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MQTT y ESP8266

Para trabajar con MQTT es interesante instalar primero en el ordenador un cliente como MQTT.fx para hacer debug: https://mqttfx.jensd.de/ o MQTT explorer http://mqtt-explorer.com/ 

Para conseguir una comunicación MQTT con ESP8266 o Arduino, emplearemos una librería. Existen muchas disponibles gracias a la comunidad que existe alrededor de Arduino. Concretamente, nosotros emplearemos una de las más conocidas y la más estable y flexible, lo que facilita su uso en proyectos que queramos realizar donde intervengan Arduino y MQTT.

Dicha librería es pubsubclient Arduino Client for MQTT y nos provee de un sencillo cliente que nos permite tanto subscribirnos como publicar contenido usando MQTT. Internamente, usa la API de Arduino Ethernet Client lo que lo hace compatible con un gran número de ‘shields’ y placas como:

  • Arduino Ethernet
  • Arduino YUN
  • Arduino WiFi Shield
  • Intel Galileo/Edison
  • ESP8266
  • ESP32

Web: https://pubsubclient.knolleary.net/ 

Instalar la librería mediante el gestor de librerías:

PubSubClient es una librería compatible con Arduino y ESP8266. Básicamente hace que nuestra placa se comporte como un cliente MQTT, es decir, que podamos publicar mensajes y suscribirnos a un topic o varios para recibir mensajes. Da lo mismo si utilizas un Arduino o un ESP8266, el código es prácticamente el mismo. La diferencia reside en cómo nos conectamos a la red WiFi o Ethernet, cada placa utiliza su propia librería.

Github PubSubClient: https://github.com/knolleary/pubsubclient 

API Documentación: https://pubsubclient.knolleary.net/api.html 

Enviando un mensaje a través del protocolo MQTT con Wemos D1 Mini

Vamos a partir de uno de los ejemplos que vienen dentro de la librería. Lo encontrarás en Archivo>Ejemplos>PubSubClient>mqtt_esp8266. Esta opción te abre el siguiente código: https://github.com/knolleary/pubsubclient/blob/master/examples/mqtt_esp8266/mqtt_esp8266.ino 

Configurar el SSID y el password de la red. En mqtt_server poner la IP de la Raspberry Pi donde se ha instalado el broker Mosquitto.

NOTA: tener en cuenta que si usamos usuario y contraseña debemos usar connect (clientID, username, password) en lugar de connect (clientID) https://pubsubclient.knolleary.net/api.html#connect3   

Código: https://github.com/jecrespo/Curso-IoT-Open-Source/blob/master/mqtt_esp8266/mqtt_esp8266.ino 

Este sketch publica un mensaje “hello world #x” consecutivo cada 2 segundos en el topic “outTopic” y se suscribe al topic “inTopic”. Además  cuando se recibe un mensaje se dispara la función callback que si es un 1 enciendo el led integrado y en caso contrario se desactiva.

Firmware para Wemos D1 Mini + Shields

El firmware para los nodos remotos:

Probar cada firmware y hacer un programa sencillo para interactuar con ellos.

Firmware de otros nodos remotos: https://github.com/jecrespo/Curso-Node-RED/tree/master/Remote%20Nodes%20Firmware/Firmware%20M5Stack%20Varios 

Topic Map

El topic map del firmware de los dispositivos es:

  • cursocefire/wemos/{nombre}/dato10s – publica mensaje numerado cada 10s
  • cursocefire/wemos/{nombre}/dato60s – publica mensaje numerado cada 60s
  • cursocefire/wemos/{nombre}/reset – publica mensaje cada reset o inicio
  • cursocefire/wemos/{nombre}/led – suscrito (1 led ON, otro valor  led OFF)
  • cursocefire/wemos/{nombre}/text – suscrito (muestra el mensaje por pantalla)
  • cursocefire/wemos/{nombre}/rele – suscrito (1 relé ON, otro valor  relé OFF). Firmware relé
  • cursocefire/wemos/{nombre}/oled – suscrito (muestra el mensaje por pantalla oled). Firmware oled
  • cursocefire/wemos/{nombre}/temperatura – publica dato temperatura cada 10 segundos. Firmware DS18B20
  • cursocefire/wemos/{nombre}/matrix – suscrito (0 efecto y apaga, de 1 a 8 ilumina de 1 a 8 líneas de matriz ). Firmware matrix.
  • cursocefire/raspberrypi/{nombre}/CPU – publica Node-RED el datos de CPU 
  • cursocefire/raspberrypi/{nombre}/Temperatura – publica Node-RED el datos de temperatura procesador
  • cursocefire/raspberrypi/{nombre}/Memoria – publica Node-RED el datos de memoria libre
  • cursocefire/wibeee/# – datos eléctricos de Wibeee
  • cursocefire/m5atom/enrique/aviso – suscrito (“alarma” – leds rojos, “aviso” – leds amarillos, “ok” – leds verdes, otro mensaje apaga)
  • cursocefire/m5atom/enrique/boton – al pulsar publica “press” o “longpress”
  • cursocefire/m5stack/enrique/A – al pulsar botón A publica “press”
  • cursocefire/m5stack/enrique/B – al pulsar botón B publica “press” 
  • cursocefire/m5stack/enrique/C – al pulsar botón C publica “press”
  • cursocefire/m5stack/enrique/led – suscrito (1 dibuja en pantalla círculo rojo, otro valor  dibuja en pantalla círculo verde)
  • cursocefire/m5stack/enrique/text – suscrito, muestra por pantalla el texto
  • cursocefire/m5stick/enrique/temperatura – publica dato temperatura cada 1 segundo
  • cursocefire/m5stick/enrique/humedad – publica dato humedad cada 1 segundo
  • cursocefire/m5stick/enrique/presion – publica dato presión cada 1 segundo
  • cursocefire/m5stickplus/enrique/distancia – publica dato distancia cuando se activa
  • cursocefire/m5stickplus/enrique/button – al pulsar botón publica “press”
  • cursocefire/m5stickplus/enrique/led – suscrito (1 led ON, otro valor  led OFF)
  • cursocefire/m5stickplus/enrique/label  – suscrito (“red” – circulo rojo, “yellow” – circulo amarillo, “green” – circulo verde, “black” – circulo negro)

Práctica 3: Wifi con ESP8266

Configurar la wifi del Wemos D1 mini para mandar datos de los sensores.

Esquema:

Resultado de imagen de thingspeak esp8266

Tareas a realizar:

Solución

Escaner wifi: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-curso-esp8266-youtube/blob/master/WiFiScanMejorado/WiFiScanMejorado.ino 

Escaner wifi + oled: https://github.com/jecrespo/Curso-Node-RED/blob/master/Remote%20Nodes%20Firmware/wifi_scanner%2Boled/wifi_scanner%2Boled.ino 

Conectar por HTTP a aprendiendoarduino.com: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-curso-esp8266-youtube/blob/master/WiFiClientBasicMejorado/WiFiClientBasicMejorado.ino 

Instalar librería MQTT para arduino, “PubSubClient”, mediante el gestor de librerías:

Web: https://pubsubclient.knolleary.net/

Ejemplo mqtt_esp8266: https://github.com/knolleary/pubsubclient/blob/master/examples/mqtt_esp8266/mqtt_esp8266.ino 

Comprobar que manda y recibe mensajes y que se enciende y apaga el led.

Thingspeak

Instalar la librería “thingspeak” del gestor de librerías de Arduino

Darse de alta en Thingspeak. Web: https://thingspeak.com/users/sign_up

Crear cuenta:

Crear un Nuevo Canal llamado: “Curso IoT”

Crear 4 Fields en el canal:

  • Temperatura – Guarda los datos de temperatura
  • Humedad – Guarda los datos de humedad
  • Presión – Guarda las aperturas de puerta
  • Iluminación – Guarda las aperturas de puerta

Guarda la API Key y el número de canal

Abrir el ejemplo Thingspeak — ESP8266 — program board directly — WriteMultipleFiledsSecure de la librería thingspeak

Completar los datos del fichero secrets.h (segunda pestaña):

  • SSID – SSID de la Wifi que usemos
  • SECRET_PASS — Password de la Wifi
  • SECRET_CH_ID — ID del canal creado
  • SECRET_WRITE_APIKEY — API key de Thingspeak

Ejecutar el ejemplo y comprobar en el monitor serie que manda datos. Comprobar que se conecta y sale el mensaje “Channel update successful.” cada 2’ segundos

Crear una vista privada y visualizar los datos de los 4 campos creados.

Conectar el shield DS18B20 y oled al Wemos D1 mini.

Cargar el  programa modificado para que mande los datos de temperatura del sensor DS18B20 al field 1 y lo muestre por la pantalla OLED: https://github.com/jecrespo/Curso-Node-RED/blob/master/Remote%20Nodes%20Firmware/Thingspeak_WriteMultipleFieldsSecure/Thingspeak_WriteMultipleFieldsSecure.ino

Demo IoT

En esta demo se va a ver la potencia de IoT con la combinación de varias tecnologías open source. Se usará Arduino y dispositivos compatibles con Arduino, Raspberry Pi, Node-RED y otras tecnologías como Telegram.

Además, esta demo pretende ser interactiva, es decir, que una vez vista esta demostración, cualquiera con las herramientas y código proporcionado y los elementos hardware descritos, podrán interactuar con la plataforma IoT de la demo.

Descripción de la Demo

Esta demo consiste en conectar múltiples dispositivos basados en Arduino de cualquier persona del mundo e interactuar con la plataforma IoT instalada en una Raspberry Pi, así como usar un grupo de Telegram para recibir avisos y alertas.

Para conectar todos los dispositivos basados en Arduino usaremos un broker MQTT público, en nuestro caso será MyQttHub https://myqtthub.com/, pero también podría usarse CloudMQTT https://www.cloudmqtt.com/.

Es imprescindible tener el usuario y contraseña del broker para interactuar, si no las tienes puedes pedirlas en aprendiendoarduino@gmail.com

Para saber más de MQTT puedes ver: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2018/11/19/mqtt/

Esta es la estructura que vamos a usar:

Cada dispositivo Arduino publicará en el broker MQTT un dato en un topic y en función del topic, la plataforma IoT basada en Node-Red y ejecutándose en una Raspberry Pi, realizará una serie de acciones.

Además usaremos el grupo de telegram https://t.me/aprendiendoarduinocursoarduino para la recepción de alertas e interactuar con un bot en los dispositivos conectados. Únete al grupo de telegram para interactuar.

Cada dispositivo basado en Arduino conectado a Internet (p.e. basado en ESP8266) se conecta al broker MQTT público mandando o recibiendo datos y esos datos son recibidos en la plataforma IoT basada en Node-RED, instalada en una Raspberry Pi en la sede central.

El dispositivo puede publicar datos en unos topics determinados que se leerán desde Node-RED y se ejecutarán una serie de acciones.

También el dispositivo se puede suscribir a unos topics determinados y leer los datos recibidos, así como ejecutar una serie de acciones en función de los datos recibidos.

Funcionalidades de la Demo

Los dispositivos basados en Arduino podrán hacer las siguientes acciones:

  • Mandar mensajes de alerta. Por ejemplo la apertura de un detector magnético. Cuando se reciba, se mandará un mensaje al grupo de Telegram con el estado del sensor y quien lo manda y se visualizará en https://www.aprendiendoarduino.com/servicios/mensajes/index.html
  • También se mandará una foto al grupo de Telegram cuando se reciba el mensaje de alerta.
  • Mandar mensajes de temperatura y/o humedad. Estos datos se almacenarán en una BBDD y se visualizarán en el Dashboard de Node Red y en https://www.aprendiendoarduino.com/servicios/datos/graficas.html
  • También se puede configurar una alerta para enviar a Telegram y al panel de mensajes, en caso que se supere una temperatura o humedad determinada.
  • Recibir mensaje de encendido o apagado del led integrado de Arduino

Para visualizar e interactuar se dispone de:

  • Grupo de Telegram
  • Dashboard de Node-RED, que solo se visualiza en local donde esté instalado
  • Gráficas
  • Alertas

Estructura de topics

Para poder interactuar con la plataforma los mensajes se deben mandar con una estructura de topic concreta:

  • demo/temperatura/Z – envía un dato numérico de temperatura
  • demo/humedad/Z – envía un dato numérico de humedad
  • demo/reset/Z – envía un mensaje de reset al reinicarse
  • demo/alerta/xx – envía un texto de alarma
  • demo/led/xx – envía un dato ON/OFF para el estado del LED

Siendo xx un identificador del nodo que puede ser un nombre o un número y siendo Z un número del 2 al 20 para identificar la gráfica donde visualizar los datos en https://www.aprendiendoarduino.com/servicios/datos/graficas.html.

Elementos de Hardware Usado

Hardware Nodos Remotos

Hardware Nodo Central

Raspberry Pi 3 Model B o superior:  https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/. Esta Raspberry Pi tiene instalado Node-RED donde se ejecutará la plataforma y la programación IoT.

Para la fotos una Raspberry Pi conectada a Internet con cámara. Por ejemplo, unas Raspberry Pi Zero W con cámara

Adicionalmente un M5stack para visualizar datos en la pantalla y controlar dispositivos con los botones.

Código Usado

Todo el código usado en la demo está disponible en el repositorio: https://github.com/jecrespo/demo-iot

Interactúa con la Plataforma

Como ejercicio, puedes interactuar con la plataforma y ser parte de la demos

Para la interacción con la demo necesitarás:

Para poder interactuar con la plataforma los mensajes se deben mandar con una estructura de topic concreta:

  • demo/temperatura/Z – envía un dato numérico de temperatura
  • demo/humedad/Z – envía un dato numérico de humedad
  • demo/reset/Z – envía un mensaje de reset al reinicarse
  • demo/alerta/xx – envía un texto de alarma
  • demo/led/xx – envía un dato ON/OFF para el estado del LED

Siendo xx un identificador del nodo que puede ser un nombre o un número y siendo Z un número del 2 al 20.

Los mensajes de alarma se publicarán en el grupo de Telegram https://t.me/aprendiendoarduinocursoarduino

Arduino Day 2020 desde casa

El pasado 21 de marzo de 2020 se celebró el Arduino Day, puesto que en España y en otros países estábamos en cuarentena, los eventos se celebraron on-line.

Este vídeo es un directo en Youtube que hice justo antes del Streaming oficial de Arduino.

En este vídeo hablo:

Anexo I – Material Prácticas Cursos y Requisitos Técnicos

Para realizar cualquiera de los cursos de los itinerarios es necesario:

  • Un Ordenador PC o portátil por alumno con al menos un puerto USB accesible
  • El PC de cada alumno deberá tener un sistema operativo instalado, ya sea un sistema Windows o un sistema Linux. 
  • Acceso a Internet
  • Red Wifi
  • Espacio equipado con mobiliario adecuado al número de alumnos

Todo el software y documentación utilizado en el curso es libre con licencia creative commons o similar y publicado en https://www.aprendiendoarduino.com/

Listado de material orientativo para realizar las prácticas de cada itinerario por alumno:

Material Formación Itinerario Arduino

El material necesario para realizar las prácticas del curso consiste en un Arduino Starter Kit (https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoStarterKit) o similar compuesto por al menos:

  • 1x Arduino UNO Rev3 o equivalente
  • 1x Cable USB
  • 1x Breadboard/Protoboard
  • 1x Adaptador para la batería de 9 Voltios
  • 30x Puentes de conexión para la protoboard (jumpers)
  • 3x Fotorresistencias LDR
  • 3x Potenciometros de 10K o equivalentes
  • 3x Pulsadores
  • 1x Sensor de temperatura (TMP36, DHT11 o similar)
  • 1x Sensor de inclinación
  • 1x LCD alfanumérico I2C (16×2 caracteres)
  • 10x LED de diferentes colores
  • 1x Motor CC 6 o 9 Voltios
  • 1x Servo motor
  • 1x Piezo Buzzer
  • Varias Resistencias de diversas capacidades
  • 1x Módulo IMU MPU6050 o equivalente
  • 1x Módulo bluetooth HC-05 o equivalente
  • 1x Breakout board relé
  • 1x Shield Ethernet
  • 1x placa compatible ESP8266 (p.e. Wemos D1 Mini o NodeMCU)
  • Otros sensores para Arduino (p.e. infrarrojos, sensor de agua, etc…)

NOTA: se aconseja que los módulo sean de tipo breakout board fáciles de conectar

Material Formación Itinerario Raspberry Pi

  • 1x Raspberry Pi con Carcasa 
  • 1x tarjeta micro SD 16Gb
  • 1x cable alimentación 
  • 1x cable HDMI
  • 1x Adaptador GPIO a protoboard
  • 1x Breadboard/Protoboard
  • 30x Puentes de conexión para la protoboard (jumpers)
  • 3x Pulsadores
  • 3x Potenciometros de 10K o equivalentes
  • 1x Sensor de temperatura (TMP36, DHT11 o similar)
  • 1x Piezo Buzzer
  • 10x LED de diferentes colores
  • 1x Conversor analógico digital MCP3008 o equivalente
  • 1x Módulo IMU MPU6050 o equivalente
  • Otros dispositivos I2C (p.e. RTC, sonda temperatura, etc…)
  • Varias Resistencias de diversas capacidades

Material Formación Itinerario ESP8266/ESP32

  • 1x Wemos D1 min o NodeMCU o equivalente
  • 1x Wemos Wifi ESP32 OLED o equivalente
  • 1 x ESP32-CAM o equivalente
  • 1x shields para wemos D1 mini relé
  • 1x shields para wemos D1 mini neopixel
  • 1x shields para wemos D1 mini oled
  • 1x Cable USB
  • 1x Raspberry Pi con Carcasa 
  • 1x tarjeta micro SD 16Gb
  • 1x cable alimentación 
  • 1x cable HDMI
  • 1x Adaptador GPIO a protoboard
  • 1x Breadboard/Protoboard
  • 30x Puentes de conexión para la protoboard (jumpers)
  • 3x Fotorresistencias LDR
  • 3x Potenciometros de 10K o equivalentes
  • 3x Pulsadores
  • 1x Sensor de temperatura (TMP36, DHT11 o similar)
  • 10x LED de diferentes colores
  • 1x Piezo Buzzer
  • Varias Resistencias de diversas capacidades
  • 1x Módulo IMU MPU6050 o equivalente

Material Formación Itinerario IoT/Industria Conectada

  • 1x Arduino UNO Rev3 o equivalente
  • 1x Wemos D1 min o NodeMCU o equivalente
  • 1x shields para wemos D1 mini relé
  • 1x shields para wemos D1 mini oled
  • 1x Moteino con comunicación LoRa
  • 1x placa ESP32 con RFM95 868MHz por alumno (Adafruit Huzzah32, TTGO,…)
  • 1x gateway LoRaWAN 868MHz de interior por grupo
  • 1x Arduino MKR 1400 para conectividad GSM + SIM (p.e. hologram)
  • 1x Cable USB
  • 1x Breadboard/Protoboard
  • 30x Puentes de conexión para la protoboard (jumpers)
  • 3x Fotorresistencias LDR
  • 3x Potenciometros de 10K o equivalentes
  • 3x Pulsadores
  • 1x Sensor de temperatura (TMP36, DHT11 o similar)
  • 10x LED de diferentes colores
  • 1x Piezo Buzzer
  • Varias Resistencias de diversas capacidades
  • 1x Módulo IMU MPU6050 o equivalente
  • Otros sensores para Arduino (p.e. infrarrojos, sensor de agua, etc…)
  • Otros dispositivos I2C (p.e. RTC, sonda temperatura, etc…)

Opcionalmente:

  • 1x Módulo Ultra low power 2.4GHz RF nRF24L01+
  • 1x Kit XBee
  • 1x Arduino MKRWAN1300
  • 1x Servidor (VPS) por alumno

Material Formación Itinerario Digitalización Profesorado

  • 1x Arduino UNO Rev3 o equivalente
  • 1x Kit montaje escornabot y herramientas para montarlo
  • 1x Micro:bit
  • 1x Shield Micro:bit para expansión
  • 1x Raspberry Pi con Carcasa 
  • 1x tarjeta micro SD 16Gb
  • 1x cable alimentación 
  • 1x cable HDMI
  • 1x Adaptador GPIO a protoboard
  • 1x Cable USB
  • 1x Breadboard/Protoboard
  • 30x Puentes de conexión para la protoboard (jumpers)
  • 3x Fotorresistencias LDR
  • 3x Potenciometros de 10K o equivalentes
  • 3x Pulsadores
  • 1x Sensor de temperatura (TMP36, DHT11 o similar)
  • 1x Sensor de inclinación
  • 1x LCD alfanumérico I2C (16×2 caracteres)
  • 10x LED de diferentes colores
  • 1x Servo motor
  • 1x Piezo Buzzer
  • Varias Resistencias de diversas capacidades
  • 1x Módulo IMU MPU6050 o equivalente
  • 1x Módulo bluetooth HC-05 o equivalente
  • 1x Breakout board relé
  • 1x placa compatible ESP8266 (p.e. Wemos D1 Mini o NodeMCU)
  • Otros sensores para Arduino (p.e. infrarrojos, sensor de agua, etc…)
  • Otros dispositivos I2C (p.e. RTC, sonda temperatura, etc…)
  • Otros Actuadores y periféricos (p.e. teclado, pantalla TFT, etc…)

Material Formación Otros Cursos

Material común:

  • 1x Arduino UNO Rev3 o equivalente
  • 1x Cable USB
  • 1x Breadboard/Protoboard
  • 30x Puentes de conexión para la protoboard (jumpers)
  • 3x Fotorresistencias LDR
  • 3x Potenciometros de 10K o equivalentes
  • 3x Pulsadores
  • 1x Sensor de temperatura (TMP36, DHT11 o similar)
  • 1x Sensor de inclinación
  • 1x LCD alfanumérico I2C (16×2 caracteres)
  • 10x LED de diferentes colores
  • 1x Piezo Buzzer
  • Varias Resistencias de diversas capacidades
  • Otros sensores para Arduino (p.e. infrarrojos, sensor de agua, etc…)
  • Otros dispositivos I2C (p.e. RTC, sonda temperatura, etc…)
  • Otros Actuadores y periféricos (p.e. teclado, pantalla TFT, etc…)

PLCs Basados en Arduino:

  • 1x M-Duino básico
  • 1x Controllino o similar
  • 1x Revolution Pi

Cursos Node-RED:

  • 1x Raspberry Pi con Carcasa 
  • 1x tarjeta micro SD 16Gb
  • 1x cable alimentación 
  • 1x cable HDMI
  • 1x Adaptador GPIO a protoboard
  • 1x Wemos D1 min o NodeMCU o equivalente
  • 1x shields para wemos D1 mini relé
  • 1x shields para wemos D1 mini neopixel
  • 1x shields para wemos D1 mini oled