Pengalaman menggunakan Modul WiFi NodeMcu ESP8266

Ceritanya saya mau membuat sebuah prototipe lampu yang bisa dikendalikan secara wireless menggunakan handphone atau laptop. Rencananya akan ada kurang lebih 10 titik/node lampu. Masing-masing node berjarak +/- 20 meter sehingga membentuk garis lurus sepanjang 200 meter. Antar node tidak ada line of sight karena ada halangan berupa logam. Teknologi wireless yang digunakan haruslah secure, setidaknya mendukung otentikasi password. Dan yang paling penting, saya ingin membentuk jaringan wireless tersebut dalam topologi mesh network, yaitu tiap node berfungsi sebagai repeater yang meneruskan data ke node tetangga terdekatnya. Kenapa tidak gunakan saja sebuah transmitter daya besar yang bisa mennjangkau hingga node terjauh (200 meter)? Tidak, karena ada batasan daya transmisi yang diizinkan regulasi, dan hampir pasti (belum menemukan referensi) jangkauan sejauh itu membutuhkan daya yang melebihi limit, atau membutuhkan izin khusus.

Beberapa solusi wireless saya coba bandingkan, yaitu Zigbee, Bluetooh Low Energy (BLE) dan Bluetooh. Dari segi jangkauan, Zigbee memang mumpuni. Tapi dari kunjungan ke toko-toko online saya dapati bahwa modul Zigbee sangat mahal dan tidak banyak tersedia. Sedangkan, modul BLE dan Bluetooth jauh lebih murah harganya dan lebih mudah didapatkan. Tapi kemampuan jangkauannya di ambang batas spesifikasi yang saya tentukan di awal. Beberapa sumber mengatakan jangkauan Bluetooth hanya 10 meter, sedangkan sumber lainnya menyebutkan jarak 20 m bukanlah masalah. Memang soal jangkauan sangat tergantung dari kondisi lingkungan, apakah banyak halangan atau tidak, apakah halangan nya berupa logam, tembok beton, dsb. Dan memang dalam datasheet modul wireless kita biasanya tidak menemukan pernyataan bahwa jangkauan nya adalah sekian meter *. Parameter terukur yang bisa didapatkan dalam datasheet di antaranya adalah daya transmisi dan sensitivitas receiver. Salah satu pilihan saya awalnya jatuh pada modul Bluetooth nRF51. Modul ini memiliki daya transmisi 4 dBm. Untuk mengetahui apakah modul tersebut bisa menjangkau 20 meter, saya putuskan untuk mencobanya. Namun sesaat sebelum saya memesan modul ini di toko online, saya sempat chatting dengan Bondan Suwandi. Singkat cerita dia menyarankan untuk menggunakan modul WiFi ESP8266.

Tidak perlu waktu lama untuk googling, ternyata modul ESP8266 ini begitu menawan dan langsung mengubah keputusan saya :). Kenapa? Karena modul WiFi ini ternyata lebih murah daripada Bluetooth. Selain itu daya transmisi nya bisa mencapai 20 dBm (kalau tidak salah ini batas maksimal yang diizinkan regulasi di Indonesia), bandingkan dengan modul Bluetooth nRF51 yang hanya 4 dBm. Di Youtube, ada yang pernah mencoba jarak jangkauan ESP8266 ini di area terbuka dengan adanya line of sight. Hasilnya mengejutkan, bisa mencapai 500-1000 meter. Karena modul WiFi beroperasi pada frekuensi UHF 2.4 Ghz, tentu saja jika dalam ruangan yang dibatasi tembok atau terlindung logam, jangkauan nya akan menurun jauh. Selain itu, saya mendapati bahwa komunitas pengguna ESP8266 ini cukup banyak dan akif. Dan ternyata ada yang sudah mengimplementasikan mesh network di ESP8266. Persis seperti yang saya inginkan. Saya coba rangkumkan fitur-fitur ESP8266 yang tertulis dalam datasheet nya di sini:

• Mendukung protocol WiFi IEEE 802.11 b/g/n, dengan otentikasi password WPA/WPA2
• Terintegrasi low power 32-bit MCU (Tensilica)
• Terintegrasi 10-bit ADC
• Terintegrasi TCP/IP protocol stack
• Terintegrasi TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network
• Terintegrasi PLL, regulators, and power management units
• SDIO 2.0, (H) SPI, UART, I2C, I2S, IR Remote Control, PWM, GPIO
• Deep sleep power <10uA, Power down leakage current < 5uA
• Konsumsi daya standby < 1.0mW
• Daya transmisi +20 dBm dalam mode 802.11b
• Mendukung mode Station (STA), Access Point (AP), dan STA+AP
• Tersertifikasi FCC, CE, TELEC, WiFi Alliance, dan SRRC

ESP8266 mendukung mode STA+AP, yaitu berfungsi sebagai Station dan Access Point sekaligus. Fitur ini memungkinkan ESP8266 diprogram membentuk mesh network. Sebuah node bisa berfungsi sebagai Station yang terkoneksi ke node Access Point, dan sekaligus berfungsi sebagai Access Point bagi node Station lainnya. Namun perlu diperhatikan bahwa mode STA dan AP menggunakan jalur hardware yang sama sehingga ada beberapa kasus yang bisa membuat koneksi menjadi putus, seperti yang dijelaskan di sini:

Kasus 1:

1. Station ESP8266 terkoneksi ke sebuah router (misalnya channel 6)
2. Kemudian setting parameter AP ESP8266 melalui fungsi wifi_softap_set_config(), misalnya set ke channel 3
3. Fungsi tersebut mungkin akan return true, tapi sebenarnya channel tetap di 6, karena hanya ada satu jalur hardware yang sudah diset di langkah 1

Kasus 2:

1. Setting channel AP ESP8266 x, misal channel 5, melalui fungsi wifi_softap_set_config()
2. Kemudian ada beberapa Station yang terkoneksi ke AP ESP8266 x tersebut
3. Kemudian Station ESP8266 x mencoba melakukan koneksi ke router yang memiliki channel yang berbeda (misal channel 6)
4. AP ESP8266 x harus mengubah channel nya menjadi sama dengan Station ESP8266 x, yaitu channel 6
5. Akibatnya station-station yang terkoneksi ke AP ESP8266 x pada langkah 2 akan disconnected karena telah terjadi perubahan channel

Kasus 3:

1. Beberapa station terkoneksi ke AP ESP8266 x
2. Jika kemudian Station ESP8266 x mencoba melakukan scanning channel untuk mencari router,  station-station yang terkoneksi pada langkah 1 mungkin akan disconnected. Sebabnya, Station ESP8266 x yang terus mengubah channel mengakibatkan channel AP ESP8266 x ikut berubah.

VARIAN MODUL DAN CARA PENGGUNAAN ESP8266

Ada banyak varian modul ESP8266 yang beredar saat ini, yaitu:

• Tanpa USB to serial converter: ESP01, ESP02, hingga ESP14 (lebih detail lihat di sini)
• Dengan USB to serial converter: NodeMCU, ESPToy

Sumber Gambar: sini.

Saya sudah mencoba ESP01 dan NodeMCU. Untuk memprogram ESP01 dari port USB kita perlu menambahkan USB to Serial converter. Kita bisa gunakan FTDI, CH340, atau board Arduino Uno. Tapi entah kenapa modul ESP-01 ini susah sekali diprogram, sering kali gagal nge-flash. Padahal saya sudah coba beberapa saran seperti menambahkan resistor pada pin-pin tertentu (lupa persisnya) dan menggunakan power supply external yang mampu supply arus hingga 1 ampere. Tetap saja, flashing-nya sering gagal. Adakah yang punya pengalaman yang sama? Bagaimana cara mengatasinya?

Modul NodeMCU merupakan modul ESP-12 yang sudah dilengkapi dengaan CH340 USB to Serial Converter. Pengalaman saya menggunakan modul NodeMcu berjalan mulus, tidak ada masalah dalam flashing. Ada beberapa cara untuk menggunakan ESP8266, yaitu:

1. Lua. Merupakan bahasa scripting yang kecil dan ringan untuk aplikasi embedded systems. Tentu saja untuk menggunakan Lua, ESP8266 harus diprogram firmware interpreter Lua. Panduannya bisa dilihat di sini. Metode ini cukup mudah digunakan.
2. AT command. Untuk menggunakan AT command, install firmware AT command seperti dalam tutorial ini. Metode ini juga mudah digunakan. Namun tidak semua kemampuan ESP8266 bisa dieksplor
3. C++ dengan Arduino IDE. Metode ini menggunakan Arduino IDE yang sudah cukup familiar bagi pegiat elektronika. Yang perlu dilakukan adalah mengunduh library ESP8266, seperti dalam panduan ini. Ada cukup banyak contoh-contoh aplikasi yang disertakan dalam library tersebut. Metode ini memiliki tingkat kesulitan lebih tinggi daripada AT command, tapi kita punya kebebasan untuk customize operasi dan fungsi ESP8266. Dan metode ini yang saya gunakan untuk membuat prototipe kendali lampu secara wireless dalam mesh network.
4. SDK ESP8266. Metode ini memiliki tingkat kesulitan paling tinggi, tapi kita punya kebebasan seluas-luasnya untuk memprogram ESP8266. Salah satu panduan untuk memulai menggunakan SDK ESP8266 bisa dilihat di sini.
5. PlatformIO. Ini juga menggunakan bahasa C dan library seperti pada Arduino IDE, namun dengan IDE (editor, code completion, library management) yang lebih baik. Saya sedang mencoba install tool ini.

MESH NETWORK

Awalnya saya coba implementasi mesh network menggunakan library easyMesh. Saya mulai dengan contoh program examples/demoToy. Program ini memasang easyMesh, webserver dan websocket dalam ESP8266 sedemikian hingga tiap node akan langsung gabung dalam mesh network yang terjangkau. Selain itu, websocket memungkinkan laptop atau HP kita sebagai Station yang terkoneksi ke AP ESP8266, dan melakukan komunikasi secara kontinyu.  Namun dari pengalaman saya koneksi ke AP ESP8266 tidak handal dan sering kali disconnect. Penyebabnya mungkin karena implementasi easyMesh yang secara rutin melakukan scanning mencari network, sehingga koneksi yang sudah ada menjadi terputus. Library easyMesh ini juga sudah cukup lama tidak ada update, terakhir update 25 Agustus 2016.

Kemudian saya menemukan library painlessMesh yang dibangun berdasarkan easyMesh, namun telah mengalami perbaikan-perbaikan. Jadi saya coba pakai library painlessMesh, webserver, dan websocket ke modul ESP8266. Hasilnya adalah seperti dalam video demo di bawah ini **. Sekedar informasi tidak penting, lampu yang saya gunakan tersebut adalah lampu depan motor saya yang sudah rusak salah satu filamen nya. Dalam sebuah lampu depan motor itu ternyata ada dua filamen, satu untuk menerangi jauh ke depan, dan satu lagi menerangi jarak dekat. Begitu juga dengan lampu belakang, satu filamen untuk lampu malam dan satu filamen lainnya untuk rem. Saya baru tahu ini waktu mengganti lampu motor saya :). Kembali ke video, rangkaian dalam demo ini sangat sederhana. Lampu tersebut di drive  menggunakan transistor NPN Darlington TIP122, dan diberi supply 12 volt. Output PWM dari pin D1 ESP8266 yang berfungsi mengatur tingkat kecerahan lampu dihubungkan seri dengan resistor 10 kOhm dan kaki basis TIP122. Modul NodeMcu tersebut digunakan secara standalone, yaitu berfungsi menghandle protokol WiFi dan sekaligus berinteraksi dengan dunia luar (dalam hal ini mengendalikan lampu) melalui pin input/output nya. Jadi kita tidak perlu menggunakan mikrokontroler tambahan.

Dari hasil observasi, dapat saya laporkan bahwa koneksi websocket antara laptop ke node ESP8266 kadang-kadang mengalami gangguan dan terputus. Masih perlu ditelusuri lagi apa penyebabnya. Sedangkan koneksi antar node terlihat lebih reliable, dengan sesekali mengalami disonnected. Namun tidak sesering saat menggunakan library easyMesh.

Dalam demo ini hanya digunakan dua buah node. Tugas ke depannya adalah mencoba menambahkan lebih banyak node lagi, dan mengevaluasi seberapa reliable koneksi nya dan  seberapa jauh jangkauan mesh network ini.

_______________________________

*: Tanggal 12 September 2017 lalu saya mengikuti seminar Microchip / Atmel. Di situ saya baru tahu tentang teknologi LoRa, yang memiliki ciri long range, low data rate, dan low energy. Teknologi LoRa mengklaim bisa menjangkau hingga jarak 15 km dengan adanya line of sight. Saya tidak  tahu seperti apa performa nya dalam lingkungan indoor.