ESP32-S3-CAM N16R8: a placa de câmara que a ESP32-CAM devia ter sido

A clássica ESP32-CAM da AI-Thinker pôs uma câmara com Wi‑Fi ao alcance de quase toda a gente e, pelo caminho, ensinou paciência a toda uma geração de makers. Não tem porta USB: cada gravação do firmware exige um adaptador USB–UART externo e um jumper no GPIO0. Dos seus 16 pinos, os que ficam livres contam-se pelos dedos, e o LED do flash pisca sempre que o programa escreve no cartão de memória.

A placa deste artigo é a mesma ideia, mas finalmente bem resolvida. Traz um ESP32-S3 com 16 MB de Flash e 8 MB de PSRAM, uma câmara OV5640 de 5 MP, uma ranhura microSD, dois conectores USB‑C e os 36 GPIO do módulo, todos disponíveis nas filas de pinos. Há apenas um senão: com a câmara e o cartão de memória a trabalhar, os pinos realmente livres ficam reduzidos a seis. A seguir, um mapa detalhado da placa: o que está ligado a quê, que conector serve para quê, que pinos se podem ocupar e como configurar o Arduino IDE para que a câmara não se transforme num quebra-cabeças.

De que placa se fala exatamente

Nas lojas, esta placa aparece com vários nomes: ESP32-S3-CAM, ESP32-S3 WROOM CAM, ESP32-S3 CAM Development Board. Na própria placa lê-se apenas um modesto ESP32-S3 WROOM, e na blindagem metálica do módulo, ESP32-S3-N16R8. É precisamente essa marcação que revela a característica principal: N16 significa 16 MB de Flash e R8, 8 MB de PSRAM. O módulo propriamente dito é um ESP32-S3-WROOM-1 com antena impressa na placa.

O desenho copia o da placa Freenove ESP32-S3-WROOM CAM: o mesmo lugar para a câmara, os mesmos pinos, dois botões e dois USB‑C. A Freenove fornece a sua placa com uma câmara OV2640 de 2 MP, ao passo que o exemplar deste artigo traz uma OV5640 de 5 MP, como mostra a inscrição no cabo flexível. Placas destas saem de várias fábricas, e o módulo da câmara e a ponte USB–UART podem mudar de lote para lote. Antes de procurar um controlador ou o exemplo de outra pessoa, vale a pena ver a marcação do exemplar que se tem na mão.

Características técnicas

Um pouco de aritmética. Um fotograma de 5 MP em formato RGB565 ocupa 2592 × 1944 × 2 = 10 077 696 bytes, ou seja, cerca de 9,6 MiB. É mais do que a totalidade dos 8 MB de PSRAM, pelo que a resolução completa só está disponível em JPEG, comprimido pelo próprio sensor. Um fotograma UXGA de 1600 × 1200 no mesmo RGB565 ocupa cerca de 3,7 MiB e já cabe. Na prática, a câmara trabalha quase sempre em JPEG: assim gasta menos memória e as imagens são mais fáceis de enviar por Wi‑Fi.

Dois USB‑C: que conector serve para quê

Na frente, os conectores não estão identificados: as inscrições USB-UART e USB-OTG estão no verso. Daí a clássica armadilha do espelho: ao virar a placa com a frente para cima, a inscrição da esquerda fica por baixo do conector da direita. Vista do lado da câmara, com a antena para cima, a placa fica assim:

A porta que recebe a saída de Serial é decidida pela opção USB CDC On Boot do Arduino IDE. Na posição Disabled, Serial é a UART0 e as mensagens saem pelo conector direito. Na posição Enabled, Serial passa para o USB nativo, ou seja, para o esquerdo. Se o monitor série ficar mudo, a primeira coisa a verificar é precisamente esta opção, e também o conector onde o cabo está ligado. Por predefinição, as mensagens do bootloader da ROM saem pelas duas portas.

O conector esquerdo tem ainda uma vantagem menos óbvia. O controlador USB-Serial-JTAG incorporado no ESP32-S3 permite depurar o programa com pontos de interrupção sem adaptador externo e sem gastar um único pino extra. Aqui isso é especialmente valioso, porque nesta placa os pinos predefinidos do JTAG externo (GPIO39–42) estão parcialmente ocupados pelo cartão de memória.

As filas de pinos: cada pino em detalhe

A orientação das tabelas é com os componentes virados para cima, a antena no topo e os conectores USB em baixo. Os números da serigrafia levam símbolos: os pinos sublinhados estão ocupados pela câmara, o til assinala os pinos do microSD e o asterisco os da PSRAM. A legenda destes símbolos está impressa no verso.

Fila esquerda, de cima para baixo

Fila direita, de cima para baixo

Os pinos 35–37 estão acessíveis na fila, mas não se podem usar: nos módulos com Octal PSRAM estão ligados internamente à memória, e qualquer sinal externo neles perturba o funcionamento desta.

36 GPIO, e quantos são realmente seus

Juntando tudo, o quadro obriga a pôr os pés na terra:

Em suma, com a câmara e o cartão de memória a funcionar, ficam livres sem restrições seis pinos: GPIO1, 14, 21, 41, 42 e 47. Para um sensor I²C, um par de botões e um relé, chega; para uma coleção extensa de periféricos, já não. É possível reconquistar mais um par de pinos abdicando de uma das vias USB: se a placa trabalhar apenas pelo conector direito, ficam livres o GPIO19 e o GPIO20. Se trabalhar apenas pelo esquerdo, vale a pena experimentar o GPIO43 e o GPIO44, sem esquecer que continuam ligados à ponte USB–UART.

Com as entradas analógicas, a coisa é mais delicada. No ESP32-S3, o ADC1 corresponde aos GPIO1–10 e o ADC2 aos GPIO11–20. A câmara fica com quase todos os pinos do ADC1, por isso, com a câmara ativa, a única entrada analógica sem conflitos é o GPIO1. O GPIO2 e o GPIO3 também pertencem ao ADC1, mas o primeiro tem um LED ligado e o segundo é um pino de strapping. O GPIO14 pertence ao ADC2, e o ADC2 partilha recursos com o Wi‑Fi: enquanto o rádio trabalha, a leitura pode atrasar-se ou terminar com erro. Para sensores num projeto com Wi‑Fi, deve escolher-se o ADC1. As entradas táteis Touch1–Touch14 estão nos GPIO1–14, mas, entre eles, só o GPIO1 e o GPIO14 estão livres sem restrições.

E quatro regras sobre os pinos de strapping que poupam um serão:

1. O GPIO0 é o botão BOOT. Se estiver a nível baixo durante a reposição, o chip entra em modo de gravação em vez de executar o programa. O circuito externo não deve puxar o GPIO0 para a massa durante o arranque.
2. O GPIO46 está, por predefinição, puxado para a massa e escolhe o modo de arranque juntamente com o GPIO0. A combinação «nível baixo no GPIO0, nível alto no GPIO46» durante a reposição não é permitida.
3. O GPIO45 define a tensão de alimentação da memória: nível baixo durante a reposição dá 3,3 V, nível alto dá 1,8 V. A Flash e a PSRAM deste módulo funcionam a 3,3 V, por isso um nível alto no GPIO45 durante a reposição não é permitido. Por predefinição, o pino está puxado para a massa, e é assim que deve ficar.
4. O GPIO3 escolhe a origem dos sinais JTAG, mas só se o bit correspondente do eFuse tiver sido queimado; num módulo com as definições de fábrica, o seu nível é ignorado. Mesmo assim, a Espressif inclui-o entre os pinos de strapping, por isso é melhor não o escolher logo para o primeiro botão que se ligue.

A câmara: OV5640 e o mapa de pinos certo

A câmara está ligada por um barramento paralelo DVP: oito linhas de dados, três de sincronização, o relógio XCLK e um par de linhas SCCB para configurar o sensor, num total de 14 GPIO. Os pinos PWDN e RESET não estão ligados na placa, e na configuração indica-se -1 para eles.

A principal armadilha é um mapa de pinos alheio. Os exemplos mais populares que circulam na internet foram escritos para a AI-Thinker ESP32-CAM, e os números de GPIO dessa placa, num ESP32-S3, apontam, entre outros, para os pinos 26–32, que no S3 estão reservados à memória interna, e para os números 22–25, que o S3 nem sequer tem. Em contrapartida, as ligações desta placa coincidem ponto por ponto com as da Espressif ESP32-S3-EYE, para a qual o Arduino já tem tudo descrito.

No exemplo CameraWebServer (File → Examples → ESP32 → Camera), o modelo escolhe-se no ficheiro board_config.h. Por predefinição, está ativo o CAMERA_MODEL_ESP_EYE, que corresponde a outra placa, baseada no ESP32 antigo. É preciso comentar essa linha e descomentar CAMERA_MODEL_ESP32S3_EYE. Em camera_pins.h, os pinos deste modelo são os seguintes, exatamente como na nossa placa:

#define PWDN_GPIO_NUM  -1
#define RESET_GPIO_NUM -1
#define XCLK_GPIO_NUM  15
#define SIOD_GPIO_NUM  4
#define SIOC_GPIO_NUM  5

#define Y2_GPIO_NUM 11
#define Y3_GPIO_NUM 9
#define Y4_GPIO_NUM 8
#define Y5_GPIO_NUM 10
#define Y6_GPIO_NUM 12
#define Y7_GPIO_NUM 18
#define Y8_GPIO_NUM 17
#define Y9_GPIO_NUM 16

#define VSYNC_GPIO_NUM 6
#define HREF_GPIO_NUM  7
#define PCLK_GPIO_NUM  13

Para este modelo, o próprio exemplo inverte a imagem na vertical com uma chamada a set_vflip. Se a imagem sair de pernas para o ar, basta alternar o V-Flip na interface web; é lá também que se aumenta a resolução, porque a transmissão arranca em QVGA. Já a falta de PSRAM, o exemplo contorna-a em silêncio: se psramFound() devolver false, o tamanho do fotograma fica limitado a SVGA e o buffer passa para a memória interna. A câmara continua a funcionar, mas muito longe de todo o seu potencial.

Se a transmissão ficar a preto

A OV5640 tem nesta placa um percalço conhecido. Donos destas placas relataram que o exemplo inicializa a câmara sem erros e que uma OV2640 funciona na mesma placa, mas a OV5640 devolve um fotograma preto. A julgar pelos seus relatos, ajuda mudar a frequência do relógio XCLK: em vez dos 20 MHz predefinidos, usam 24 MHz ou 12 MHz. Em setup() muda-se uma única linha, xclk_freq_hz; os restantes campos mostram com que definições costuma ser combinada:

camera_config_t config;
// ... pins as in camera_pins.h ...
config.xclk_freq_hz = 24000000;   // 20 MHz gave black frames on some OV5640 boards; 12 MHz is the other reported fix
config.pixel_format = PIXFORMAT_JPEG;
config.frame_size   = FRAMESIZE_UXGA;
config.jpeg_quality = 10;
config.fb_location  = CAMERA_FB_IN_PSRAM;
config.fb_count     = 2;
config.grab_mode    = CAMERA_GRAB_LATEST;

Se não resultar, convém verificar se o cabo flexível está inserido até ao fim no conector e com a patilha de fixação fechada, e também se a placa não está a aquecer demasiado: nas mesmas discussões, aconselha-se não a deixar com a câmara a trabalhar dentro de uma caixa fechada sem ventilação. A resolução completa do sensor, FRAMESIZE_5MP, com 2592 × 1944, só está disponível em JPEG.

Definições do Arduino IDE

A placa não precisa de um pacote próprio: serve o perfil padrão ESP32S3 Dev Module do arduino-esp32. O essencial é indicar corretamente a memória, porque disso depende que o programa veja ou não a PSRAM.

Se a gravação deixar de funcionar (por exemplo, porque o programa reconfigurou o USB nativo ou entrou num ciclo de reinícios), a solução é entrar manualmente no bootloader: manter BOOT premido, carregar brevemente em EN, largar BOOT e repetir o carregamento. Para o conector direito, o computador pode precisar do controlador da ponte USB–UART. Na placa original da Freenove é um CH343, e nos clones aparecem também outros chips, por isso o melhor é guiar-se pelo que o gestor de dispositivos mostra. O conector esquerdo é reconhecido pelos sistemas atuais como porta série, sem controlador à parte.

microSD, LED e botões

A ranhura microSD está ligada por SDMMC em modo de 1 bit: CMD no GPIO38, CLK no GPIO39, D0 no GPIO40. É mais lento do que o modo de 4 bits, mas poupa três pinos. Duas das três linhas coincidem com os pinos predefinidos do JTAG externo (MTCK e MTDO), por isso o cartão e um depurador externo atrapalham-se mutuamente; com o cartão, é mais cómodo depurar pelo conector USB esquerdo.

Há cinco LED. O ON indica a alimentação, o TX e o RX piscam quando há troca de dados pela ponte USB–UART, o IO2 é um LED de utilizador no GPIO2 e o 48 é um LED RGB endereçável, compatível com WS2812, no GPIO48. No perfil ESP32S3 Dev Module, as macros LED_BUILTIN e RGB_BUILTIN apontam precisamente para este último, pelo que o Blink padrão acende o LED RGB a branco. A cor define-se com a função rgbLedWrite(), e a antiga neopixelWrite() foi declarada obsoleta.

O botão EN reinicia o módulo; o BOOT está ligado ao GPIO0 e serve para entrar manualmente no bootloader. Depois de o programa arrancar, o BOOT pode ser lido como um botão normal. Um autoteste rápido da placa consiste em montar o cartão e indicar o resultado com uma cor:

#include "SD_MMC.h"

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // One-bit SDMMC: CLK, CMD, D0
  SD_MMC.setPins(39, 38, 40);

  if (SD_MMC.begin("/sdcard", true)) {
    Serial.printf("microSD: %llu MB\n", SD_MMC.cardSize() / (1024 * 1024));
    rgbLedWrite(RGB_BUILTIN, 0, 32, 0);   // green: card mounted
  } else {
    Serial.println("microSD: mount failed");
    rgbLedWrite(RGB_BUILTIN, 32, 0, 0);   // red: no card
  }
}

void loop() {}

Alimentação e aquecimento

A placa alimenta-se por qualquer um dos USB‑C ou pelo pino 5V. O pino 3V3 é a saída do regulador da placa e pode alimentar sensores de 3,3 V de baixo consumo. Os GPIO trabalham apenas com níveis de 3,3 V: um sinal de 5 V numa entrada pode danificar o módulo, cuja tensão de alimentação máxima absoluta é de 3,6 V.

A câmara, o envio de dados por Wi‑Fi e a escrita no cartão provocam picos de corrente. A folha de características do módulo exige da fonte de alimentação pelo menos 0,5 A, e uma porta USB fraca ou um cabo comprido e fino ficam facilmente aquém desse requisito. Os sintomas são fáceis de reconhecer: a placa reinicia no momento em que a transmissão arranca, e no registo aparece uma mensagem do detetor de subtensão, o brownout. Resolve-se com um cabo curto de boa qualidade e uma fonte de alimentação de 5 V decente.

O segundo limite é menos óbvio: a temperatura. Os módulos com Octal PSRAM, incluindo o N16R8, estão especificados para uma temperatura ambiente até 65 °C, ao passo que as variantes sem PSRAM vão até 85 °C. A Espressif ressalva que, com a correção de erros da PSRAM (ECC) ativada, o limite sobe para 85 °C, à custa de 1/16 da capacidade da memória. A câmara e o rádio aquecem a placa continuamente, por isso, numa caixa fechada ao sol, essa margem esgota-se depressa; é melhor prever orifícios de ventilação desde o início.

O que construir com ela: três cenários elucidativos

1. Uma câmara para a impressora 3D

Acompanhar à distância como vai a impressão e, já agora, fazer um timelapse é o cenário mais natural para uma placa destas. O projeto Prusa-Firmware-ESP32-Cam, um firmware que liga a câmara ao serviço Prusa Connect, tem uma descrição específica para a placa Freenove ESP32-S3-WROOM. Os módulos testados nesse projeto são OV2640, por isso a compatibilidade com a OV5640 terá de ser verificada por conta própria, mas a disposição da placa é a mesma.

2. Um registador de timelapse com cartão próprio

A ranhura microSD transforma a placa num registador autónomo: acordar por temporizador, tirar uma fotografia JPEG, guardá-la no cartão e voltar a adormecer. É assim que se filma o crescimento das plantas, as obras vistas da janela ou um processo demorado na oficina. A placa, porém, não está otimizada para funcionar a bateria: o LED ON está sempre aceso e o pino PWDN da câmara não está ligado, pelo que não é possível cortar a alimentação ao sensor por hardware; resta apenas o modo de espera por software, através do SCCB. A corrente em suspensão será nitidamente mais alta do que a do módulo sozinho; para um timelapse ligado à rede elétrica isso não importa, mas para um alimentado a bateria faz muita diferença.

3. Câmara web USB e visão no próprio dispositivo

O USB nativo permite ao ESP32-S3 apresentar-se ao computador como câmara web. O esp-iot-solution da Espressif inclui o exemplo usb_webcam: a placa torna-se um dispositivo UVC e transmite MJPEG, e a lista de modos do exemplo inclui 1280 × 720 a 15 fotogramas por segundo. Por predefinição, o exemplo é compilado para a ESP32-S3-EYE, ou seja, para o mesmo mapa de pinos desta placa. A segunda via é processar os fotogramas no próprio dispositivo: a framework ESP-WHO da Espressif é orientada para o ESP32-S3 e consegue, por exemplo, detetar rostos sem depender da nuvem.

Pontos fortes e fracos

Conclusão

A ESP32-S3-CAM N16R8 é uma ESP32-CAM curada de quase todas as doenças de infância: um USB como deve ser, memória de sobra, câmara de 5 MP substituível e uma marcação honesta dos pinos ocupados na própria placa. Para uma câmara de oficina, um timelapse, vigiar uma impressora 3D ou fazer experiências com visão artificial, é uma base muito cómoda.

O preço dessa comodidade é ter tudo muito apertado. A câmara e o cartão de memória comem quase todos os pinos, a PSRAM tem de ser ativada corretamente e a OV5640 pode obrigar a afinar a frequência. Antes da primeira gravação, vale a pena percorrer uma pequena lista:

1. Perfil ESP32S3 Dev Module: Flash de 16 MB, QIO 80MHz, PSRAM em OPI PSRAM.
2. Mapa de pinos: CAMERA_MODEL_ESP32S3_EYE, e não o da AI-Thinker.
3. Buffers de imagem na PSRAM, formato JPEG.
4. microSD em SDMMC de 1 bit nos GPIO38, 39 e 40.
5. O cabo no conector que corresponde à opção USB CDC On Boot.
6. Pinos novos: primeiro os da lista GPIO1, 14, 21, 41, 42 e 47.
7. GPIO0, 3, 45 e 46 sem circuitos externos que alterem o seu nível durante a reposição.