مسافت WiFi بردهای esp بررسی پروتکلهای ESP-Mesh و ESP-Now
بردهای ESP خصوصیات بسیار منحصر به فردی دارند. به عبارتی هر آنچه درباره این بردها و خانواده ESP صحبت کنیم، باز هم کم است. همانطور که میدانید مهمترین مشخصه بردهای ESP ارتباط وای فای عمومی است. وای فای عمومی به معنی ارتباط وایرلسی که تمامی دستگاههای دیجیتالی تحت عنوان WiFi دارند. برای اتصال موبایل به مودم بایستی وای فای موبایل را روشن کنید. عملکردی که از تراشههای ESP به عنوان ویژگی بارز یاد میشود، دقیقا همین حالت است. ارتباط وای فای، اما برخی سوالی برایشان پیش میآید که برد مسافتی ارتباط وای فای در تراشههای ESP چقدر است. در این پست راجع به مسافت متراژ برد WiFi خانواده ESP تبادل نظر میکنیم. همچنین اگر این مطلب برای شما ارزشمند بود و به اطلاعاتتان اضافه کرد، آنرا با دیگران به اشتراک بگذارید تا دانش فنی مدیرها و کاربران فارسی زبان در این حوزه و IoT رشد پیدا کند.
بردهای ESP و معرفی چند مدل از آن
تراشه ESP8266 یک خانواده از تراشههای میکروکنترلر است که توسط شرکت Espressif Systems توسعه داده شده است. این تراشهها بر اساس معماری System-on-Chip (SoC) طراحی شدهاند و دارای پردازنده 32 بیتی با سرعت 80 مگاهرتز هستند. هر یک از مدلهای ESP8266 دارای ویژگیها و قابلیتهای خاص خود هستند. در ادامه 14 مدل شناخته شده از تراشه ESP8266 را بررسی میکنیم.
- برد ESP8266-01: مدل اولین ورژن تراشه ESP8266 است. دارای 8 پایه GPIO است و فضای حافظه محدودی دارد.
- برد ESP8266-01S: نسخه بهبود یافته مدل ESP8266-01 است که از حافظه بیشتری برخوردار است.
- برد ESP8266-03: مدلی با ویژگیهای اضافی مانند قابلیت اتصال آنتن و قابلیت برنامهریزی از طریق پورت سریال است.
- برد ESP8266-04: مدلی با پکیج کوچکتر و پایههای GPIO محدودتر
- برد ESP8266-05: نسخه بهبود یافته مدل ESP8266-04 است که از حافظه بیشتری برخوردار است.
- برد ESP8266-07: مدلی با تعداد پایههای GPIO بیشتر و ویژگیهای اضافی مانند رابط SPI و I2C.
- برد ESP8266-08: نسخه بهبود یافته مدل ESP8266-07 است که از حافظه بیشتری برخوردار است.
- برد ESP8266-09: مدلی با حافظه فلش 1 مگابایت و پشتیبانی از رابط UART است.
- برد ESP8266-10: مدلی با ویژگیهای اضافی مانند حافظه فلش 2 مگابایت و قابلیت برنامهریزی از طریق پورت سریال.
- برد ESP8266-12: مدلی با تعداد پایههای GPIO بیشتر و حافظه فلش 4 مگابایت.
- برد ESP8266-12E: نسخه بهبود یافته مدل ESP8266-12 است که از حافظه بیشتری برخوردار است.
- برد ESP8266-12F: مدلی با ویژگیهای اضافی مانند حافظه فلش 4 مگابایت و رابط SPI.
- برد ESP8266-12S: نسخه بهبود یافته مدل ESP8266-12F است که از حافظه بیشتری برخوردار است.
- برد ESP8266EX: نسخه بهبود یافتهای از مدل اصلی ESP8266 است که از ویژگیها و امکانات بهتری برخوردار است.
هر یک از این مدلها دارای ویژگیها و قابلیتهای خاص خود است و در توسعه پروژههای مختلف میتوانند استفاده شوند.
شناخت روش کارکرد امواج وای فای WiFi و تبادل وایرلس
WiFi یا شبکه بی سیم (Wireless Fidelity)، یک فناوری ارتباطی بی سیم است که برای انتقال دادهها در محدودههای کوتاه تا متوسط استفاده میشود. این فناوری بر اساس استاندارد IEEE 802.11 عمل میکند و برای اتصال انواع دستگاهها به یک شبکه بی سیم و انتقال دادهها از طریق موجهای رادیویی استفاده میشود. فرآیند کارکرد WiFi به چند بخش مختلف تقسیم میشود. این موارد را در ادامه بررسی میکنیم.
1- ایجاد شبکه بی سیم: یک مودم یا روتر بی سیم به عنوان نقطه دسترسی (Access Point) عمل میکند و یک شبکه بی سیم را تشکیل میدهد. این مودم به یک منبع اینترنت متصل میشود و به عنوان مرکز ارتباطی برای دستگاههای دیگر در شبکه عمل میکند.
2- ارسال و دریافت داده: دستگاههایی که قصد اتصال به شبکه بی سیم را دارند (مانند موبایل، تبلت، کامپیوتر و ...) با استفاده از قابلیت WiFi خود، ارتباط با مودم بی سیم برقرار میکنند. در این فرآیند، دادهها از دستگاه فرستنده (مانند مودم) از طریق امواج رادیویی به دستگاه گیرنده (مانند موبایل) منتقل میشوند.
3- استفاده از باند فرکانسی: WiFi از باندهای فرکانسی مختلف مانند 2.4 گیگاهرتز و 5 گیگاهرتز استفاده میکند. این باندها برای انتقال امواج رادیویی به کار میروند و هر یک ویژگیها و محدودیتهای خاص خود را دارند.
4- استفاده از پروتکلهای مختلف: WiFi از پروتکلهای مختلفی برای مدیریت ارتباط و امنیت استفاده میکند. مثلا پروتکلهای WEP، WPA، WPA2 و WPA3 برای رمزنگاری اطلاعات و تأمین امنیت در انتقال دادهها به کار میروند.
در مجموع، WiFi از طریق ایجاد یک شبکه بی سیم و استفاده از امواج رادیویی، امکان ارتباط بی سیم بین دستگاهها را فراهم میکند و امکان انتقال دادهها و دسترسی به اینترنت را برای این دستگاهها فراهم میسازد.
مسافت تبادل اطلاعات در سیستمهای WiFi استاندارد
مسافت تبادل اطلاعات در سیستم WiFi متکی به عوامل متعددی است که شامل موارد زیر میشود. در حالت استاندارد با یک آنتن عمومی در رنج 2.4 گیگاهرتز در فضای یک خانه میتوانید بین 15 تا 30 متر تبادل داشته باشید. البته این متراژ به مواردی که در ادامه عنوان میشود بستگی دارد.
1- توان فرستنده (Transmitter Power): توان فرستنده (مانند مودم بی سیم) تأثیر مستقیمی بر مسافت انتقال داده دارد. هرچه توان فرستنده بیشتر باشد، مسافت تحت پوشش بیشتری را پوشش میدهد.
2- حساسیت گیرنده (Receiver Sensitivity): حساسیت گیرنده در دستگاه مقصد (مانند گوشی هوشمند یا کامپیوتر) نیز تأثیر دارد. هرچه حساسیت گیرنده بیشتر باشد، امکان دریافت سیگنالهای ضعیفتر در مسافتهای بیشتر را فراهم میکند.
3- محیط تداخلی (Interference): وجود موانع فیزیکی (مانند دیوارها، ساختمانها و ...)، دستگاههای بی سیم دیگر در نزدیکی، تجهیزات الکترونیکی و موارد مشابه میتواند باعث تداخل در سیگنال WiFi شود و مسافت تأثیرگذاری را کاهش دهد.
4- باند فرکانسی (Frequency Band): استفاده از باند فرکانسی مشخص (مانند 2.4 گیگاهرتز یا 5 گیگاهرتز) نیز تأثیر دارد. باند فرکانسی 2.4 گیگاهرتز به دلیل استفاده گستردهتر و پرتداومتر، ممکن است تداخل بیشتری داشته باشد اما مسافت تحت پوشش بیشتری را پوشش میدهد. باند فرکانسی 5 گیگاهرتز باعث تداخل کمتری است اما مسافت کمتری را پوشش میدهد.
به طور کلی، مسافت تبادل اطلاعات در شبکه WiFi در محدوده تعدادی صد متر تا چند صد متر قرار میگیرد. با افزایش توان فرستنده و حساسیت گیرنده، استفاده از آنتنهای قدرتمند و حذف موانع فیزیکی، مسافت تحت پوشش قابل افزایش است. همچنین، استفاده از تقویت کنندهها و آنتنهای خارجی میتواند برد WiFi را افزایش دهد.
مسافت WiFi در تراشههای ESP
برد مسافت WiFi در تراشههای ESP، تا حد زیادی به محیط و شرایط استفاده و تنظیمات سختافزاری و نرمافزاری مرتبط با تراشه بستگی دارد. تراشههای ESP با قدرت WiFi مناسبی مجهز شدهاند و قادر به پشتیبانی از استانداردهای IEEE 802.11 b/g/n هستند که امکان ارسال و دریافت دادهها بر روی شبکه بیسیم را فراهم میکنند. محدوده برد مسافت WiFi در تراشههای ESP میتواند تا چندین متر در فضای باز باشد. اما همانطور که پیشتر توضیح داده شد این مقدار به عواملی مانند محیط موجود، وجود موانع مانند دیوارها، ساختار ساختمانها، تداخل سیگنالها و قدرت آنتن مرتبط با تراشه بستگی دارد. همچنین، استفاده از آنتن خارجی قادر به افزایش برد مسافت WiFi در تراشههای ESP است. برای بهبود برد مسافت WiFi در تراشههای ESP، میتوان از روشهای زیر استفاده کرد. چهار راهکار برای افزایش مسافت وای فای تراشههای ESP را بررسی میکنیم.
- استفاده از آنتن خارجی: انتخاب آنتن با قدرت بالا و جهتدهی مناسب میتواند برد مسافت را بهبود بخشید.
- استفاده از تقویت کننده سیگنال: استفاده از تقویت کنندههای سیگنال میتواند قدرت و برد مسافت را افزایش دهد.
- تنظیمات نرمافزاری: با تنظیمات مربوط به توان انتقال و سرعت انتقال دادهها، میتوان برد مسافت را بهبود بخشید.
- کاهش تداخل: با کاهش تداخل سیگنالها در محیط، برد مسافت WiFi افزایش مییابد.
در هر صورت، برد مسافت WiFi تراشههای ESP میتواند تحت تأثیر عوامل متعددی قرار بگیرد و باید با توجه به شرایط خاص هر پروژه و محیط استفاده، اقدامات مناسب برای بهبود برد مسافت انجام شود. اما در مبحث IoT صرفا مسافت تبادل اطلاعات در بستر وای فای مطرح نیست. بلکه صحبت کردن دستگاهها با یکدیگر و عدم تداخل آنها اهمیت دارد. به عبارتی توسط بردهای ESP بدون وجود یک بستر وای فای مادر مانند اکسس پوینت، میتوان تبادل اطلاعات برقرار کرد. یک برد ESP با یک برد دیگر ESP یا با چندین برد ESP صحبت کند. در ادامه راجع به دو تکنولوژی ESP-Now و ESP-Mesh صحبت خواهیم کرد.
پروتکل ESP-Now تبادل سریع و همزمانی بین بردهای ESP
میکروکنترلرهای ESP8266 و ESP32 قادر به ارتباط مستقیم و سریع با یکدیگر از طریق پروتکل ESP-NOW هستند. ESP-NOW یک پروتکل ارتباطی بی سیم است که برای ارتباط مستقیم و سریع بین دستگاههای ESP8266 و ESP32 توسعه داده شده است. این پروتکل به طور خاص برای ارسال دادهها از یک دستگاه فرستنده به یک یا چند دستگاه گیرنده بدون نیاز به ایجاد شبکه WiFi تنظیم شده و از پروتکل MAC استفاده میکند. این پروتکل به دستگاه فرستنده اجازه میدهد دادهها را به صورت برادکست یا یک به یک به یک یا چندین دستگاه گیرنده ارسال کند، بدون اینکه نیاز به ایجاد شبکه WiFi کامل باشد. ESP-NOW به طور خاص برای ارسال دادههای سریع و در زمان واقعی بین دستگاههای ESP8266 و ESP32 مناسب است. با استفاده از این پروتکل، میتوان دادههای حسگرها، دستورات کنترلی، اطلاعات محیطی و دیگر اطلاعات مورد نیاز را بین دستگاهها منتقل کرد. مزیت اصلی استفاده از ESP-NOW این است که دادهها با سرعت بالا و با تاخیر کم ارسال میشوند. این قابلیت به ارتباط مستقیم بین دستگاهها و عدم نیاز به مسیریابی و شبکهبندی برای انتقال دادهها برمیگردد. این ویژگی از اهمیت ویژهای در برنامههایی مانند کنترل خانه هوشمند، اتوماسیون ساختمان، سیستمهای ردیابی و سایر نمونههای IoT که نیاز به ارتباط سریع و بدون تاخیر دارند، استفاده میشود.
مزیتهای ESP-NOW عبارتند از:
- سرعت ارسال بالا: ESP-NOW به دستگاههای مبتنی بر ESP8266 و ESP32 اجازه میدهد دادهها را با سرعت بالا ارسال کنند، که برای برخی از برنامههای IoT که نیاز به انتقال سریع داده دارند، بسیار مفید است.
- مصرف انرژی کم: ESP-NOW با استفاده از پروتکل MAC بهینهسازی شده برای انتقال داده، بهبودی در مصرف انرژی دارد و برای باتری محور برنامهها مناسب است.
- سادگی پیادهسازی: ESP-NOW به راحتی قابل پیادهسازی است و از لحاظ برنامه نویسی نیز ساده است.
ESP-NOW به عنوان یک پروتکل ساده و کمهزینه شناخته میشود و با استفاده از کتابخانه مربوطه در محیط برنامهنویسی میکروپایتون یا Arduino قابل استفاده است. این پروتکل از لایه فیزیکی و لایه لینک داده موجود در تراشههای ESP8266 و ESP32 بهره میبرد و با استفاده از تکنولوژیهای امواج رادیویی 2.4 گیگاهرتزی ارتباط بین دستگاهها را برقرار میکند. با استفاده از ESP-NOW، میتوانید در پروژههایی که نیاز به ارتباط مستقیم و سریع بین دستگاهها دارید، از توانایی ارسال دادهها با سرعت بالا و با تاخیر کم استفاده کنید.
چند سناریو کاربردی با پروتکل ESP-Now
ESP-NOW در پروژههایی که نیاز به ارتباط مستقیم و سریع بین دستگاهها دارند و به دنبال کاهش هزینهها و مصرف انرژی هستند، بسیار مناسب است. برخی از پروژههایی که میتوان از ESP-NOW در آنها استفاده کرد به شرح زیر است.
- سیستمهای کنترل دستگاههای خانگی: با استفاده از ESP-NOW میتوانید دستگاههای خانگی مختلف مانند روشنایی، تهویه مطبوع، سیستمهای امنیتی و غیره را کنترل کنید.
- سیستمهای اتوماسیون صنعتی: در پروژههایی مانند کنترل خطوط تولید، اتوماسیون ساختمانی، سیستمهای مانیتورینگ و کنترل پروسههای صنعتی، ESP-NOW میتواند ارتباط بین دستگاهها را فراهم کند.
- سیستمهای ردیابی: با استفاده از ESP-NOW میتوانید سیستمهای ردیابی مانند ردیابی خودروها، ابزارها، حیوانات و اشیاء قابل حمل را در یک محیط مشخص و محدود پیاده سازی کنید.
- سیستمهای سنسوری: ESP-NOW میتواند در سیستمهای مبتنی بر سنسورها مانند سیستمهای مانیتورینگ محیطی، سیستمهای کنترل دما و رطوبت و سیستمهای مانیتورینگ آب و هوا مورد استفاده قرار گیرد.
- پروژههای IoT محلی: در پروژههای IoT که نیاز به ارتباط مستقیم و محلی بین دستگاهها دارند، ESP-NOW میتواند به عنوان راهکاری ساده و کارآمد استفاده شود.
مزیت ESP-NOW در این پروژهها این است که به صورت مستقیم دادهها را از دستگاه مبدا به دستگاه مقصد ارسال میکند و نیازی به ارتباط با شبکه مرکزی یا روتر ندارد. همچنین، این پروتکل به دلیل استفاده از پروتکل MAC زیرلایه Wi-Fi، دارای عملکرد بالا و پایداری است.
پروتکل ESP-Mesh شبکه سازی با بردهای ESP
ESP-MESH یک پروتکل شبکهبندی مبتنی بر ESP8266 و ESP32 است که امکان ایجاد شبکههای مش پویا و پوشش وسیع را میدهد. با استفاده از ESP-MESH، میتوانید یک شبکه مش تشکیل داده و دستگاههای ESP8266 و ESP32 را به طور بیسیم و متصل به یکدیگر در شبکهای پویا و مقیاسپذیر کنترل کنید. شبکه مش به صورت یک گراف متصل شده است که هر گره از آن دارای قابلیت ارسال و دریافت داده است. در یک شبکه مش، دستگاهها میتوانند اطلاعات را به صورت مستقیم بین یکدیگر منتقل کنند و نیازی به مسیریابی از طریق یک نقطه دسترسی مرکزی (AP) ندارند. این ویژگی شبکه مش به شما اجازه میدهد تا شبکه را با توپولوژی مش بهبود دهید و پوشش را به طور خودکار و بدون نیاز به نقاط دسترسی بیشتر گسترش دهید.
ESP-MESH از الگوریتمهای مسیریابی پویا برای مدیریت ارسال و دریافت پیامها استفاده میکند و قابلیتهای مانند ردیابی و آمارگیری ترافیک را در شبکه فراهم میکند. همچنین، ESP-MESH امنیت بالایی را به وسیله رمزنگاری دادهها و تصحیح خطاها فراهم میکند. از کاربردهای ESP-MESH میتوان به کنترل خانه هوشمند، ردیابی محیطی، سیستمهای اتوماسیون ساختمانی و سیستمهای نورپردازی هوشمند اشاره کرد. با استفاده از ESP-MESH، میتوانید شبکههای بزرگ و پیچیده را براساس نیاز خود ایجاد و مدیریت کنید و به راحتی از قابلیتهای مبتنی بر مش استفاده کنید.
چند سناریو کاربردی با ESP-Mesh
ESP-MESH به عنوان یک شبکه مش برای دستگاههای ESP8266 و ESP32، در پروژههایی که نیاز به ارتباط و هماهنگی بین چندین دستگاه دارند، بسیار مناسب است. این پروتکل به صورت خودکار توانایی راهبری و انتقال داده را در شبکههای چندگانه فراهم میکند. برخی از پروژههایی که میتوان از ESP-MESH در آنها استفاده کرد به شرح زیر است.
- شبکههای نورپردازی هوشمند: با استفاده از ESP-MESH، میتوان چندین دستگاه نورپردازی را به یکدیگر متصل کرده و کنترل متنوعی بر روشنایی و رنگ آنها داشت. این شبکهها میتوانند در پروژههای نورپردازی معابر، فضای باز یا دکوراسیون داخلی استفاده شوند.
- شبکههای مانیتورینگ و کنترل محیطی: با استفاده از ESP-MESH، میتوان سنسورها و دستگاههای مانیتورینگ محیطی را به یکدیگر متصل کرده و اطلاعات محیطی مانند دما، رطوبت، فشار و غیره را جمعآوری و کنترل کرد. این شبکهها میتوانند در پروژههای مدیریت هوشمند ساختمان، کشاورزی هوشمند و سیستمهای محیطی مورد استفاده قرار گیرند.
- شبکههای پخش صوتی چندگانه: با استفاده از ESP-MESH، میتوان چندین دستگاه صوتی را به یک شبکه مش متصل کرده و صوت را به صورت همزمان در چندین نقطه پخش کرد. این شبکهها میتوانند در پروژههای سیستمهای صوتی چندگانه در مکانهای عمومی، تئاترها، کنسرتها و سیستمهای صوتی خانگی استفاده شوند.
- شبکههای اتوماسیون خانگی: با استفاده از ESP-MESH، میتوان اقلام مختلف خانگی را به یک شبکه مش متصل کرده و کنترل هوشمندی بر روی آنها داشت. مثلا میتوان گیرندههای راه دور، روشنایی، درهای خانه، سیستمهای اعلام حریق و سایر وسایل خانگی را با هم ترکیب کرده و کنترل کنندهی مرکزی برای آنها ایجاد کرد.
- شبکههای صنعتی: ESP-MESH میتواند در صنایع مختلف مانند کنترل سیستمهای صنعتی، مانیتورینگ فرآیندها، سیستمهای اتوماسیون و کنترل کیفیت مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از شبکههای مش میتوان اطلاعات را به صورت بیسیم بین دستگاهها منتقل کرده و ارتباطات بین دستگاههای مختلف را تسهیل کرد.
این مواد تنها چند نمونه از پروژههایی است که میتوان از ESP-MESH در آنها استفاده کرد. قابلیتهای وسیع ESP-MESH در ارتباط و هماهنگی بین دستگاهها، آن را به یک راه حل قابل اعتماد برای پروژههای اینترنت اشیا میکند.
تفاوت پروتکل ESP-Now و ESP-Mesh
ESP-MESH و ESP-NOW هر دو پروتکلهای ارتباطی برای تراشههای ESP8266 و ESP32 هستند، اما با هدفها و ویژگیهای متفاوتی عمل میکنند.
ESP-MESH
هدف: ESP-MESH برای ایجاد شبکههای مش مورد استفاده قرار میگیرد. این شبکهها شامل گرههای متصل به یکدیگر هستند که برای ارتباط و همکاری در انتقال دادهها و کنترل دستگاهها با یکدیگر همکاری میکنند. به عبارتی نوعی شبکه مبتنی بر مش تولید میشود.
ویژگیها: ESP-MESH امکاناتی مانند خودتشخیص گرهها، توانایی انتقال دادهها از طریق چندین گره مش و هماهنگی خودکار برای راهبری دادهها را فراهم میکند. این پروتکل امکان جمعآوری دادهها، کنترل و مدیریت دستگاههای متصل را در شبکههای مش فراهم میکند.
ESP-NOW
هدف: ESP-NOW برای ارتباط مستقیم و مستقیم بین دو دستگاه ESP8266 و ESP32 به کار میرود. این پروتکل امکان ارسال دادهها بدون نیاز به یک شبکه مش یا نقطه دسترسی (AP) را فراهم میکند.
ویژگیها: ESP-NOW توانایی ارسال و دریافت دادهها با سرعت بالا و به طور مستقیم بین دستگاههای ESP را داراست. این پروتکل برای ارتباط دستگاههایی که در محدوده نزدیک به یکدیگر هستند و نیاز به ارتباط مستقیم دارند، مفید است.
بنابراین، ESP-MESH برای ایجاد شبکههای مش چندگانه و هماهنگی بین گرهها، و ESP-NOW برای ارتباط مستقیم بین دو دستگاه ESP یا بیشتر از دو دستگاه استفاده میشود. هر یک از این پروتکلها ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند و بسته به نیازهای پروژه میتوانند انتخاب شوند. در آخر با توجه به نیازمندی که در پروژه دارید بایستی سناریو مناسبی پیاده سازی کرده و از تکنولوژیهای مربوطه استفاده کنید. تراشههای ESP همانطور که در چندین مطلب مختلف به آن اشاره کردیم، کاربردهای بسیار زیادی دارند. به عبارت دیگر کاربردهای تراشه خانواده ESP بسیار فراتر از ارتباط وای فای یا بلوتوث است. پروتکلهای ESP-Now و ESP-mesh در اکثر سناریوهای اینترنت اشیا نقش خواهند داشت. کافیست که با اطلاعات کامل به فاز اجرایی پروژهها قدم بگذارید.