ESP32のOTAアップデート：ArduinoOTAでコードを無線で書き込む

ESP32のOTA（Over-The-Air、無線アップデート）とは、USBケーブルをつながずに、Wi-Fi経由でボードに新しいコードを書き込むことです。天井に取り付けたセンサー、庭の水やりコントローラー、分電盤の中に収めたリレーボードを想像してください。小さな修正のたびにはしごを出し、ボードを取り外してパソコンにつなぐ代わりに、Arduino IDEやブラウザから数秒で新しいバージョンを送れます。ボードは新しいプログラムをバックグラウンドでメモリに書き込み、検証してから自分で再起動します。

このガイドでは、ESP32の内部でOTAがどう動くか、3つの方法（Arduino IDE用のArduinoOTA、ブラウザ用のElegantOTA、サーバーから取得するHTTPUpdate）、正しいパーティション構成の選び方、パスワードによる書き込みの保護、書き込みが途中で切れたらどうなるか、そして次のスケッチでOTAを失わない方法をステップごとに説明します。すべてのコードはESP32 Arduinoコアでコンパイルし、動作を確認しています。

ESP32のOTAとは？どのように動くのか

ESP32のフラッシュメモリは1つの大きな塊ではなく、パーティションテーブルという地図によっていくつかに分けられています。OTAに対応したパーティションテーブルには、プログラム用に同じ大きさの領域が2つあります。app0（ota_0）とapp1（ota_1）です。ボードが片方で動いている間に、新しいプログラムはもう片方に書き込まれます。小さなotadataパーティションには、次の起動時にどちらの領域を実行するかが記録されます。そのため書き込み中に動作中のプログラムには一切触れず、新しいコードがすべて書き込まれて検証されるまで、ボードは古いプログラムを手放しません。

1. 新しいプログラム（コンパイルされた.binファイル）が、Wi-Fi経由で少しずつボードに届きます。
2. ESP32は、届いた部分をその時点で使われていないプログラム用パーティションに書き込みます。その間も動作中のコードは自分の仕事を続けます。
3. ファイル全体が届くと、イメージのヘッダーとチェックサムが確認されます。壊れたファイルや不完全なファイルは受け付けられません。
4. 検証に成功するとotadataが更新され、次の起動時には新しいパーティションが実行されます。
5. ボードが再起動し、新しいプログラムで立ち上がります。次のアップデートはもう一方のパーティションに書き込まれ、2つの領域が交互に使われます。

パーティション構成とフラッシュサイズ

これはOTAでいちばん見落とされがちな条件です。新しいプログラムを書き込むための2つ目の空き領域が必要です。そのため、OTAで書き込めるプログラムの最大サイズは、フラッシュの半分よりも小さくなります。パーティション構成はArduino IDEの「ツール」>「Partition Scheme」で選びます。4 MBフラッシュを搭載した一般的なESP32 DevKitボード（ESP32 Dev Module）では、次の選択肢があります。

プログラムがどれだけの容量を使っているかは、コンパイルの出力で確認できます。Wi-FiとArduinoOTAを含む最初の例では「Sketch uses 758685 bytes (57%) ... Maximum is 1310720 bytes」（758685バイト（57%）を使用、最大は1310720バイト）と表示されます。この最大値は、選んだ構成のプログラム領域1つ分のサイズです。使用率が90%を超えたら、近いうちにMinimal SPIFFSへの切り替えが必要になると考えてください。もう1つ大事なルールがあります。パーティションテーブルはOTAでは変更できません。構成を変えたときの書き込みはUSBで行う必要があり、その後のOTAは新しいテーブルで動きます。8 MBや16 MBのフラッシュを搭載したボード（多くのESP32-S3モデルなど）では、「Flash Size」メニューで正しいサイズを選ぶと、はるかに大きなOTA領域を使えます。

ボードが実際にどのパーティションで動いていて、OTA用にどれだけの空きがあるかを知りたいときは、次の小さなスケッチを書き込んでください。ライブラリは不要で、ESP-IDFのOTA関数を直接使います。

1#include <esp_ota_ops.h>
2
3void setup() {
4  Serial.begin(115200);
5  delay(1000);
6  const esp_partition_t* running = esp_ota_get_running_partition();
7  const esp_partition_t* next = esp_ota_get_next_update_partition(NULL);
8
9  Serial.printf("Flash boyutu / Flash size: %u KB\n", ESP.getFlashChipSize() / 1024);
10  Serial.printf("Program boyutu / Sketch size: %u KB\n", ESP.getSketchSize() / 1024);
11  Serial.printf("OTA icin bos alan / Free space for OTA: %u KB\n", ESP.getFreeSketchSpace() / 1024);
12  Serial.printf("Calisan bolum / Running partition: %s (0x%06x)\n", running->label, running->address);
13  if (next != NULL) {
14    Serial.printf("Siradaki OTA bolumu / Next OTA partition: %s (0x%06x)\n", next->label, next->address);
15  } else {
16    Serial.println("OTA bolumu yok: bolum tablosunu degistir / No OTA partition: change the partition scheme");
17  }
18}
19
20void loop() {
21}

デフォルトの構成では、最初にUSBで書き込んだ後の出力は「Running partition: app0 (0x010000)」と「Next OTA partition: app1 (0x150000)」になります。OTAでアップデートした後にもう一度実行すると、今度はapp1で動いていることがわかります。ESP.getFreeSketchSpace()の値は、OTAで書き込めるプログラムの最大サイズです。新しい.binファイルがこれより大きいと、アップデートは始まりません。

方法1：ArduinoOTAでArduino IDEから無線で書き込む

ArduinoOTAライブラリはESP32コアに付属しているので、インストールは不要です。ボードはネットワークに接続するとmDNSで自分の存在を知らせ、Arduino IDEがそれを見つけて「ポート」メニューにネットワークポートを追加します。「書き込み」を押すと、IDEはUSBの代わりにこのネットワークポートからプログラムを送ります。ESP32では、OTAサービスはデフォルトで3232番ポートで待ち受けます。次のスケッチはWi-Fiに接続し、パスワード付きでOTAを開始し、動作の証拠として内蔵LEDを点滅させます。

1#include <WiFi.h>
2#include <ArduinoOTA.h>
3
4const char* WIFI_SSID = "AgAdi";          // Wi-Fi adın / your Wi-Fi name
5const char* WIFI_PASS = "AgSifresi";      // Wi-Fi şifren / your Wi-Fi password
6const int LED_PIN = 2;                    // çoğu DevKit'te dahili LED / onboard LED on most DevKits
7
8unsigned long lastBlink = 0;
9
10void setup() {
11  Serial.begin(115200);
12  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
13
14  WiFi.mode(WIFI_STA);
15  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
16  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {   // bağlanana kadar bekle / wait until connected
17    delay(500);
18    Serial.print(".");
19  }
20  Serial.println();
21  Serial.print("IP: ");
22  Serial.println(WiFi.localIP());
23
24  ArduinoOTA.setHostname("bluegrays-esp32");  // IDE'de görünen ad / name shown in the IDE
25  ArduinoOTA.setPassword("ota1234");          // yükleme parolası / upload password
26
27  ArduinoOTA.onStart([]() {
28    // Güncelleme başlıyor: motorları, röleleri güvenli konuma al / update starting: put motors and relays in a safe state
29    String type = (ArduinoOTA.getCommand() == U_FLASH) ? "program" : "dosya sistemi / filesystem";
30    Serial.println("OTA basladi / started: " + type);
31  });
32  ArduinoOTA.onEnd([]() {
33    Serial.println("\nOTA bitti, yeniden baslatiliyor / done, rebooting");
34  });
35  ArduinoOTA.onProgress([](unsigned int progress, unsigned int total) {
36    Serial.printf("Ilerleme / Progress: %u%%\r", progress * 100 / total);
37  });
38  ArduinoOTA.onError([](ota_error_t error) {
39    Serial.printf("Hata / Error[%u]: ", error);
40    if (error == OTA_AUTH_ERROR) Serial.println("parola / auth failed");
41    else if (error == OTA_BEGIN_ERROR) Serial.println("baslatilamadi, yer yok / begin failed, no space");
42    else if (error == OTA_CONNECT_ERROR) Serial.println("baglanti / connect failed");
43    else if (error == OTA_RECEIVE_ERROR) Serial.println("veri alinamadi / receive failed");
44    else if (error == OTA_END_ERROR) Serial.println("bitirilemedi / end failed");
45  });
46
47  ArduinoOTA.begin();                         // OTA hizmetini başlat / start the OTA service
48}
49
50void loop() {
51  ArduinoOTA.handle();                        // her turda çağır, unutma / call on every pass, never forget
52
53  // delay() yerine millis(): OTA isteklerini kaçırmamak için / millis() instead of delay() so OTA requests aren't missed
54  if (millis() - lastBlink >= 500) {
55    lastBlink = millis();
56    digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));
57  }
58}

ステップごとに：初めてのOTA書き込み

1. コードのWIFI_SSIDとWIFI_PASSの値を、自分のネットワークに合わせて書き換えます。ESP32は2.4 GHzのネットワークにしか接続できません。
2. 「ツール」メニューでボード（例：ESP32 Dev Module）と、OTAを含むPartition Scheme（DefaultまたはMinimal SPIFFS）を選びます。
3. 最初の書き込みはUSBケーブルで行います。ボードにはまだOTAのコードがないので、このステップは必須です。
4. シリアルモニタを115200ボーで開き、ボードが表示するIPアドレスをメモします。
5. USBケーブルを抜き、必要なら別の電源につなぎます。10〜20秒ほどで、「ツール」>「ポート」のネットワークポートの下に「bluegrays-esp32 at 192.168.1.x」のような行が表示されるので、それを選びます。
6. コードのLEDの待ち時間を500から100に変えて「書き込み」を押します。IDEがパスワードを求めたら「ota1234」と入力します。
7. 出力ウィンドウに進捗率が表示され、最後に「Done」や「Result: OK」のような行が出ます。ボードが再起動し、LEDが速く点滅するようになります。

知っておきたい制限が1つあります。ネットワークポートは書き込み専用で、シリアルモニタは無線では使えません。ボードのメッセージを見るには、USBをつなぎ直すか、状態をWebページやディスプレイ、MQTTのメッセージで表示します。机で開発している間は、ボードをUSBにつないだまま、書き込みだけをネットワークで行うこともできます。そうすれば、速い書き込みとシリアルモニタを同時に使えます。

パスワードによる保護とセキュリティ

OTAサービスが有効なボードは、ネットワーク上の誰もがコードを書き込めるドアのようなものです。ArduinoOTAのsetPassword()は、パスワードを平文のままコードの中に保持します。コードを共有するつもりなら、setPasswordHash()でパスワードのMD5ハッシュを渡せば、パスワードそのものはソースコードに現れません。ElegantOTAは、/updateページをユーザー名とパスワード（HTTPのBasic認証）で保護します。

• デバイスごとに、推測されにくい別々のパスワードを付けます：「1234」や「admin」のような値は、真っ先に試されます。
• ボードをインターネットに公開しないでください：ルーターのポート転送でOTAや/updateページを外部に公開するのは重大なリスクです。これらの方法は暗号化されていないHTTPで動きます。
• 離れた場所のデバイスにはHTTPUpdateを使います：ボードが自分でアップデートを取りに行くので、内側から外側への接続だけで済みます。インターネット経由で取得するなら、WiFiClientSecureを使ったHTTPSを選んでください。
• アップデート中は安全な状態にします：onStartの中でモーターを止め、ヒーターやポンプのリレーをオフにします。再起動には数秒かかり、その間ピンの状態は不定になることがあります。

方法2：ElegantOTAでブラウザから.binを書き込む

ElegantOTAは、ESP32の中で動くWebサーバーに、すっきりした/updateページを追加します。スマホやArduino IDEのないパソコンからこのページを開き、コンパイル済みの.binファイルを選んで書き込みます。進行状況バーはブラウザに表示されます。デバイスを誰かに引き渡すときや、現場でアップデートするときにいちばん便利な方法です。

1. Arduino IDEでライブラリマネージャを開き、ElegantOTA（Ayush Sharma）を検索してインストールします。
2. 次のコードを書き換え、最初はUSBで書き込みます。
3. シリアルモニタに表示されたアドレスをブラウザで開き、ユーザー名「admin」とパスワード「ota1234」でログインします（例：http://192.168.1.42/update）。
4. モードはFirmwareを選んだままにして、.binファイルをドラッグ＆ドロップします。書き込みが終わると、ボードが自動で再起動します。

1#include <WiFi.h>
2#include <WebServer.h>
3#include <ElegantOTA.h>
4
5const char* WIFI_SSID = "AgAdi";          // Wi-Fi adın / your Wi-Fi name
6const char* WIFI_PASS = "AgSifresi";      // Wi-Fi şifren / your Wi-Fi password
7
8WebServer server(80);
9unsigned long otaProgressMillis = 0;
10
11void onOTAStart() {
12  Serial.println("OTA basladi / OTA started");     // röleleri kapat / switch relays off
13}
14
15void onOTAProgress(size_t current, size_t final) {
16  if (millis() - otaProgressMillis > 1000) {        // saniyede bir yaz / print once per second
17    otaProgressMillis = millis();
18    Serial.printf("%u / %u bayt / bytes\n", current, final);
19  }
20}
21
22void onOTAEnd(bool success) {
23  Serial.println(success ? "OTA basarili / OTA successful" : "OTA hatasi / OTA failed");
24}
25
26void setup() {
27  Serial.begin(115200);
28  WiFi.mode(WIFI_STA);
29  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
30  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
31    delay(500);
32    Serial.print(".");
33  }
34  Serial.println();
35  Serial.print("Adres / Address: http://");
36  Serial.print(WiFi.localIP());
37  Serial.println("/update");
38
39  server.on("/", []() {
40    server.send(200, "text/plain", "BlueGrays ESP32 - surum / version 1.0");
41  });
42
43  ElegantOTA.begin(&server, "admin", "ota1234");   // /update sayfası + kullanıcı/parola / /update page + user/password
44  ElegantOTA.onStart(onOTAStart);
45  ElegantOTA.onProgress(onOTAProgress);
46  ElegantOTA.onEnd(onOTAEnd);
47
48  server.begin();
49}
50
51void loop() {
52  server.handleClient();     // web isteklerini işle / handle web requests
53  ElegantOTA.loop();         // başarılı yüklemeden sonra yeniden başlatır / reboots after a successful upload
54}

ElegantOTAはデフォルトで、コアに付属する同期型のWebServerクラスで動きます。そのため、loop()の中のserver.handleClient()とElegantOTA.loop()の呼び出しが必須です。プロジェクトですでにESPAsyncWebServerを使っているなら、ライブラリのELEGANTOTA_USE_ASYNC_WEBSERVERオプションを1にすれば、非同期サーバーでも使えます。非同期サーバーの準備は「ESP32の非同期WebサーバーとWebSocket」の記事で説明しています。ページのFilesystemモードは、プログラムではなくLittleFSやSPIFFSのイメージ（Webページのファイル、設定ファイル）を更新します。

.binファイルを用意する：コンパイルしたバイナリの出力

ElegantOTAとHTTPUpdateには、コンパイル済みのプログラムファイルが必要です。Arduino IDEで「スケッチ」>「コンパイルしたバイナリを出力」を実行します。IDEはプログラムをコンパイルし、スケッチフォルダの中のbuildフォルダにいくつかのファイルを出力します。OTAに使えるのはそのうち1つだけです。

方法3：HTTPUpdateでサーバーから自動アップデート

家のあちこちに5台のセンサーボードがあるとします。1台ずつIDEから書き込む代わりに、新しい.binファイルをサーバーに置き、ボードが自分でダウンロードするようにできます。ESP32コアに付属するHTTPUpdateライブラリなら、これが1行でできます。次の例では、ボードのBOOTボタン（GPIO 0）を押すとアップデートが始まります。

1#include <WiFi.h>
2#include <HTTPUpdate.h>
3
4const char* WIFI_SSID = "AgAdi";
5const char* WIFI_PASS = "AgSifresi";
6// Bilgisayarındaki ya da sunucundaki .bin dosyası / the .bin file on your computer or server
7const char* FIRMWARE_URL = "http://192.168.1.50:8000/firmware.bin";
8const int BUTTON_PIN = 0;               // karttaki BOOT butonu / the BOOT button on the board
9
10void setup() {
11  Serial.begin(115200);
12  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
13  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
14  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) delay(500);
15  Serial.println("Hazir: guncellemek icin BOOT'a bas / Ready: press BOOT to update");
16}
17
18void loop() {
19  if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) {      // butona basıldı / button pressed
20    WiFiClient client;
21    httpUpdate.rebootOnUpdate(true);          // başarılıysa yeniden başlat / reboot on success
22    t_httpUpdate_return ret = httpUpdate.update(client, FIRMWARE_URL);
23
24    switch (ret) {
25      case HTTP_UPDATE_FAILED:
26        Serial.printf("Hata / Error (%d): %s\n", httpUpdate.getLastError(),
27                      httpUpdate.getLastErrorString().c_str());
28        break;
29      case HTTP_UPDATE_NO_UPDATES:
30        Serial.println("Guncelleme yok / No update");
31        break;
32      case HTTP_UPDATE_OK:
33        Serial.println("Tamam / OK");        // buraya genelde gelinmez, kart yeniden başlar / usually not reached, the board reboots
34        break;
35    }
36    delay(1000);
37  }
38}

試すには、パソコンのフォルダに.binファイルをfirmware.binという名前で置き、そのフォルダでpython3 -m http.server 8000を実行します。コードのIPアドレスは、パソコンのローカルIPに置き換えてください。実際に使うときは、ボタンをタイマーに置き換えます。たとえば1時間に1回、ボードが小さな「version.txt」ファイルを読み、サーバーのバージョン番号が自分のものより大きければアップデートを始めます。こうすれば、同じファイルを何度もダウンロードして再起動を繰り返すこともありません。

OTAの途中で接続が切れたらどうなる？

結論から言うと、ボードは壊れません。新しいプログラムは使われていないパーティションに書き込まれ、起動するパーティションはファイル全体の検証が終わってから切り替わるので、書き込みが途中で切れてもボードは古いプログラムで動き続けます。IDEでは「Error Uploading」（書き込みエラー）、ArduinoOTAではOTA_RECEIVE_ERROR、ElegantOTAでは失敗の結果が表示されます。原因を取り除いて、もう一度書き込めば大丈夫です。書き込み中に停電した場合も同じで、ボードは古いプログラムで起動します。本当のリスクは、新しいプログラムそのものに問題がある場合だけです。Wi-Fiに接続しないプログラムや、OTAのコードを含まないプログラムを書き込むと、次のアップデートにはまたケーブルが必要になります。

• Wi-Fiの電波が弱い：書き込みが30〜60%あたりで止まるなら、ボードをルーターに近づけるか、外部アンテナ付きのモジュールを使います。シリアルモニタで見たWiFi.RSSI()の値が-75 dBmより悪い場合は、切断が起きると考えてください。詳しくは「ESP32がWi-Fiにつながらないとき」を参照してください。
• 電源が足りない：フラッシュへの書き込みとWi-Fiの送信は、同時に電流を消費します。弱いUSBポートや細いケーブルだと、書き込み中にボードがリセットされることがあり、これはブラウンアウトエラーとして現れます。少なくとも500 mAを供給できる、しっかりした5 V電源を使ってください。
• loop()の中の長い待ち時間：delay(5000)のような待ちはhandle()の呼び出しを遅らせ、IDEに「No response from the ESP」（ESPから応答がない）と表示されます。タイミングはmillis()で管理してください。
• ファイアウォール：ArduinoOTAでは、書き込みが始まるとESP32がパソコンに接続し返します。Windowsファイアウォールやウイルス対策ソフトがこの着信接続をブロックすると、書き込みはすぐに失敗します。最初に試したときに表示される許可のウィンドウで、プライベートネットワークを許可してください。

新しいスケッチでもOTAを残す

OTAでいちばんよくある失敗はこうです。まったく別のプロジェクトをOTAで書き込んだところ、そのプロジェクトにはArduinoOTAのコードがなく、ボードがネットワークポートに表示されなくなります。新しく書き込んだプログラムは古いプログラムと完全に入れ替わります。OTAは「ボードに残る」機能ではなく、どのプログラムも自分でOTAを持っている必要があります。天井のデバイスにまたはしごで登らずに済むよう、次のルールを習慣にしましょう。

• テンプレートを使う：Wi-Fiの接続とArduinoOTAの設定を別の関数（例：setupOTA()）にまとめ、新しいプロジェクトはいつもそのファイルから始めます。
• handle()の呼び出しはloop()のいちばん最初に書き、loop()の中に長時間処理を止めるループは決して置かないでください。
• Wi-Fiが切れたら再接続する：WiFi.setAutoReconnect(true)を使うか、接続を定期的に確認します。接続のないボードはアップデートを受け取れません。
• ディープスリープを使うプロジェクトにはメンテナンス時間を設ける：スリープ中のボードにはOTAの要求が届きません。起動時にボタンが押されている場合や、MQTTのフラグが届いた場合に、スリープする前に60秒間OTAを待つモードを作りましょう。スリープモードについては「ESP32のディープスリープ」の記事を参照してください。
• まず机の上の2台目のボードで試す：現場のデバイスに送る前に、同じコードを手元のボードで動かします。Wi-Fiに接続し、ネットワークポートに表示されれば、安心して送れます。
• バージョン番号を表示する：コードの先頭にFW_VERSIONという定数を置き、Webページやディスプレイに表示します。どのボードでどのバージョンが動いているか、いつでもわかります。

ESP8266とRaspberry Pi Pico WでのOTA

このガイドのArduinoOTAとElegantOTAのコードは、少し変えるだけでESP8266（NodeMCU、Wemos D1 Mini）のボードでも動きます。WiFi.hの代わりにESP8266WiFi.h、WebServerの代わりにESP8266WebServerを使い、OTAのポートは8266です。4 MBフラッシュのESP8266ボードでは、「Flash Size」メニューでOTAに十分なプログラム領域が残る選択肢を選んでください。Raspberry Pi Pico Wでは、arduino-picoコアがArduinoOTAに対応しています。こちらでは新しいプログラムがまずLittleFSのファイルシステムにダウンロードされ、起動時に所定の場所へコピーされます。そのためPico Wでは、「Flash Size」メニューでプログラムより大きなファイルシステム領域を確保する必要があります。MicroPythonには既製のOTAツールがありません。ネットワークから.pyファイルをダウンロードして置き換える小さなスクリプトは書けますが、ESP32のような検証付きの2パーティション方式のアップデートではありません。

OTAを使ったプロジェクトのアイデア

• 天井や壁のセンサー：温度、湿度、動きを測るボードのしきい値を、ケーブルに触れずに変更します。
• スマートホームのリレー：電気ボックスの中のリレーボードのタイマー設定をOTAで更新します。onStartの中でリレーを安全な状態にしておきます。
• Home Assistantのデバイス：MQTTでHome Assistantに接続したセンサーに、ネットワーク経由で新しい機能を追加します。
• 庭の水やりコントローラー：防水ボックスを開けずに、水やりの時刻や土壌水分のしきい値を変更します。
• LCDの進行状況バー：onProgressの値を、16x2 LCDに進捗率とバーで表示します。BlueGraysのESP32 OTAのプロジェクトは、まさにこれを行います。
• まとめてアップデート：複数のボードが、HTTPUpdateで毎晩同じサーバーに新しいバージョンがないか確認するようにします。

よくある間違いと対処法

OTAは、ESP32のプロジェクトを机の上から実際の設置場所へ移すための鍵です。一度きちんと設定すれば、修正、新機能、しきい値の変更が無線で数秒で届きます。BlueGraysアプリでは、ESP32 OTAアップデートのプロジェクト（LCDにIPと進捗を表示）を、Wi-Fi接続、非同期Webサーバー、mDNS、NTPのプロジェクトとあわせて、回路図とコード付きでステップごとに確認できます。