معرفی دو برد SparkFun ESP32-P4؛ ترکیب پردازنده RISC-V با Wi-Fi 6 و تغذیه PoE برای پروژه‌های IoT

شرکت SparkFun Electronics دو برد توسعه جدید از خانواده IoT RedBoard را معرفی کرده است که بر پایه تراشه ESP32-P4 شرکت Espressif ساخته شده‌اند. این بردها از پردازنده دو‌هسته‌ای RISC-V با فرکانس حداکثر ۴۰۰ مگاهرتز بهره می‌برند و در دو نسخه با ارتباط بی‌سیم Wi-Fi 6 و ارتباط سیمی Ethernet همراه با قابلیت Power over Ethernet عرضه شده‌اند.

نکته جالب این محصولات، ترکیب توان پردازشی ESP32-P4 با امکاناتی مانند اتصال دوربین، نمایشگر، حافظه خارجی و رابط‌های ارتباطی متنوع در ابعادی نزدیک به Arduino UNO است.

این ویژگی‌ها باعث می‌شوند بردهای جدید SparkFun تنها برای پروژه‌های ساده اینترنت اشیا طراحی نشده باشند؛ بلکه بتوان از آن‌ها در توسعه رابط‌های کاربری صنعتی، تجهیزات پردازش تصویر، دستگاه‌های هوشمند و سامانه‌های پردازش در لبه شبکه نیز استفاده کرد.

آشنایی با بردهای جدید SparkFun IoT RedBoard

SparkFun دو مدل از این خانواده را ارائه کرده است:

• مدل اول: IoT RedBoard ESP32-P4 & ESP32-C5 (WiFi/BLE): این نسخه علاوه بر پردازنده اصلی ESP32-P4، از ماژول ESP32-C5 برای ارتباطات بی‌سیم استفاده می‌کند و از Wi-Fi 6، بلوتوث کم‌مصرف، Zigbee و Thread پشتیبانی می‌کند.
• مدل دوم: IoT RedBoard ESP32-P4 (PoE): این مدل برای ارتباطات سیمی طراحی شده و از اترنت ۱۰/۱۰۰ مگابیت بر ثانیه همراه با امکان تأمین برق از طریق کابل شبکه پشتیبانی می‌کند.

هر دو مدل از نظر پردازنده اصلی، امکانات چندرسانه‌ای و بسیاری از رابط‌های جانبی مشترک هستند؛ اما برای نیازهای ارتباطی متفاوتی طراحی شده‌اند.

پردازنده ESP32-P4؛ مهم‌ترین بخش سخت‌افزار

پردازنده اصلی این بردها ESP32-P4NRW32X، از نسخه‌های جدیدتر خانواده ESP32-P4 است.

این تراشه از معماری RISC-V استفاده می‌کند و دارای دو بخش پردازشی اصلی است:

• دو هسته پردازشی پرقدرت (HP): با فرکانس حداکثر ۴۰۰ مگاهرتز
• یک هسته کم‌مصرف (LP): با فرکانس حداکثر ۴۰ مگاهرتز

هسته‌های HP برای اجرای وظایف اصلی مانند پردازش داده، مدیریت رابط کاربری و عملیات محاسباتی استفاده می‌شوند. هسته LP نیز برای وظایفی مناسب است که به توان پردازشی کمتری نیاز دارند و می‌توانند در شرایط کم‌مصرف اجرا شوند. این معماری امکان تقسیم وظایف میان بخش پردازشی اصلی و بخش کم‌مصرف را فراهم می‌کند.

تفاوت ESP32-P4 با ESP32های متداول چیست؟

بسیاری از بردهای شناخته‌شده ESP32 به دلیل داشتن Wi-Fi و Bluetooth داخلی محبوب شده‌اند. اما ESP32-P4 برخلاف بسیاری از اعضای خانواده ESP32، رادیوی Wi-Fi یا Bluetooth داخلی ندارد.

تمرکز اصلی این تراشه بر توان پردازشی بیشتر، رابط‌های پرسرعت و امکانات چندرسانه‌ای است. به همین دلیل، در نسخه بی‌سیم RedBoard از تراشه ESP32-C5 به‌عنوان پردازنده ارتباطات رادیویی استفاده شده است. این ترکیب یک نمونه کاربردی از تفکیک وظایف در طراحی سیستم‌های امبدد محسوب می‌شود: ESP32-P4 وظایف پردازشی اصلی را انجام می‌دهد و ESP32-C5 ارتباطات بی‌سیم را مدیریت می‌کند.

مشخصات فنی بردهای جدید

ویژگی	مشخصات
پردازنده اصلی	ESP32-P4NRW32X
معماری	RISC-V، ۳۲ بیتی
هسته‌های پرقدرت	دو هسته تا ۴۰۰ مگاهرتز
هسته کم‌مصرف	یک هسته تا ۴۰ مگاهرتز
حافظه داخلی پرقدرت	۷۶۸ کیلوبایت L2MEM
حافظه داخلی کم‌مصرف	۳۲ کیلوبایت SRAM
حافظه PSRAM	۳۲ مگابایت
حافظه Flash روی برد	۱۶ مگابایت
درگاه کارت حافظه	microSD
اتصال دوربین	MIPI CSI
اتصال نمایشگر	MIPI DSI
درگاه USB	دو USB-C با وظایف متفاوت
رابط توسعه	Qwiic و هدرهای سازگار با فرم Arduino UNO R3
ارتباط بی‌سیم	Wi-Fi 6، Bluetooth LE، Zigbee و Thread در مدل ESP32-C5
ارتباط سیمی	Ethernet 10/100 Mbps در مدل PoE
تغذیه باتری	پشتیبانی از باتری LiPo همراه با شارژ و پایش باتری

چرا ۳۲ مگابایت PSRAM اهمیت دارد؟

یکی از ویژگی‌های مهم بردهای جدید، وجود ۳۲ مگابایت PSRAM است. در بسیاری از میکروکنترلرها، مقدار حافظه RAM محدود است. این محدودیت هنگام اجرای برنامه‌هایی که با تصویر، صوت یا رابط‌های گرافیکی کار می‌کنند، بیشتر احساس می‌شود. برای مثال، فرض کنید قرار است یک تصویر با وضوح ۸۰۰ در ۴۸۰ پیکسل و عمق رنگ ۱۶ بیت در حافظه نگهداری شود.

حجم تقریبی حافظه موردنیاز برای یک فریم خام برابر است با:

یعنی حدود ۷۵۰ کیبی‌بایت برای یک فریم. اگر برنامه برای نمایش روان‌تر به دو بافر تصویر نیاز داشته باشد، مقدار حافظه موردنیاز افزایش پیدا می‌کند. وجود PSRAM خارجی به توسعه‌دهنده اجازه می‌دهد بافرهای بزرگ‌تری برای تصاویر، داده‌های صوتی یا سایر اطلاعات موقت در اختیار داشته باشد.

البته PSRAM جایگزین کامل SRAM داخلی نیست. سرعت دسترسی، تأخیر و رفتار حافظه در این دو نوع متفاوت است و باید هنگام طراحی نرم‌افزار در نظر گرفته شود.

امکانات پردازش تصویر و رابط کاربری

یکی از تفاوت‌های مهم ESP32-P4 با بسیاری از میکروکنترلرهای عمومی، امکانات اختصاصی آن برای پردازش تصویر و رابط‌های گرافیکی است. این تراشه از شتاب‌دهنده پردازش دوبعدی تصویر (Pixel Processing Accelerator یا PPA) و امکانات کدگذاری و کدگشایی چندرسانه‌ای پشتیبانی می‌کند.

بردهای SparkFun نیز رابط‌های MIPI را برای اتصال تجهیزات خارجی در دسترس قرار داده‌اند.

رابط MIPI CSI

این رابط برای اتصال دوربین‌های سازگار استفاده می‌شود. در یک پروژه عملی می‌توان دوربین را به برد متصل کرد و داده‌های تصویری را برای پردازش، نمایش یا ارسال به سامانه دیگر دریافت کرد.

رابط MIPI DSI

این رابط برای اتصال نمایشگرهای سازگار کاربرد دارد. برای مثال، می‌توان از آن در طراحی یک پنل کنترلی دارای صفحه‌نمایش رنگی استفاده کرد.

شتاب‌دهنده پردازش تصویر

شتاب‌دهنده PPA می‌تواند بخشی از عملیات گرافیکی را بدون اجرای مستقیم تمام محاسبات توسط هسته‌های CPU انجام دهد. این قابلیت برای طراحی رابط‌های گرافیکی و پردازش‌های دوبعدی مفید است. همچنین امکانات سخت‌افزاری مرتبط با JPEG و H.264 می‌توانند در پروژه‌های چندرسانه‌ای به کار گرفته شوند؛ البته پشتیبانی عملی از هر قابلیت به نرم‌افزار و پیکربندی سیستم وابسته است.

مدل بی‌سیم؛ ترکیب ESP32-P4 و ESP32-C5

در مدل بی‌سیم، SparkFun از ماژول ESP32-C5-WROOM-1 استفاده کرده است. این ماژول امکان ارتباط از طریق چند فناوری را فراهم می‌کند:

• Wi-Fi 6 در باندهای ۲٫۴ و ۵ گیگاهرتز: برای اتصال به شبکه‌های بی‌سیم و انتقال داده.
• Bluetooth Low Energy: برای ارتباط با حسگرها، گوشی‌های هوشمند و تجهیزات کم‌مصرف.
• Zigbee: برای ایجاد شبکه‌های بی‌سیم میان تجهیزات خانه هوشمند و سامانه‌های کنترلی.
• Thread: برای ارتباط شبکه‌ای کم‌مصرف مبتنی بر IPv6 که در بسیاری از تجهیزات خانه هوشمند کاربرد دارد.

وجود این فناوری‌ها در یک برد، امکان بررسی روش‌های مختلف ارتباطی را برای توسعه‌دهندگان فراهم می‌کند. برای مثال، یک دستگاه هوشمند می‌تواند از Wi-Fi برای ارتباط با شبکه محلی و از Bluetooth LE برای راه‌اندازی اولیه یا ارتباط با گوشی استفاده کند.

البته پشتیبانی سخت‌افزاری از Zigbee و Thread به معنی آماده بودن تمام قابلیت‌های نرم‌افزاری آن‌ها در هر فریمور نیست. برای استفاده از این پروتکل‌ها باید پشتیبانی SDK و پشته نرم‌افزاری بررسی شود.

مدل PoE؛ ارتباط شبکه و تغذیه از یک کابل

نسخه دوم این خانواده به‌جای ارتباط بی‌سیم، بر اترنت و قابلیت Power over Ethernet تمرکز دارد. PoE فناوری‌ای است که امکان انتقال داده و تأمین توان الکتریکی از طریق زیرساخت کابل شبکه را فراهم می‌کند.

در این حالت، برای تجهیزاتی که در محل نصب به پریز برق جداگانه دسترسی ندارند، می‌توان از یک سوئیچ PoE یا منبع تغذیه سازگار استفاده کرد.

برد SparkFun ESP32-P4 PoE دارای رابط Ethernet با سرعت ۱۰/۱۰۰ مگابیت بر ثانیه و مدار تغذیه PoE است. مدار تغذیه این برد، خروجی ۵ ولت با جریان نامی ۱٫۸ آمپر فراهم می‌کند. توان نامی متناظر با این خروجی برابر است با:

این مقدار توان نامی خروجی رگولاتور است و نباید آن را با توان مصرفی ثابت برد یا توان قابل‌استفاده برای تمام تجهیزات جانبی اشتباه گرفت.

PoE در چه پروژه‌هایی کاربرد دارد؟

این ویژگی برای تجهیزاتی مناسب است که به ارتباط شبکه‌ای پایدار نیاز دارند و معمولاً در یک محل ثابت نصب می‌شوند؛ مانند:

• پنل‌های کنترلی صنعتی
• کنترلرهای ساختمان هوشمند
• تجهیزات ثبت و پایش داده
• رابط‌های کاربری متصل به شبکه
• گره‌های صنعتی و تجهیزات IoT سیمی

مزیت اصلی PoE در چنین کاربردهایی، کاهش کابل‌کشی جداگانه برق و شبکه است.

با این حال، استفاده از PoE به معنی حذف تمام ملاحظات طراحی تغذیه نیست. توان مصرفی نمایشگر، دوربین و تجهیزات متصل باید با ظرفیت مدار تغذیه برد سازگار باشد.

سازگاری با Arduino UNO چه معنایی دارد؟

یکی از ویژگی‌های جالب این بردها، استفاده از فرم فیزیکی و هدرهای سازگار با Arduino UNO R3 است. این موضوع باعث می‌شود بتوان از برخی شیلدها و تجهیزات جانبی سازگار با این فرم استفاده کرد. اما باید به یک تفاوت مهم توجه کرد:

سازگاری فیزیکی هدرها الزاماً به معنی سازگاری کامل الکتریکی و نرم‌افزاری نیست.

برای مثال، پیش از اتصال یک شیلد قدیمی Arduino UNO باید سطح ولتاژ پایه‌ها، جریان مجاز GPIO و نوع رابط ارتباطی آن بررسی شود. همچنین ممکن است یک کتابخانه Arduino که برای میکروکنترلرهای AVR نوشته شده است، بدون تغییر روی ESP32-P4 اجرا نشود. بنابراین این فرم‌فاکتور می‌تواند توسعه سخت‌افزار را ساده‌تر کند، اما جایگزین بررسی دیتاشیت و مستندات نمی‌شود.

• برنامه‌نویسی با MicroPython، ESP-IDF و Arduino: در SparkFun برای توسعه نرم‌افزار این بردها چند مسیر در نظر گرفته است.
• MicroPython: بردها با فریمور MicroPython از پیش نصب‌شده عرضه می‌شوند. این ویژگی امکان شروع سریع برنامه‌نویسی با زبان Python را فراهم می‌کند و برای آزمایش اولیه سخت‌افزار، نمونه‌سازی و پروژه‌های آموزشی مناسب است.
• ESP-IDF: فریم‌ورک رسمی Espressif یعنی ESP-IDF گزینه مناسب‌تری برای توسعه‌دهندگانی است که به کنترل دقیق‌تر سخت‌افزار، مدیریت وظایف، تنظیمات ارتباطی و قابلیت‌های پیشرفته تراشه نیاز دارند. ESP-IDF برای توسعه پروژه‌های حرفه‌ای مبتنی بر ESP32 کاربرد گسترده‌ای دارد.
• Arduino IDE: این بردها قابلیت استفاده در محیط Arduino را نیز دارند، اما یک محدودیت مهم وجود دارد. طبق مستندات SparkFun، نسخه اصلی Arduino ESP32 Core 3.3.12 هنوز پشتیبانی کامل از مدل بی‌سیم دارای ESP32-C5 را فراهم نمی‌کند.

SparkFun برای این موضوع یک Patch منتشر کرده است که توسعه‌دهندگان می‌توانند آن را نصب کنند. بنابراین پیش از انتخاب محیط برنامه‌نویسی، بهتر است وضعیت پشتیبانی از مدل دقیق برد و امکانات موردنیاز بررسی شود.

چه پروژه‌هایی می‌توان با این بردهای ESP32-P4 ساخت؟

ترکیب پردازنده نسبتاً قدرتمند، حافظه PSRAM، رابط دوربین و نمایشگر و ارتباطات شبکه‌ای باعث شده این خانواده برای چند گروه از پروژه‌ها مناسب باشد.

• پنل کنترل صنعتی (Industrial HMI): می‌توان نمایشگری به برد متصل کرد و اطلاعاتی مانند وضعیت دستگاه، دما، سرعت موتور و هشدارها را روی یک رابط گرافیکی نمایش داد. در مدل PoE، انتقال داده و تأمین برق از طریق کابل شبکه می‌تواند نصب چنین پنلی را ساده‌تر کند.
• تجهیزات پردازش تصویر در لبه شبکه: وجود رابط دوربین و امکانات پردازش تصویر امکان توسعه سامانه‌هایی را فراهم می‌کند که بخشی از پردازش داده را در خود دستگاه انجام می‌دهند. برای مثال، می‌توان از این برد برای نمونه‌سازی یک سیستم ثبت تصویر و تشخیص رویدادهای ساده استفاده کرد. البته اجرای مدل‌های سنگین بینایی ماشین به منابع پردازشی بیشتری نیاز دارد و باید محدودیت‌های تراشه بررسی شود.
• دروازه IoT یا IoT Gateway: در نسخه بی‌سیم، وجود چند فناوری ارتباطی امکان طراحی یک دروازه برای تبادل اطلاعات میان تجهیزات مختلف را فراهم می‌کند. برای مثال، داده‌های یک شبکه Thread می‌توانند توسط نرم‌افزار مناسب دریافت و به سامانه دیگری منتقل شوند.
• این کاربرد به پشتیبانی نرم‌افزاری پروتکل‌ها و طراحی صحیح معماری ارتباطی وابسته است.
• تجهیزات خانه هوشمند: پشتیبانی از Wi-Fi، Bluetooth LE، Zigbee و Thread امکان توسعه کنترلرها و تجهیزات هوشمند را فراهم می‌کند. در چنین پروژه‌هایی، ESP32-P4 می‌تواند رابط کاربری و پردازش اصلی را بر عهده بگیرد و ESP32-C5 ارتباطات رادیویی را مدیریت کند.
• تجهیزات آموزشی پیشرفته: این بردها می‌توانند برای آموزش مفاهیمی مانند معماری RISC-V، برنامه‌نویسی امبدد، مدیریت حافظه، ارتباطات شبکه‌ای و طراحی رابط گرافیکی استفاده شوند. وجود پشتیبانی از MicroPython و ESP-IDF نیز امکان شروع از مثال‌های ساده و حرکت به سمت پروژه‌های پیچیده‌تر را فراهم می‌کند.

مقایسه دو نسخه SparkFun IoT RedBoard

ویژگی	نسخه WiFi/BLE	نسخه PoE
پردازنده اصلی	ESP32-P4	ESP32-P4
ارتباط شبکه	بی‌سیم	سیمی
Wi-Fi 6	دارد، از طریق ESP32-C5	ندارد
Bluetooth LE	دارد	ندارد
Zigbee و Thread	پشتیبانی سخت‌افزاری دارد	ندارد
Ethernet	ندارد	10/100 Mbps
تغذیه از کابل شبکه	ندارد	دارد
رابط دوربین و نمایشگر	دارد	دارد
حافظه PSRAM	۳۲ مگابایت	۳۲ مگابایت
قیمت اعلام‌شده در فروشگاه SparkFun	۴۹٫۹۵ دلار	۵۵٫۹۵ دلار

قیمت‌ها مربوط به زمان بررسی خبر هستند و ممکن است تغییر کنند.

آیا ESP32-P4 برای هوش مصنوعی مناسب است؟

ESP32-P4 دارای توسعه‌های دستورالعملی برای برخی عملیات پردازشی و قابلیت‌های سخت‌افزاری مرتبط با تصویر است. این امکانات می‌توانند به اجرای بعضی الگوریتم‌های پردازش داده و مدل‌های سبک کمک کنند. اما باید توجه داشت که وجود دستورالعمل‌های مرتبط با AI به معنی داشتن یک NPU مستقل نیست.

NPU یک واحد پردازشی اختصاصی برای شتاب‌دهی عملیات شبکه‌های عصبی است. درحالی‌که توسعه‌های دستورالعملی پردازنده، اجرای بعضی محاسبات را روی CPU بهینه می‌کنند. بنابراین انتخاب ESP32-P4 برای یک پروژه Edge AI باید بر اساس اندازه مدل، نیاز حافظه، زمان استنتاج و پشتیبانی نرم‌افزاری انجام شود. این تراشه برای همه پروژه‌های هوش مصنوعی جایگزین پردازنده‌های مجهز به NPU نخواهد بود.

محدودیت‌ها و نکات مهم پیش از استفاده

با وجود امکانات متنوع، چند نکته در انتخاب این بردها اهمیت دارد.

• نبود ارتباط بی‌سیم داخلی در ESP32-P4: ارتباطات رادیویی مدل WiFi/BLE توسط ESP32-C5 انجام می‌شود و باید این موضوع در طراحی نرم‌افزار در نظر گرفته شود.
• تفاوت مدل‌ها: نسخه PoE به‌صورت پیش‌فرض امکانات Wi-Fi و Bluetooth مدل دیگر را ندارد.
• سازگاری نرم‌افزاری: برای استفاده از بعضی امکانات ارتباطی در Arduino ممکن است به نصب Patch یا استفاده از ESP-IDF نیاز باشد.
• مصرف انرژی: وجود هسته کم‌مصرف به معنی مناسب بودن کل برد برای تمام کاربردهای باتری‌خور و فوق‌کم‌مصرف نیست. مصرف نمایشگر، ارتباطات و سایر قطعات نیز اهمیت دارد.
• سازگاری شیلدها: پیش از اتصال شیلدهای Arduino باید سازگاری الکتریکی و نرم‌افزاری آن‌ها بررسی شود.
• پردازش هوش مصنوعی: توان پردازشی برد باید با پیچیدگی مدل موردنظر متناسب باشد و نباید از آن انتظار عملکرد یک شتاب‌دهنده AI قدرتمند را داشت.

جمع‌بندی

معرفی دو برد IoT RedBoard مبتنی بر ESP32-P4 نشان می‌دهد که بردهای توسعه اینترنت اشیا در حال حرکت به سمت کاربردهایی فراتر از دریافت داده حسگر و ارسال آن از طریق شبکه هستند. در این محصولات، امکانات پردازش تصویر، رابط‌های گرافیکی، حافظه بیشتر و ارتباطات متنوع در کنار معماری RISC-V قرار گرفته‌اند.

مدل مجهز به ESP32-C5 برای پروژه‌هایی مناسب‌تر است که به ارتباطات بی‌سیم چندپروتکلی نیاز دارند؛ درحالی‌که مدل PoE می‌تواند برای تجهیزات ثابت، پنل‌های صنعتی و سامانه‌هایی که ارتباط شبکه‌ای سیمی و تغذیه متمرکز می‌خواهند، گزینه کاربردی‌تری باشد. برای توسعه‌دهندگان سیستم‌های امبدد، نکته آموزشی این خبر تنها معرفی دو برد جدید نیست؛ بلکه مشاهده یک معماری سخت‌افزاری است که در آن وظایف پردازشی، ارتباطات شبکه‌ای و مدیریت توان در بخش‌های مشخصی از سیستم تقسیم شده‌اند.

منابع

1. خبر معرفی بردهای SparkFun ESP32-P4 در CNX Software – ۹ نوامبر ۲۰۲۶
2. صفحه رسمی SparkFun IoT RedBoard ESP32-P4 و ESP32-C5
3. صفحه رسمی SparkFun IoT RedBoard ESP32-P4 PoE
4. راهنمای فنی و مستندات سخت‌افزاری SparkFun
5. راهنمای نصب و پشتیبانی نرم‌افزاری