMMAND2 [ARGS]...]...

  ESP-IDF CLI build management tool. For commands that are not known to idf.py an attempt to execute it as a build
  system target will be made. Selected target: None

Taskとは何か？​

Taskは、プロセッサが設定のセットで実行するよう要求される小さな関数/ジョブです。Taskは小さな関数から無限ループ関数まで様々です。
TaskはESP-IDFアプリケーションにおける実行の基本単位です。これらは本質的に他のタスクと同時に実行される関数です。これにより効率的なマルチタスクと応答性が可能になります。

タスクプロパティとは何か？​

このトピックの広大さのため、このガイドで使用するプロパティのいくつかのみをカバーします。

  • TaskFunction: これはタスクの実際のロジックを含む関数です。タスクの実行のエントリーポイントです。
  • StackSize: これはタスクのスタックに割り当てられるメモリ量を指定します。スタックはローカル変数、関数の戻りアドレス、一時データを格納するために使用されます。
  • TaskPriority: これは他のタスクと比較したタスクの相対的な重要度を決定します。優先度の高いタスクは、優先度の低いタスクよりも先に実行される可能性が高くなります。
  • TaskParameters: これらはタスクが作成されるときにタスク関数に渡すことができるオプションの引数です。タスクに追加のコンテキストや設定を提供するために使用できます。
  • CoreAffinity: これはタスクが割り当てられるべきCPUコアを指定します。複数のコアを持つシステムでは、これはパフォーマンスを最適化したり、ワークロードのバランスを取るために使用できます。

タスクの作成​

FreeRTOSでタスクを作成するには、xTaskCreate関数を使用します。この関数は、タスク関数、タスク名、スタックサイズ、パラメータ、優先度、作成されたタスクへのハンドルを含むいくつかのパラメータを取ります。

TaskHandle_t task;
xTaskCreate(
        taskFunction,             /* Function that implements the task. */
        "taskName",               /* Text name for the task. */
        configMINIMAL_STACK_SIZE, /* Stack size in words, or bytes. */
        NULL,                     /* Parameter passed into the task. */
        tskIDLE_PRIORITY,         /* Priority at which the task is created. */
        &task                     /* Used to pass out the created task's handle. */
        );

コアに固定されたタスクの作成​

タスクを作成して特定のコアに固定するには（使用中のチップがデュアルコアの場合のみ）、xTaskCreatePinnedToCore関数を使用します。この関数はxTaskCreateと似ていますが、コアを指定するための追加パラメータが含まれています。

TaskHandle_t task;
xTaskCreatePinnedToCore(
        taskFunction,             /* Function that implements the task. */
        "taskName",               /* Text name for the task. */
        configMINIMAL_STACK_SIZE, /* Stack size in words, or bytes. */
        NULL,                     /* Parameter passed into the task. */
        tskIDLE_PRIORITY,         /* Priority at which the task is created. */
        &task,                    /* Used to pass out the created task's handle. */
        0);                       /* Core ID */

タスク関数の呼び出し​

タスク関数は、タスクによって実行される実際のコードです。

void taskFunction(void * pvParameters) {
  /*
  Function definition goes here
  */
}

タスクの可視化​

FreeRTOSの動作を可視化するために、4つのシンプルなタスクを作成しています。

pir

視覚的表現​

CPU0
-----
taskFunction1 (1000ms delay)

CPU1
-----
taskFunction2 (500ms delay)
taskFunction3 (500ms delay)
taskFunction4 (500ms delay)

コード​

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "sdkconfig.h"
#include "esp_log.h"

TaskHandle_t task1,task2,task3,task4;

void taskFunction1(void * pvParameters) {
    while (true) {
        ESP_LOGI("Task1", "Hello from task 1");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // Add a delay to avoid overwhelming the output
    }
}

void taskFunction2(void * pvParameters) {
    while (true) {
        ESP_LOGI("Task2", "Hello from task 2");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // Add a delay to avoid overwhelming the output
    }
}

void taskFunction3(void * pvParameters) {
    while (true) {
        ESP_LOGI("Task3", "Hello from task 3");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // Add a delay to avoid overwhelming the output
    }
}

void taskFunction4(void * pvParameters) {
    while (true) {
        ESP_LOGI("Task4", "Hello from task 4");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // Add a delay to avoid overwhelming the output
    }
}

void app_main(void) {
    xTaskCreatePinnedToCore(
        taskFunction1, /* Function that implements the task. */
        "task_1",        /* Text name for the task. */
        configMINIMAL_STACK_SIZE, /* Stack size in words, not bytes. */
        NULL,            /* Parameter passed into the task. */
        tskIDLE_PRIORITY, /* Priority at which the task is created. */
        &task1,         /* Used to pass out the created task's handle. */
        0);              /* Core ID */

    xTaskCreatePinnedToCore(
        taskFunction2, /* Function that implements the task. */
        "task_2",        /* Text name for the task. */
        configMINIMAL_STACK_SIZE, /* Stack size in words, not bytes. */
        NULL,            /* Parameter passed into the task. */
        tskIDLE_PRIORITY, /* Priority at which the task is created. */
        &task2,         /* Used to pass out the created task's handle. */
        1);              /* Core ID */

    xTaskCreatePinnedToCore(
        taskFunction3, /* Function that implements the task. */
        "task_3",        /* Text name for the task. */
        configMINIMAL_STACK_SIZE, /* Stack size in words, not bytes. */
        NULL,            /* Parameter passed into the task. */
        tskIDLE_PRIORITY, /* Priority at which the task is created. */
        &task3,         /* Used to pass out the created task's handle. */
        1);              /* Core ID */

    xTaskCreatePinnedToCore(
        taskFunction4, /* Function that implements the task. */
        "task_4",        /* Text name for the task. */
        configMINIMAL_STACK_SIZE, /* Stack size in words, not bytes. */
        NULL,            /* Parameter passed into the task. */
        tskIDLE_PRIORITY, /* Priority at which the task is created. */
        &task4,         /* Used to pass out the created task's handle. */
        1);              /* Core ID */
}
tip

configMINIMAL_STACK_SIZE は sdkconfig で変更できます。

  1. 4つのタスク: コードは4つのタスクを定義しています：taskFunction1、taskFunction2、taskFunction3、taskFunction4。
  2. タスク優先度: すべてのタスクは tskIDLE_PRIORITY で作成されます。これは同じ優先度を持つことを意味します。
  3. タスクピニング: taskFunction1 は CPU0 にピニングされ、他の3つのタスクは CPU1 にピニングされます。
  4. タスク遅延: taskFunction1 は 1000ms の遅延を持ち、他の3つは 500ms の遅延を持ちます。

CPU0 と CPU1 のタスクスケジュールの作成​

CPU0 と CPU1 の基本的なタスクスケジュールを作成しました。

CPU0 タスクスケジュール​

Task: taskFunction1
Priority: Idle (lowest)
Delay: 1000ms
Core: 0

CPU1 タスクスケジュール​

Tasks: taskFunction2, taskFunction3, taskFunction4
Priorities: All Idle (same priority)
Delays: 500ms for all tasks
Core: 1
info

これは簡略化されたスケジュールです。リアルタイムシステムにおける実際のタスクスケジューリングでは、タスクの優先度、デッドライン、リソース制約などのより複雑な要因が関わります。

Output
I (11412) Task1: Hello from task 1
I (11522) Task3: Hello from task 3
I (11522) Task2: Hello from task 2
I (11532) Task4: Hello from task 4
I (12032) Task3: Hello from task 3
I (12032) Task2: Hello from task 2
I (12042) Task4: Hello from task 4
I (12422) Task1: Hello from task 1
I (12542) Task3: Hello from task 3
I (12542) Task2: Hello from task 2
I (12552) Task4: Hello from task 4
I (13052) Task3: Hello from task 3
I (13052) Task2: Hello from task 2
I (13062) Task4: Hello from task 4
I (13432) Task1: Hello from task 1
I (13562) Task3: Hello from task 3
I (13562) Task2: Hello from task 2
I (13572) Task4: Hello from task 4
I (14072) Task3: Hello from task 3
I (14072) Task2: Hello from task 2
I (14082) Task4: Hello from task 4

FreeRTOSを使用したセンサーポーリング​

これには、ESP_IDF_v5.3と共にアナログセンサーAir Quality Sensor v1.3を使用しています。

コードをダウンロード

ハードウェアセットアップ​

Xiao-S3をGrove - Expansion Boardに接続し、Air Quality Sensor v1.3をアナログコネクタに接続します。

pir

ソフトウェアセットアップ​

gitリポジトリをプルした後、VSCodeでフォルダを開きます。View->Command Palette->ESP-IDF: Add vscode Configuration Folderに移動します。 下部パネルから正しいCOMポート、チップ（ESP-S3）を選択し、ビルド、フラッシュ、モニターを実行します。

コード概要​

このコードは、センサーから空気品質データを収集し、生データを処理して空気品質レベルを決定し、定期的に結果をコンソールに出力するように設計されています。

主要コンポーネント​

  • センサー初期化：
air_quality_sensor_t air_quality_sensor;

void sensor_setup()
{
    air_quality_sensor._io_num = ADC_CHANNEL_0;
    air_quality_sensor._adc_num = ADC_UNIT_1;
    printf("Starting Air Quality Sensor...\n");
    if(!initialize_air_quality_sensor(&air_quality_sensor))
    {
        printf("Sensor ready.\n");
    }
    else{
        printf("Sensor ERROR!\n");
    }
}

  • sensor_setup() 関数はセンサーのI/OピンとADCユニットを設定します。

  • initialize_air_quality_sensor()を使用してセンサーの初期化を試行します。

  • 初期化が成功した場合、センサーはデータ収集の準備が整います。

  • データ収集タスク：

void poll_read_air_quality_sensor(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        air_quality_sensor_slope(&air_quality_sensor);
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

  • poll_read_air_quality_sensor() タスクが作成され、センサーから生データを継続的に読み取ります。

  • air_quality_sensor_slope() を呼び出して生データを処理し、空気品質の指標である傾きを計算します。

  • タスクは次のデータポイントを読み取る前に500ミリ秒間遅延します。

  • データ印刷タスク：


void print_read_air_quality_sensor(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        char buf[40];
        air_quality_error_to_message(air_quality_sensor._air_quality,buf);
        printf("Time : %lu\tSlope : %d\tRaw Value : %d\n%s\n", (uint32_t)esp_timer_get_time() / 1000, air_quality_sensor._air_quality, air_quality_sensor._sensor_raw_value,buf);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}
  • print_read_air_quality_sensor() タスクは、収集されたデータと計算された空気品質を定期的に印刷するために作成されます。
  • 現在の時刻、傾き、生の値、および air_quality_error_to_message() を使用した空気品質メッセージを取得します。
  • タスクはフォーマットされた方法でデータをコンソールに印刷します。
  • タスクは次のデータポイントを印刷する前に1000ミリ秒間遅延します。

void app_main(void)
{
    sensor_setup();
    xTaskCreatePinnedToCore(
        poll_read_air_quality_sensor,   /* Function that implements the task. */
        "poll_read_air_quality_sensor", /* Text name for the task. */
        configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,   /* Stack size in words, not bytes. */
        NULL,                           /* Parameter passed into the task. */
        tskIDLE_PRIORITY,               /* Priority at which the task is created. */
        NULL,                           /* Used to pass out the created task's handle. */
        0);                             /* Core ID */

    xTaskCreatePinnedToCore(
        print_read_air_quality_sensor,   /* Function that implements the task. */
        "print_read_air_quality_sensor", /* Text name for the task. */
        configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,    /* Stack size in words, not bytes. */
        NULL,                            /* Parameter passed into the task. */
        tskIDLE_PRIORITY + 1,            /* Priority at which the task is created. */
        NULL,                            /* Used to pass out the created task's handle. */
        0);                              /* Core ID */
}

出力​

Time : 37207    Slope : 3       Raw Value : 273
Fresh air.
Time : 38217    Slope : 3       Raw Value : 269
Fresh air.
Time : 39227    Slope : 3       Raw Value : 274
Fresh air.
Time : 40237    Slope : 3       Raw Value : 251
Fresh air.
Time : 41247    Slope : 3       Raw Value : 276
Fresh air.
Time : 42257    Slope : 3       Raw Value : 250
Fresh air.
Time : 43267    Slope : 3       Raw Value : 236
Fresh air.
Time : 44277    Slope : 3       Raw Value : 253
Fresh air.
Time : 45287    Slope : 3       Raw Value : 245
Fresh air.
Time : 46297    Slope : 3       Raw Value : 249
Fresh air.
Time : 47307    Slope : 3       Raw Value : 244
Fresh air.
Time : 48317    Slope : 3       Raw Value : 235
Fresh air.
Time : 49327    Slope : 3       Raw Value : 239
Fresh air.
Time : 50337    Slope : 3       Raw Value : 233
Fresh air.
Time : 51347    Slope : 3       Raw Value : 235
Fresh air.

FreeRTOSでのカメラとSdCardの使用​

これには、ESP_IDF_v5.3と共にオンボードカメラとSdCardを使用しています。

コードをダウンロード

ハードウェアセットアップ​

microSDカードガイドとカメラガイドに従って、カメラとmicroSDカード拡張ボードを取り付けてください。

  • microSDカードをフォーマットする（最大32Gbまでサポート）
  • microSDカードを拡張ボードに取り付ける

セットアップは次のようになります：

前面背面

ソフトウェアセットアップ​

gitリポジトリをプルした後、VSCodeでフォルダを開きます。View->Command Palette->ESP-IDF: Add vscode Configuration Folderに移動します。 下部パネルから正しいCOMポート、チップ（ESP-S3）を選択し、ビルド、フラッシュ、モニターを実行します。

tip

OV3660モデルを使用している場合は、それを駆動できるようにIDFで設定する必要があります。ターミナルで "idf.py menuconfig" を入力してください

ステップ 1ステップ 2ステップ 3

カメラコンポーネント​

  • カメラ設定：
    • 様々なカメラ機能に使用されるGPIOピンを定義します（PWDN、RESET、XCLK、SIOD、SIOC、Y9-Y2、VSYNC、HREF、PCLK、LED）。
    • カメラパラメータのデフォルト値を設定します（例：クロック周波数、フレームバッファ位置、ピクセル形式、フレームサイズ、JPEG品質、フレームバッファ数、グラブモード）。
#ifndef CAMERA_CONFIG_H
#define CAMERA_CONFIG_H

#define PWDN_GPIO_NUM     -1
#define RESET_GPIO_NUM    -1
#define XCLK_GPIO_NUM     10
#define SIOD_GPIO_NUM     40
#define SIOC_GPIO_NUM     39

#define Y9_GPIO_NUM       48
#define Y8_GPIO_NUM       11
#define Y7_GPIO_NUM       12
#define Y6_GPIO_NUM       14
#define Y5_GPIO_NUM       16
#define Y4_GPIO_NUM       18
#define Y3_GPIO_NUM       17
#define Y2_GPIO_NUM       15
#define VSYNC_GPIO_NUM    38
#define HREF_GPIO_NUM     47
#define PCLK_GPIO_NUM     13

#define LED_GPIO_NUM      21

#endif //CAMERA_CONFIG_H

  • カメラインターフェース：
    関数 initialize_camera() と createCameraTask() を宣言します。

  • カメラ実装：

    • 定義された設定を使用してカメラを初期化します。
    void initialize_camera(void)
    {
      camera_config_t camera_config = {
          .pin_pwdn = PWDN_GPIO_NUM,
          .pin_reset = RESET_GPIO_NUM,
          .pin_xclk = XCLK_GPIO_NUM,
          .pin_sccb_sda = SIOD_GPIO_NUM,
          .pin_sccb_scl = SIOC_GPIO_NUM,
          .pin_d7 = Y9_GPIO_NUM,
          .pin_d6 = Y8_GPIO_NUM,
          .pin_d5 = Y7_GPIO_NUM,
          .pin_d4 = Y6_GPIO_NUM,
          .pin_d3 = Y5_GPIO_NUM,
          .pin_d2 = Y4_GPIO_NUM,
          .pin_d1 = Y3_GPIO_NUM,
          .pin_d0 = Y2_GPIO_NUM,
          .pin_vsync = VSYNC_GPIO_NUM,
          .pin_href = HREF_GPIO_NUM,
          .pin_pclk = PCLK_GPIO_NUM,

          .xclk_freq_hz = 20000000,          // The clock frequency of the image sensor
          .fb_location = CAMERA_FB_IN_PSRAM, // Set the frame buffer storage location
          .pixel_format = PIXFORMAT_JPEG,    // The pixel format of the image: PIXFORMAT_ + YUV422|GRAYSCALE|RGB565|JPEG
          .frame_size = FRAMESIZE_UXGA,      // The resolution size of the image: FRAMESIZE_ + QVGA|CIF|VGA|SVGA|XGA|SXGA|UXGA
          .jpeg_quality = 15,                // The quality of the JPEG image, ranging from 0 to 63.
          .fb_count = 2,                     // The number of frame buffers to use.
          .grab_mode = CAMERA_GRAB_LATEST    //  The image capture mode.
      };

      esp_err_t ret = esp_camera_init(&camera_config);
      if (ret == ESP_OK)
      {
          ESP_LOGI(cameraTag, "Camera configured successful");
      }
      else
      {
          ESP_LOGI(cameraTag, "Camera configured unsuccessful");
          return;
      }
    }
    • カメラパラメータを設定します（明度、コントラスト、彩度、特殊効果、ホワイトバランス、露出制御、AEC、AEレベル、AEC値、ゲイン制御、AGCゲイン、ゲイン上限、BPC、WPC、raw GMA、LENC、hmirror、vflip、DCW、colorbar）。
    sensor_t *s = esp_camera_sensor_get();

      s->set_brightness(s, 0);                 // -2 to 2
      s->set_contrast(s, 0);                   // -2 to 2
      s->set_saturation(s, 0);                 // -2 to 2
      s->set_special_effect(s, 0);             // 0 to 6 (0 - No Effect, 1 - Negative, 2 - Grayscale, 3 - Red Tint, 4 - Green Tint, 5 - Blue Tint, 6 - Sepia)
      s->set_whitebal(s, 1);                   // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_awb_gain(s, 1);                   // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_wb_mode(s, 0);                    // 0 to 4 - if awb_gain enabled (0 - Auto, 1 - Sunny, 2 - Cloudy, 3 - Office, 4 - Home)
      s->set_exposure_ctrl(s, 1);              // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_aec2(s, 0);                       // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_ae_level(s, 0);                   // -2 to 2
      s->set_aec_value(s, 300);                // 0 to 1200
      s->set_gain_ctrl(s, 1);                  // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_agc_gain(s, 0);                   // 0 to 30
      s->set_gainceiling(s, (gainceiling_t)0); // 0 to 6
      s->set_bpc(s, 0);                        // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_wpc(s, 1);                        // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_raw_gma(s, 1);                    // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_lenc(s, 1);                       // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_hmirror(s, 0);                    // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_vflip(s, 0);                      // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_dcw(s, 1);                        // 0 = disable , 1 = enable
      s->set_colorbar(s, 0);                   // 0 = disable , 1 = enable
    • Defines a function takePicture() to capture an image and save it to SD card.
    void takePicture()
    {
      ESP_LOGI(cameraTag, "Taking picture...");
      camera_fb_t *pic = esp_camera_fb_get();

      if (pic)
      {
          saveJpegToSdcard(pic);
      }

      ESP_LOGI(cameraTag, "Picture taken! Its size was: %zu bytes", pic->len);

      esp_camera_fb_return(pic);
    }
    • Creates a task cameraTakePicture_5_sec() to continuously take pictures every 5 seconds.
    void cameraTakePicture_5_sec(void *pvParameters)
    {
        for (;;)
        {
            takePicture();
            vTaskDelay(5000 / portTICK_PERIOD_MS);
        }
    }

    void createCameraTask()
    {
        TaskHandle_t task;
        xTaskCreate(
            cameraTakePicture_5_sec,      /* Function that implements the task. */
            "cameraTakePicture_5_sec",    /* Text name for the task. */
            configMINIMAL_STACK_SIZE * 4, /* Stack size in words, or bytes. */
            NULL,                         /* Parameter passed into the task. */
            tskIDLE_PRIORITY,             /* Priority at which the task is created. */
            &task                         /* Used to pass out the created task's handle. */
        );
    }

コード構造：

  • ヘッダーファイル（camera_config.h、camera_interface.h）と実装ファイル（camera_interface.c）。
  • camera_config.hファイルはカメラ設定パラメータを定義します。
  • camera_interface.hファイルはカメラ初期化とタスク作成の関数を宣言します。
  • camera_interface.cファイルはカメラ初期化、写真撮影、タスク作成ロジックを実装します。

SdCardコンポーネント​

  • SDカード設定：
    SDカードインターフェースに使用されるGPIOピン（MISO、MOSI、CLK、CS）を定義します。
#ifndef SDCARD_CONFIG_H
#define SDCARD_CONFIG_H

#define PIN_NUM_MISO  GPIO_NUM_8
#define PIN_NUM_MOSI  GPIO_NUM_9
#define PIN_NUM_CLK   GPIO_NUM_7
#define PIN_NUM_CS    GPIO_NUM_21

#endif //SDCARD_CONFIG_H
  • SD Card Interface:
    initialize_sdcard()、deinitialize_sdcard()、およびsaveJpegToSdcard()関数を宣言します。
#ifndef SDCARD_INTERFACE_H
#define SDCARD_INTERFACE_H

#include "esp_camera.h"

void initialize_sdcard(void);
void deinitialize_sdcard();
void saveJpegToSdcard(camera_fb_t *);

#endif //SDCARD_INTERFACE_H

  • SDカード実装:

    • 定義された設定を使用してSDカードを初期化し、SDカードをFATファイルシステムとしてマウントします。
    sdmmc_card_t *card;
    sdmmc_host_t host = SDSPI_HOST_DEFAULT();
    const char mount_point[] = "/sd";

    void initialize_sdcard()
    {
        esp_err_t ret;

        // If format_if_mount_failed is set to true, SD card will be partitioned and
        // formatted in case when mounting fails.
        esp_vfs_fat_sdmmc_mount_config_t mount_config = {
    #ifdef FORMAT_IF_MOUNT_FAILED
            .format_if_mount_failed = true,
    #else
            .format_if_mount_failed = false,
    #endif // EXAMPLE_FORMAT_IF_MOUNT_FAILED
            .max_files = 5,
            .allocation_unit_size = 32 * 1024};

        ESP_LOGI(sdcardTag, "Initializing SD card");

        // Use settings defined above to initialize SD card and mount FAT filesystem.
        // Note: esp_vfs_fat_sdmmc/sdspi_mount is all-in-one convenience functions.
        // Please check its source code and implement error recovery when developing
        // production applications.
        ESP_LOGI(sdcardTag, "Using SPI peripheral");

        // By default, SD card frequency is initialized to SDMMC_FREQ_DEFAULT (20MHz)
        // For setting a specific frequency, use host.max_freq_khz (range 400kHz - 20MHz for SDSPI)
        spi_bus_config_t bus_cfg = {
            .mosi_io_num = PIN_NUM_MOSI,
            .miso_io_num = PIN_NUM_MISO,
            .sclk_io_num = PIN_NUM_CLK,
            .quadwp_io_num = -1,
            .quadhd_io_num = -1,
            .max_transfer_sz = host.max_freq_khz,
        };
        ret = spi_bus_initialize(host.slot, &bus_cfg, SDSPI_DEFAULT_DMA);
        if (ret != ESP_OK)
        {
            ESP_LOGE(sdcardTag, "Failed to initialize bus.");
            return;
        }

        // This initializes the slot without card detect (CD) and write protect (WP) signals.
        // Modify slot_config.gpio_cd and slot_config.gpio_wp if your board has these signals.
        sdspi_device_config_t slot_config = SDSPI_DEVICE_CONFIG_DEFAULT();
        slot_config.gpio_cs = PIN_NUM_CS;
        slot_config.host_id = host.slot;

        ESP_LOGI(sdcardTag, "Mounting filesystem");
        ret = esp_vfs_fat_sdspi_mount(mount_point, &host, &slot_config, &mount_config, &card);

        if (ret != ESP_OK)
        {
            if (ret == ESP_FAIL)
            {
                ESP_LOGE(sdcardTag, "Failed to mount filesystem. "
                                    "If you want the card to be formatted, set the FORMAT_IF_MOUNT_FAILED in sdcard_config.h");
            }
            else
            {
                ESP_LOGE(sdcardTag, "Failed to initialize the card (%s). "
                                    "Make sure SD card lines have pull-up resistors in place.",
                        esp_err_to_name(ret));
            }
            return;
        }
        ESP_LOGI(sdcardTag, "Filesystem mounted");

        // Card has been initialized, print its properties
        sdmmc_card_print_info(stdout, card);

        // Format FATFS
    #ifdef FORMAT_SD_CARD
        ret = esp_vfs_fat_sdcard_format(mount_point, card);
        if (ret != ESP_OK)
        {
            ESP_LOGE(sdcardTag, "Failed to format FATFS (%s)", esp_err_to_name(ret));
            return;
        }

        if (stat(file_foo, &st) == 0)
        {
            ESP_LOGI(sdcardTag, "file still exists");
            return;
        }
        else
        {
            ESP_LOGI(sdcardTag, "file doesnt exist, format done");
        }
    #endif // CONFIG_EXAMPLE_FORMAT_SD_CARD
    }
    • Provides functions to save JPEG images to the SD card.
    uint16_t lastKnownFile = 0;

    void saveJpegToSdcard(camera_fb_t *captureImage)
    {
      // Find the next available filename
      char filename[32];

      sprintf(filename, "%s/%u_img.jpg", mount_point, lastKnownFile++);

      // Create the file and write the JPEG data
      FILE *fp = fopen(filename, "wb");
      if (fp != NULL)
      {
          fwrite(captureImage->buf, 1, captureImage->len, fp);
          fclose(fp);
          ESP_LOGI(sdcardTag, "JPEG saved as %s", filename);
      }
      else
      {
          ESP_LOGE(sdcardTag, "Failed to create file: %s", filename);
      }
    }

コンポーネント構造：

  • ヘッダーファイル（sdcard_config.h、sdcard_interface.h）と実装ファイル（sdcard_interface.c）。
  • sdcard_config.hファイルはSDカードの設定パラメータを定義します。
  • sdcard_interface.hファイルはSDカードの初期化、非初期化、画像保存の関数を宣言します。
  • sdcard_interface.cファイルはSDカードの初期化、非初期化、画像保存のロジックを実装します。

メイン関数​

// main.c
#include <stdio.h>
#include "camera_interface.h"
#include "sdcard_interface.h"

void initialize_drivers()
{
    initialize_sdcard();
    initialize_camera();
}

void start_tasks()
{
    createCameraTask();
}

void app_main(void)
{
    initialize_drivers();
    start_tasks();
}
  • カメラとSDカードインターフェース用の必要なヘッダーファイルをインクルードします。
  • 提供された関数を使用してSDカードとカメラの両方を初期化します。
  • 連続的に写真を撮影するためのカメラタスクを開始します

出力​

pir

UART出力​

I (1119) main_task: Calling app_main()
I (1123) sdcard: Initializing SD card
I (1127) sdcard: Using SPI peripheral
I (1132) sdcard: Mounting filesystem
I (1137) gpio: GPIO[21]| InputEn: 0| OutputEn: 1| OpenDrain: 0| Pullup: 0| Pulldown: 0| Intr:0
I (1146) sdspi_transaction: cmd=52, R1 response: command not supported
I (1195) sdspi_transaction: cmd=5, R1 response: command not supported
I (1219) sdcard: Filesystem mounted
Name: SD32G
Type: SDHC/SDXC
Speed: 20.00 MHz (limit: 20.00 MHz)
Size: 30448MB
CSD: ver=2, sector_size=512, capacity=62357504 read_bl_len=9
SSR: bus_width=1
I (1226) s3 ll_cam: DMA Channel=1
I (1230) cam_hal: cam init ok
I (1234) sccb: pin_sda 40 pin_scl 39
I (1238) sccb: sccb_i2c_port=1
I (1252) camera: Detected camera at address=0x30
I (1255) camera: Detected OV2640 camera
I (1255) camera: Camera PID=0x26 VER=0x42 MIDL=0x7f MIDH=0xa2
I (1344) cam_hal: buffer_size: 16384, half_buffer_size: 1024, node_buffer_size: 1024, node_cnt: 16, total_cnt: 375
I (1344) cam_hal: Allocating 384000 Byte frame buffer in PSRAM
I (1351) cam_hal: Allocating 384000 Byte frame buffer in PSRAM
I (1357) cam_hal: cam config ok
I (1361) ov2640: Set PLL: clk_2x: 0, clk_div: 0, pclk_auto: 0, pclk_div: 12
I (1453) camera: Camera configured successful
I (1487) main_task: Returned from app_main()
I (1487) camera: Taking picture...
I (1997) sdcard: JPEG saved as /sd/0_img.jpg
I (1997) camera: Picture taken! Its size was: 45764 bytes
I (6997) camera: Taking picture...
I (7348) sdcard: JPEG saved as /sd/1_img.jpg
I (7349) camera: Picture taken! Its size was: 51710 bytes
I (12349) camera: Taking picture...
I (12704) sdcard: JPEG saved as /sd/2_img.jpg
I (12705) camera: Picture taken! Its size was: 51853 bytes
I (17706) camera: Taking picture...
I (18054) sdcard: JPEG saved as /sd/3_img.jpg
I (18055) camera: Picture taken! Its size was: 51919 bytes
I (23055) camera: Taking picture...
I (23414) sdcard: JPEG saved as /sd/4_img.jpg
I (23414) camera: Picture taken! Its size was: 51809 bytes
I (28415) camera: Taking picture...
I (28768) sdcard: JPEG saved as /sd/5_img.jpg
I (28768) camera: Picture taken! Its size was: 51747 bytes
I (33771) camera: Taking picture...
I (34117) sdcard: JPEG saved as /sd/6_img.jpg
I (34117) camera: Picture taken! Its size was: 51968 bytes

出力画像​

pir

Arduino IDE用FreeRtos​

FreeRtosはArduino-IDEベースのXIAO-S3ビルドで使用できます。ESP-IDFと同様に使用可能ですが、単一コアでのみ動作し、ESP-IDF用に最適化されていません。

ハードウェアセットアップ​

Xiao-S3をGrove - 拡張ボード（OLEDディスプレイとRTC）に接続し、Grove - Arduino用温度・湿度・圧力・ガスセンサー - BME680をI2cバスに接続します。

pir

ソフトウェアセットアップ​

pcf8563、U8x8lib、bme680ライブラリのArduinoライブラリをインストールします。Arduinoライブラリのインストール方法については、ライブラリのインストール方法を参照してください。

#include "time.h"
#include <WiFi.h>
#include <PCF8563.h>
#include <U8x8lib.h>
#include <Wire.h>
#include "seeed_bme680.h"

#define IIC_ADDR uint8_t(0x76)
Seeed_BME680 bme680(IIC_ADDR); /* IIC PROTOCOL */

// I2C communication library for the PCF8563 real-time clock
PCF8563 pcf;

// OLED display library
U8X8_SSD1306_128X64_NONAME_HW_I2C u8x8(/* clock=*/D4, /* data=*/D5, /* reset=*/U8X8_PIN_NONE);  // OLEDs without Reset of the Display

// WiFi network credentials
const char* ssid = "REPLACE_WITH_YOUR_SSID";
const char* password = "REPLACE_WITH_YOUR_PASSWORD";

// NTP server for time synchronization
const char* ntpServer = "pool.ntp.org";

// Timezone offset (adjust based on your location)
const long gmtOffset_sec = 5.5 * 60 * 60;  // Hours * Minutes * Seconds (here, GMT+5:30)
const int daylightOffset_sec = 0;          // No daylight saving time assumed

// Global variable to store current time information
static Time nowTime;

// Function prototypes for tasks
void printDateAndTime(void* pvParameters);
void updateTime(void* pvParameters);
void ledBlink2Hz(void* pvParameters);
void oledDisplayUpdate(void* pvParameters);
void taskBME680(void* pvParameters);

// Setup function (runs once at startup)
void setup() {

  Serial.begin(115200);  // Initialize serial communication for debugging

  // Set built-in LED pin as output for blinking
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);
  WiFi.begin(ssid, password);  // Connect to WiFi network
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }

  while (!bme680.init()) {
    Serial.println("bme680 init failed ! can't find device!");
    delay(10000);
  }

  pcf.init();  // Initialize the PCF8563 real-time clock

  // Stop the clock before setting the time
  pcf.stopClock();

  // Configure time synchronization using NTP server
  configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
  static struct tm timeinfo;
  while (!getLocalTime(&timeinfo)) {
    Serial.println("no received time info ... Waiting ...");
  }

  // Set the time on the PCF8563 clock based on retrieved time
  pcf.setYear(timeinfo.tm_year);
  pcf.setMonth(timeinfo.tm_mon);
  pcf.setDay(timeinfo.tm_mday);
  pcf.setHour(timeinfo.tm_hour);
  pcf.setMinut(timeinfo.tm_min);
  pcf.setSecond(timeinfo.tm_sec);

  pcf.startClock();  // Start the clock after setting the time

  Serial.println("WiFi connected at " + WiFi.localIP());

  u8x8.begin();         // Initialize the OLED display
  u8x8.setFlipMode(1);  // Optionally rotate OLED display content

  // Create tasks for different functionalities
  xTaskCreate(
    updateTime,
    "Get LocalTime",
    configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
    (void*)1,
    tskIDLE_PRIORITY + 1,
    NULL);

  xTaskCreate(
    ledBlink2Hz,
    "Task 2",
    configMINIMAL_STACK_SIZE,
    (void*)1,
    tskIDLE_PRIORITY + 1,
    NULL);

  xTaskCreate(
    oledDisplayUpdate,
    "OLED Display Task",
    configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
    (void*)1,
    tskIDLE_PRIORITY,
    NULL);

  xTaskCreate(
    printDateAndTime,
    "Print Uart",
    configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
    (void*)1,
    tskIDLE_PRIORITY,
    NULL);

  xTaskCreate(
    taskBME680,
    "BME680 Sensor Poll",
    configMINIMAL_STACK_SIZE * 2,
    (void*)1,
    tskIDLE_PRIORITY + 1,
    NULL);
}

// Loop function (doesn't do anything in this case, tasks handle everything)
void loop() {
  // Nothing to do here, all work is done in the tasks
}

// Function that will run as a task: Prints current date and time to serial port
void printDateAndTime(void* pvParameters) {
  for (;;) {
    // Print current time in formatted string (DD/MM/YY\tHH:MM:SS) to serial port
    Serial.printf("%02d/%02d/%02d\t%02d:%02d:%02d\n",
                  nowTime.day, nowTime.month + 1, nowTime.year % 100,
                  nowTime.hour, nowTime.minute, nowTime.second);
    // Delay for 1 second before reading time again
    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

// Function that will run as a task: Reads current time from PCF8563 clock
void updateTime(void* pvParameters) {
  for (;;) {
    // Update the global `nowTime` variable with the current time from the PCF8563 clock
    nowTime = pcf.getTime();
    // Delay for 0.5 second before reading time again (can be adjusted for desired update frequency)
    vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

// Function that will run as a task: Blinks the built-in LED at 2Hz
void ledBlink2Hz(void* pvParameters) {
  bool state = true;  // Initial state for LED (on or off)
  for (;;) {
    // Set LED state (HIGH for on, LOW for off)
    digitalWrite(LED_BUILTIN, (state ? HIGH : LOW));
    // Delay for 0.5 second to create a 2Hz blinking frequency (one cycle on/off)
    vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
    // Toggle LED state for the next cycle
    state = !state;
  }
}

// Function that will run as a task: Updates OLED display with date and time
void oledDisplayUpdate(void* pvParameters) {
  for (;;) {

    // Set font for the first line (date)
    u8x8.setFont(u8x8_font_chroma48medium8_r);

    // Set cursor position for the first line (centered)
    u8x8.setCursor(0, 0);

    char buffer1[12];  // Buffer to hold formatted date string
    std::snprintf(buffer1, sizeof(buffer1), "%02d/%02d/%02d",
                  nowTime.day, nowTime.month + 1, nowTime.year % 100);
    u8x8.print(buffer1);

    // Format time string (HH:MM:SS) into buffer2 using std::snprintf
    std::snprintf(buffer1, sizeof(buffer1), "%02d:%02d:%02d",
                  nowTime.hour, nowTime.minute, nowTime.second);
    // Print formatted time string to OLED display
    u8x8.print(buffer1);

    // Adjust cursor position for the second line (below the first line)
    u8x8.setCursor(0, 10);

    char buffer2[20];  // Buffer to hold formatted sensor data

    std::snprintf(buffer2, sizeof(buffer2), "T: %.1f°C", bme680.sensor_result_value.temperature);
    u8x8.print(buffer2);
    u8x8.setCursor(0, 20);

    std::snprintf(buffer2, sizeof(buffer2), "P: %.1fkPa", bme680.sensor_result_value.pressure / 1000.0);
    u8x8.print(buffer2);

    u8x8.setCursor(0, 30);

    std::snprintf(buffer2, sizeof(buffer2), "H: %.1f%%", bme680.sensor_result_value.humidity);
    u8x8.print(buffer2);

    // std::snprintf(buffer2, sizeof(buffer2), "G: %.1f Kohms", bme680.sensor_result_value.gas / 1000.0);
    // u8x8.print(buffer2);

    vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);  // Update every 0.1 seconds (adjust as needed)
  }
}

void taskBME680(void* pvParameters) {
  for (;;) {
    if (bme680.read_sensor_data()) {
      Serial.println("Failed to perform reading :(");
    } else {
      Serial.print("T: ");
      Serial.print(bme680.sensor_result_value.temperature, 2);
      Serial.print(" C  P: ");
      Serial.print(bme680.sensor_result_value.pressure / 1000.0, 2);
      Serial.print(" KPa  H: ");
      Serial.print(bme680.sensor_result_value.humidity, 2);
      Serial.print(" %  G: ");
      Serial.print(bme680.sensor_result_value.gas / 1000.0, 2);
      Serial.println(" Kohms");
    }

    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

出力​

pir

シリアルモニター出力​

09/09/24 03:17:20
T: 29.01 C  P: 90.86 KPa  H: 63.41 %  G: 47.41 Kohms
09/09/24 03:17:21
T: 29.03 C  P: 90.86 KPa  H: 63.34 %  G: 47.85 Kohms

Arduino FreeRtos vs ESP-IDF FreeRtos​

FeatureArduino FreeRTOSESP-IDF FreeRTOS
抽象化レイヤーより高レベルな抽象化、初心者にとって簡単より低レベルな抽象化、経験豊富なユーザーにより多くの制御を提供
開発環境Arduino IDEESP-IDF コマンドラインツール
互換性主にArduinoベースのボードと互換性より幅広いESP32およびESP32-S2ボードと互換性
機能基本的なRTOS機能、タスク作成、スケジューリング、同期包括的なRTOS機能、タスク作成、スケジューリング、同期、イベントグループ、キュー、ミューテックス、セマフォ
パフォーマンス抽象化レイヤーのため一般的にパフォーマンスが劣るハードウェアとRTOS APIへの直接アクセスによりパフォーマンスが向上
カスタマイゼーション限定的なカスタマイゼーションオプション設定ファイルとAPIを通じた広範囲なカスタマイゼーションオプション
学習曲線初心者にとって学習しやすいコマンドラインツールとC/C++に慣れていない人にとってより急な学習曲線
使用例シンプルなIoTプロジェクト、プロトタイピング複雑なIoTアプリケーション、リアルタイムシステム、カスタムハードウェア

トラブルシューティング​

ハードウェア接続、ソフトウェアデバッグ、またはアップロードの過程で発生する可能性のある問題について説明します。

技術サポート & 製品ディスカッション​

弊社製品をお選びいただき、ありがとうございます！お客様の製品体験を可能な限りスムーズにするため、さまざまなサポートを提供いたします。異なる好みやニーズに対応するため、複数のコミュニケーションチャンネルをご用意しています。

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