ESP-01 這塊極其迷你的 ESP8266 開發板，曾經風靡一時，因為它讓 Arduino Uno 這類簡單的開發板突然多了能連上網路的能力。事實上，這種使用外部 WiFi 晶片的架構仍沿用在許多產品中，例如 Arduino MKR 1010 和 Nano 33 IoT，或是設計給 Arduino 的 ESP 擴充板。
ESP-01（以及記憶體加大的 ESP-01S）出廠時會安裝安可信（Espressif）的 AT 韌體，這韌體讓外部裝置能以序列埠指令（或 AT 指令）來控制此模組的行為，如連上 WiFi、傳送資料等等。
但問題就在於，ESP-01 模組的接線和供電有點麻煩，想燒錄新韌體就更麻煩了。此外，若想在電腦上用終端機監看 ESP-01 的回應訊息，不僅得買個 USB 轉 TTL 模組，接線複雜度也會進一步增加。對初學者而言，光是對硬體除錯可能就把耐心磨光了。
相較之下，直接使用正規 ESP8266 開發板（如 NodeMCU 或 WeMos D1 mini）來做 IoT 專案不僅夠便宜，也有 Arduino C++ 或 MicroPython 語言可選。可是回過頭來，BBC micro:bit 這類板子還是很麻煩，因為它非得倚賴外部 WiFi 晶片不可 — — 若不是外接一個 ESP-01，就是去購買某些廠商推出的 ESP-01 擴充板。
筆者以前曾針對 BBC micro:bit 和 ESP-01 模組寫過一些 IoT 應用，近來發現越來越多人詢問，但對於對方遇到的軟硬體問題總是愛莫能助。ESP-01 用起來就是麻煩，軟硬體會出錯的地方多得是，若沒有實際監看其序列埠回應，大概也很難判斷問題究竟在哪。
有鑑於此，筆者在這系列文章提出一個新解法──使用全尺寸、已經內建有 USB 介面晶片的 ESP8266 開發板來燒錄 AT 韌體，並把它當成其他開發板的外部 WiFi 晶片。這麼做有以下好處：
- 現在 ESP8266 開發板容易取得且仍相對便宜；
- 接線和供電只要 1 至 2 條 USB 線和 3 條杜邦線；
- 如果 ESP8266 的 USB 線接在電腦上的話，還可順便監看 ESP8266 AT 韌體的回應。
只要安裝好 AT 韌體，這塊板子也能重複使用。當然由於 AT 指令內容相當多，這邊就只會講最簡單的基礎。
讓我們開始吧。
註：當然囉，本篇的方法只適用於 Windows 環境。
購買 ESP8266 開發板
首先，你需要一塊 NodeMCU 或 D1 mini，或者其他 ESP8266 開發板。不管造型怎樣，功能都是一樣的。
最容易購買和使用的是 NodeMCU，這又分成 V2 和 V3 兩種：
V2 和 V3 的差異只在尺寸和 USB 晶片不同而已（前者使用方形的 CP2102，後者則是長方形的 CH340）。有些 V2 或 V3 在網路上的價格僅有台幣百元出頭，這不會比 ESP-01S 貴上多少，而且又已經焊有針腳，買來就立即可用。
至於 WeMos 的 D1 mini 以及 D1 mini Pro 是因尺寸小所以頗受歡迎的產品（其實你能買到的說不定還是仿製版，但功能沒有差異），缺點是你得自己焊接針腳：
或者你可買像這樣做成 Arduino Uno 造型的 WeMos D1／D1 R2（同樣的這也有仿製版存在）：
本篇則不討論 ESP-32 開發板，這是 ESP-8266 的升級版，規格上有明顯差異，價格也貴得多。
安裝 USB 驅動程式
取決你的 ESP8266 使用哪種 USB 晶片，你得在 Windows 上安裝 CP2102 或 CH340 的驅動程式，這樣電腦才能跟板子溝通：
- CP2102：https://cn.silabs.com/products/development-tools/software/usb-to-uart-bridge-vcp-drivers
- CH340：http://www.wch.cn/download/ch341ser_exe.html
下載 AT 韌體及燒錄
你買來的開發板上可能已經裝有某個版本的 AT 韌體，但現在我們要把最新版的燒錄上去。這個辦法適用於已經燒錄過其他程式語言（如 C++ 或 MicroPython）的 ESP8266。筆者目前測試過 NodeMCU V2 和 WeMos D1 mini 都是可行的。
首先，下載下面這兩樣東西：
- 最新的 ESP8266_NONOS_SDK：https://github.com/espressif/ESP8266_NONOS_SDK/releases。本篇以 3.0.4 為例。解壓後丟到電腦內某處。
- 安可信的 Flash Download Tools：https://www.espressif.com/en/support/download/other-tools。本篇以 v3.8.5 為例。同樣解壓後丟到電腦內。
執行 Flash Download Tools 資料夾中的 flash_download_tool_3.8.5.exe，點選 Developer mode 然後選 ESP8266。這樣就會帶出下面的燒錄畫面。
設定燒錄選項與檔案
在燒錄畫面中，你得做如下的設定：
首先你要指定需寫入的檔案及位址：（所有檔案在 ESP8266_NONOS_SDK-3.0.4 底下）
- \bin\boot_v1.7.bin → 0x000000
- \bin\at\1024+1024\user1.2048.new.5.bin → 0x01000
- \bin\esp_init_data_default_v08.bin → 0x1FC000
- \bin\blank.bin → 0x7E000
- \bin\blank.bin → 0x1FB000
- \bin\blank.bin → 0x1FE000
此外是其餘設定：
- SPI SPEED -> 40MHz
- SPI MODE -> QIO
- FLASH SIZE -> 16Mbit（但 16Mbit-C1 似乎也可以）
- COM -> 板子所在的 COM port
- BAUD -> 115200（有時接上板子會跳到 1152000，記得改掉）
按下 START 就能啟動燒錄了。耐心等它跑完。
以上參數其實在 AT 指令集文件內也有寫。如果是 ESP-01，要改選 8Mbit 以及 512+512\user1.2048.new.5.bin。
測試 AT 韌體回應
燒錄完成後，我們可以用終端機軟體來測試 AT 韌體是否正常運作。
安裝 Tera Term（https://osdn.net/projects/ttssh2/releases/），並確保板子仍接在電腦上。執行 Tera Term 後選擇板子所在的 COM port（若選單沒出現，點「文件」→「建立新連線」）：
點「確定」就能連線。按一下板子的 RST 或 RESET 鈕重開它，你可能會看到畫面中跑一些垃圾訊息出來，最後一行可能是 Ready：
點選單的「設定」→「終端機」，調整設定如下：
接著到「設定」→「連接埠」，將位元速率（baud rate）調為 115200：
現在，在畫面中用鍵盤輸入 AT 然後按 Enter，你應該會看到下面的字出現：
AATTOK
看到這樣的結果就代表 AT 韌體正在運作，且能回應。
之所以看到 AT 的字有重複，是因為 AT 韌體會將我們輸入的東西重傳一次回來，屬於正常現象。關閉這個功能的指令如下：
ATE0接著來試些東西。我們可以輸入
AT+GMR來檢查韌體版本：
AT version:1.7.4.0(May 11 2020 19:13:04)
SDK version:3.0.4(9532ceb)
compile time:May 27 2020 10:12:22
Bin version(Wroom 02):1.7.4
OK如何？很不錯吧。若是在 ESP-01 上，韌體版本會比這舊多了（可能源自 2013 或 2014 年）。
再來試另一個指令。首先輸入
AT+CWMODE=1這會讓板子進入 WiFi station 模式。然後
AT+CWLAP這會顯示出附近所有的 WiFi 熱點名稱、位址和強度等資訊：
+CWLAP:(3,"FLAG-N007-B",-67,"d8:b0:4c:f2:21:64",1,-24,0,3,3,7,0)
+CWLAP:(3,"FLAG-N007-60",-73,"d8:b0:4c:f2:22:50",1,-74,0,3,3,7,0)
+CWLAP:(0,"FLAG-N007-99",-56,"d8:b0:4c:f2:22:80",1,-14,0,0,0,7,0)
+CWLAP:(0,"FLAG-XXXX",-80,"be:dd:c2:82:43:8f",1,-7,0,0,0,3,0)
+CWLAP:(4,"MicroPython-4e73b8",-82,"52:02:91:4e:73:b8",1,-9,0,5,3,3,0)
+CWLAP:(4,"MicroPython-6c81c2",-86,"be:dd:c2:6c:81:c2",1,8,0,5,3,3,0)
+CWLAP:(4,"AAM-B",-85,"e4:6f:13:2f:73:74",1,-29,0,5,3,7,1)
+CWLAP:(4,"MicroPython-205064",-84,"2e:f4:32:20:50:64",5,-7,0,5,3,3,0)
+CWLAP:(3,"flaginfo",-79,"cc:5d:4e:45:07:10",1,-37,0,4,4,7,0)
+CWLAP:(3,"FLAG",-41,"e8:26:89:bb:2a:64",6,5,0,4,4,7,0)
+CWLAP:(4,"CHT_I040GW1",-68,"1c:49:7b:9b:61:50",7,-26,0,5,3,7,0)
+CWLAP:(0,"CSD_Employee",-91,"24:de:c6:86:1b:90",1,0,0,0,0,7,0)
+CWLAP:(0,"CSD_Guest",-91,"24:de:c6:86:1b:91",1,0,0,0,0,7,0)
+CWLAP:(3,"TN-ASUS-AP01",-93,"54:a0:50:e1:f7:84",9,-32,0,4,4,7,1)
+CWLAP:(3,"",-66,"00:0e:8e:b9:70:56",10,-39,0,4,4,3,0)
+CWLAP:(4,"oh4648",-76,"c8:5b:a0:3f:7b:57",11,-16,0,4,4,7,0)
+CWLAP:(0,"BUFFALO-E0E204-1",-73,"10:6f:3f:e0:e2:04",11,-32,0,0,0,7,1)
+CWLAP:(3,"FLAG-N007-test",-75,"d8:b0:4c:e0:74:ac",11,5,0,4,4,7,0)
+CWLAP:(0,"FlagPub",-73,"10:6f:3f:e0:e2:06",11,-32,0,0,0,7,0)
+CWLAP:(3,"DSL-7740C",-82,"ac:f1:df:01:1f:7f",11,1,0,4,4,7,0)
+CWLAP:(0,"Tainan-user",-83,"1c:3a:60:24:81:d8",11,-6,0,0,0,7,0)
+CWLAP:(3,"Tainan-guest",-85,"1c:3a:60:64:81:d8",11,-6,0,4,4,7,0)最後將板子重設，好清除上述設定：
AT+RESTORE讓開發板以序列埠對 ESP8266 傳送 AT 訊息
只要你懂 AT 指令，你可以直接在終端機軟體內控制 ESP8266 連上網路、發送 HTTP 請求等。可想而知，若把這個過程寫在程式中、由開發板透過序列埠傳給 ESP8266，就能做到相同的結果了。對於 micro:bit 這類天生缺乏網路功能的板子來說，這無疑是一大福音。
那麼，燒錄好的 ESP8266 板子要如何跟其他開發板連接呢？
有趣的地方就在這裡：現在 ESP8266 板子除了會透過 USB 交換 AT 訊息，也會透過其 Tx／Rx 腳位做一樣的事。也就是說，你能將其 Tx 和 Rx 腳位接到其他開發板，同時透過 ESP8266 的 USB 頭來供電／讀取序列埠資料。你總共只需要 2 條 USB 線和 3 條杜邦線。
以 Uno 簡單測試序列埠 AT 訊息交換
在本篇，我們先用 Arduino Uno 做個示範，畢竟 Uno 可以在硬體序列埠外建立軟體序列埠，我們能藉此「透過」Uno 傳 AT 指令給 ESP8266，並看到後者傳回的回應。
下面來連接 Uno 和 ESP8266，兩塊板子各自用 USB 線供電（電腦的 USB 槽電力是夠的）：
- GND → GND
- Tx → 12
- Rx → 11
#include <SoftwareSerial.h>SoftwareSerial softSerial(11, 12); // 軟體序列埠 (Rx, Tx)void setup() {
Serial.begin(115200);
softSerial.begin(115200);
}void loop() {
if (Serial.available()) { // 將序列埠輸入的字串傳給軟體序列埠
softSerial.write(Serial.read());
}
if (softSerial.available()) { // 將軟體序列埠輸入的字串傳給序列埠
Serial.write(softSerial.read());
}
}
在 Arduino IDE 中燒錄以上程式，這會使 Uno 變成一個序列埠「橋梁」 — — 你在序列埠監控視窗裡（記得 baud rate 要設為 115200）輸入 AT 指令，就會被 Uno 傳給 ESP8266，然後其回應會透過 Uno 傳回。不過，若是要在程式中送出 AT 指令，結尾必須記得加上換行符號（\r\n 或 \u000d\u000a）就是，不然 AT 韌體不會回應。
當然，這個程式寫得很簡單，而基於 Uno 的序列埠緩衝區大小限制，你會發現有不少資料遺失，讀到的 AT 回應不完整。某方面而言這是可以改善的，比如不斷把回應讀進字串、在某個時候再放出來。但這裡就暫時不討論了。
使用 ESP8266 上傳資料到 ThingSpeak 物聯網網站
第二個範例是將 BBC micro:bit 接上 ESP8266，這其實也是筆者過去以 ESP-01 做過的應用。為了簡化起見，在此我們完全忽略 ESP8266 的 AT 回應，畢竟傳送資料到 ThinkSpeak，只需要用 HTTP GET 送出一個網址就行了。
這裡我們不介紹如何申請 ThinkSpeak 帳號並設定一個「頻道」──網路上應能找到許多教學文。
在此 micro:bit 會改用 P15/P16 腳位來傳送 UART 訊息。由於 micro:bit 是雙晶片架構，所以它不需要透過序列埠燒錄程式，但改變 UART 腳位後電腦就收不到 UART 訊息了。因此，你得監看 ESP8266 本身的序列埠才能知道程式跑到哪裡。
當然，ESP8266 在使用 WiFi 時，尖峰耗電量可能達 300–400 mA。所以有時對 ESP8266 獨立供電可能是更好的主意。
下面我們以 micro:bit 版的 MicroPython 為例，你可以使用官方線上編輯器或 Mu editor。一開始記得先用編輯器燒錄一個空程式進去，這樣板子上才會有 Python 直譯器。
我們需要使用的 AT 指令如下：
- AT+RESTORE（恢復預設設定）
- AT+CWMODE=1（設為 STA 或 station 模式）
- AT+RST（重置）
- AT+CWJAP=”wifi名稱”,”wifi密碼”（連上 WiFi）
- AT+CIPSTART=”TCP”,”server路徑”,80（連上伺服器）
- AT+CIPSEND=要傳送的字串長度(含換行字元)
（然後緊接著傳送該字串，也就是 HTTP GET 請求）
SSID = 'xxxxx' # WiFi 名稱
PWD = 'ooooo' # WiFi 密碼
API_KEY = '你的API_KEY' # ThinkSpeak api key
URL = 'api.thingspeak.com' # 伺服器位址
REQUEST = '/update?api_key={}&field1={}' # 在伺服器要 GET 的網址
# 匯入所需模組
from microbit import uart, sleep, pin15, pin16, display# 重新指定 UART 腳位為 P15, P16
uart.init(baudrate=115200, tx=pin15, rx=pin16)
# 用來傳 AT 指令的 function (包含傳送後的等待時間)
def sendAT(cmd, delay=100):
uart.write(str(cmd) + '\r\n')
sleep(delay)sendAT('AT+RESTORE', 1000) # 恢復預設設定
sendAT('AT+CWMODE=1') # 設為 station 模式
sendAT('AT+RST', 1000) # 重置# 連到 WiFi (建議等久一點)
sendAT('AT+CWJAP=\"{}\",\"{}\"'.format(SSID, PWD), 12000)
while True:
# 連到伺服器
sendAT('AT+CIPSTART=\"TCP\",\"{}\",80'.format(URL), 1000)
# 產生要送出的 GET 字串 (包含亮度感測值)
sendStr = 'GET ' + REQUEST.format(API_KEY, display.read_light_level())
# 先指定要傳送的字數 (含 \r\n)
sendAT('AT+CIPSEND={}'.format(len(sendStr) + 2))
# 傳送 GET 字串
sendAT(sendStr, 0)
# 等待下次傳送
sleep(9000)
WiFi 連線資料會被記錄在 ESP8266 上，再次通電時就會自動連上那個 WiFi。當然程式每次執行時還是會強制重設 + 重置 ESP8266 就是。
既然沒有讀取 AT 回應，有些指令就必須加上合適的延遲了。比如，有時使用 AT+CWJAP 連上 WiFi 的時間會格外的長，若來不及在時限內連上，後面的指令就會錯到底。所以若你遇到問題，可以試著將延遲時間加多一點。
你可以把 ESP8266 接在電腦上，這麼一來你就可以用 Tera Term 讀它的 AT 回應：
AT+CWJAP="xxxxx","ooooo"
WIFI CONNECTED
WIFI GOT IPOK
AT+CIPSTART="TCP","api.thingspeak.com",80
CONNECTOK
AT+CIPSEND=48OK
>
Recv 48 bytesSEND OK+IPD,2:11CLOSED
你能看到 ThinkSpeak 上確實收到資料並顯示出來。
結語
本篇簡介了如何在正規 ESP8266 開發板上燒錄最新的 AT firmware，並用它當成其他開發板的 WiFi 晶片。儘管這樣做比不上直接使用 ESP8266 做 IoT 開發，但這樣能給某些無 WiFi 能力的板子朝網路延伸的機會。此外，這樣在供電與接線上，也比使用較舊的 ESP-01 模組容易許多。
當然，如果你想做到更複雜的網路控制，就必須研讀安可信的 AT 指令集。此外，接收資料的難度會更高，因為一不小心就可能錯過回應訊息（如 HTTP GET 的整個傳回結果）。所以，單純傳送資料到外部網站仍是比較容易做的應用。
另一個小問題是 ESP8266 的連線位址必須拆開成伺服器和後續的網域，這使得像是 IFTTT 的 Webhook 服務是沒法以這種方式呼叫的（我想大概是要 GET 整句才能正確轉換 DNS）。因此 ThinkSpeak 大概仍是這類板子上傳感測器資料時最好的對象吧。
