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Comunicaciones IoT

Una de las principales ventajas de Arduino es que podemos dotarlo de comunicación de una forma sencilla añadiendo un shield o una breakout board y dispondremos de casi cualquier tipo de comunicación tanto de acceso a Internet como para comunicar arduinos entre sí o con otros dispositivos en una red privada.

Conectividad, tecnologías para conectar el HW con Internet o una red

  • Ethernet
  • WiFi
  • Buses de campo industriales (Modbus, RS485, etc…)
  • Zigbee/XBee
  • LoWaRan, LPWAN, LoWPAN
  • Sigfox (se transmiten mensajes de 12 bytes, pudiendo enviar 140 mensajes al día)

Ultra Narrow Band:

  • Bluetooth/wifi/NFC/ANT+ y los beacons
  • nRF24L01 is a highly integrated, ultra low power (ULP) 2Mbps RF transceiver IC for the 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) band.
  • NB-IoT: es la solución propuesta por los fabricante de equipamiento LTE para dar cobertura a IoT desde la redes celulares ya existentes.
  • Satélite
  • LTE/3G
  • IEEE 802.11ah la wifi sub 1GHz

Qué es IoT

Internet de las cosas (en inglés Internet of things, abreviado IoT) es un concepto que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con Internet.

Definición de wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Internet_de_las_cosas

Arduino es un elemento que nos permite de forma sencilla y económica conectar cosas a Internet. Con un sencillo módulo ethernet o wifi podemos conectar Internet sensores para informar, motores controlados desde cualquier lado del mundo o mandar un SMS o email cada vez que se abra la puerta de casa.

Arduino se ha convertido una figura destacada e incluso uno de los impulsores del IoT y no por casualidad, sino que  por sus características es un HW con gran capacidad para usar en proyectos de IoT.

Características de Arduino para IoT

  • Barato y rápido prototipado.
  • HW libre y por lo tanto es modificable para que consuma menos y para hacer un HW final de características industriales.
  • Disponibilidad de HW de comunicaciones de todo tipo para conectar con Arduino. Nuevas tecnologías de comunicación llegan antes que para elementos comerciales
  • Librerías y SW público para su reutilización o adaptación.
  • Flexibilidad en la programación.
  • Apoyo de la comunidad.

IoT en su amplio concepto es conectar a Internet cualquier cosa, teniendo sentido o sin tenerlo. Por ejemplo, podríamos conectar a internet un sofá con un Arduino y unos pocos sensores, este sofá podría tuitear que nos acabamos de sentar a ver nuestra serie favorita, simplemente detectando el peso de la persona y conectándose a una API de un servidor de streaming como netflix y comprobando que acabo de poner un capítulo de Narcos. Pero esta idea para netflix podría ser muy interesante, monitorizar a la gente que ve su canal.

Otra aplicación de IoT y usando arduino como herramienta, es la de obtener información externa disponible mediante APIs del open data. Un ejemplo es el de un sistema de riego automático que podemos tener en una huerta. En los inicios de la automatización se usaron programadores conectados a una electroválvula donde indicamos las horas entre las que deseamos regar. El siguiente paso fue poner detectores de lluvia para no regar si estaba lloviendo. Otro paso fue poner sensores de temperatura y humedad ambientales y sensores de humedad de suelo que nos indican cuándo debemos regar y en qué áreas de nuestra huerta.

El paso más avanzado que ofrece el IoT es poder conectar todo este sistema, ya de por sí muy eficiente, a los opendata meteorológicos disponibles en Internet como el de la aemet (http://www.aemet.es/es/datos_abiertos/AEMET_OpenData) y que nuestro sistema obtenga datos de prediciones meteorológicas y decida no regar si la predicción de lluvia es mayor del 80% en los próximos dos días o simplemente ajustar el algoritmo de riego en función los valores de los sensores + es de los datos meteorológicos. También puede recibir alertas de tormenta o pedrisco y tomar determinadas acciones o simplemente mandar un email o SMS al propietario del huerto. ¿Podríamos hacer esto con un sistema comercial?

Esto podría extenderse a explotaciones agrícolas usando un servicio como el sistema de información agroclimática de La Rioja:

IoT nos permite actualizar procesos productivos al siglo XXI (Retrofit)

Para mi, IoT no es que un coche se pueda conectar a Internet para ver videos de youtube, sino que este coche esté conectado a Internet para que pueda actualizar su firmware automáticamente sin necesidad de ir al concesionario, pueda ser inmovilizado en caso de robo o pueda mandar datos de los parámetros internos del coche para que sean analizados y poder detectar alertas precoces de fallo y actualizar automáticamente ese fallo sin que el usuario tenga que hacer nada o avisar al usuario para que lleve el coche a reparar y parar el coche si el usuario no ha llevado a revisión al cabo de unos kms para evitar males mayores.

Explicación de IoT http://www.kaaproject.org/iot-101-what-is-an-iot-platform/

Cómo Conectar a Internet una Tostadora?

Veamos un resumen de los elementos que necesitamos para conectar un dispositivo a Internet y hacer un proyecto de IoT completo.

Supongamos que quiero conectar mi tostadora a Internet y hacer un sistema que conecte mi coche con la tostadora y cuando me acerque a casa ponga en funcionamiento la tostadora y además me informe en el móvil que la tostadora se pone un funcionamiento y me indique la temperatura de la tostadora.

Lo primero que necesito es un sensor para medir la temperatura y un actuador que encienda la tostadora. Para poder leer el sensor y poder manejar el actuador necesitaré un microcontrolador con entradas (sensor) y salidas (actuador), por ejemplo, un Arduino.

Ahora ya puedo leer los datos de la tostadora y encenderla, el siguiente paso es conectarla a Internet.

Primero necesito acceso a Internet (conectividad), puedo usar ethernet, pero ¿Quien tiene una toma de red en la cocina?

Mejor usando comunicaciones inalámbricas como: wifi, bluetooth, redes móviles, XBee, etc…

Una vez tenemos conectividad, necesitamos un protocolo de comunicación para comunicar los datos y las órdenes entre los distintos dispositivos.

  • HTTP REST

  • MQTT

Supongamos tenemos nuestra tostadora con un Arduino integrado y un chip WiFi. Hay dos formas en la que pueden hablar entre el geolocalizador del coche y nuestra tostadora.

  1. Tener uno de los dispositivos trabajando como servidor con una dirección IP, de forma que el otro dispositivo se pueda conectar en cualquier momento.
  2. Tener un tercer servidor y tanto la tostadora como el coche se conecten al servidor y este mande mensajes a uno y otro.

La opción 1 es la más barata al no necesitar un elemento extra, pero al menos uno de los dispositivos necesita una IP pública conocida y fija, además hay que abrir puertos en el router de casa lo que supone una dificultad adicional y un punto más en la seguridad.

En la opción 2 el servidor maneja los mensajes, en el caso de MQTT se trata del broker. Es un elemento neutral al que las “cosas” se pueden conectar para enviar y recibir mensajes.

Adicionalmente podemos tener una plataforma que almacene datos y luego podamos visualizarlos, analizarlos, hacer cuadros de mando o interactuar con otras plataformas o servicios de terceros.

En resumen, al hacer un proyecto IoT debemos hacernos estas preguntas:

  • Qué quieres medir?
  • Cómo lo quieres conectar?
  • Qué quieres hacer con los datos?

Elementos que intervienen en el IoT

Elementos en IoT:

  • Plataformas Software, para tratar los datos recogidos por nuestros sensores y almacenarlos. Pueden ser plataformas de terceros o plataformas propias desarrolladas por nosotros o simplemente guardar en BBDD propias. Por ejemplo: Carriots, Thingspeak, Temboo, Thinger, etc…
    Además todas estas plataformas SW que están en la nube, deben estar soportadas por un HW de servidores, unas BBDD de gran capacidad y una infraestructura segura que los hospede.
  • Servicios, son los servicios que ofrecen las plataformas como mostrar los datos recogidos, mandar avisos cuando se detecte un evento o la interconexión con otras plataformas o simplemente. Servicios ofrecidos por la plataforma carriots: https://www.carriots.com/que-es-carriots

Sensor — MCU — Comunicación — Protocolo — Plataforma — Servicios

Uno de los retos del IoT es mandar datos de cualquier sensor a través de cualquier protocolo a cualquier plataforma de forma inalámbrica y usando la menor energía posible para uso de baterías.

Cadena de valor de IoT:

recoger datos — conectar — almacenar — analizar — mostrar — actuar — predecir

IoT Manifesto

Arduino IoT Manifesto: https://create.arduino.cc/iot/manifesto/

“Arduino cree que construyendo nuevos productos conectados con SW, HW y protocolos de comunicación open source, podemos hacer un entorno más innovador para los makers, emprendedores y grandes corporaciones. Dando a los usuarios de posibilidad de compartir su trabajo abiertamente, compartimos retos, resolvemos problemas y construimos mejores productos conectados.

Estamos seguros que con una aproximación abierta y compartida de SW, HW y protocolos es la mejor solución”

Esta aproximación puede extender al mundo empresarial el concepto de DIY, permitiendo hacer pruebas de conceptos y pequeños proyectos por uno mismo y en caso que sea viable lanzarse a proyectos profesionales con el apoyo de expertos.

Análisis: Kits Aprendizaje XBee de Digi

La gente de Digi en Logroño me ha dejado para probar dos kits de aprendizaje para que los pruebe y de paso me sirvan para preparar la parte de comunicación inlambrica del curso Arduino avanzado en http://www.aprendiendoarduino.com/arduino-avanzado-2016/.

Los kits que he probado son:

Se trata de unos kits de aprendizaje de los famosos módulos RF XBee que fabrica Digi para comunicación inalámbrica y que pueden adquirirse en digi-key electronics http://www.digikey.es/

En la caja de ambos kits viene todo el hardware y el enlace a la web donde se encuentran los tutoriales y guías para el uso de los kits.

Veamos por separado cada uno de los kits.

Digi Wireless Connectivity Kit

Aunque el uso que voy a hacer los los módulos va a ser siempre con Arduino, me decidí empezar con este kit que no tiene Arduino ni posibilidad de conectar con un microcontrolador directamente, porque me parecía más sencillo y me quería centrar en aprender la tecnología ZigBee y manejar los módulos XBee de Digi, y no me equivoqué.

Luego con el siguiente kit (XBee Arduino Compatible Coding Platform) y los conocimientos adquiridos, me resultó más fácil manejar los módulos XBee con Arduino.

El hardware de este kit es muy sencillo, se compone de dos módulos XBee serie 1 o XBee 802.15.4 que son unos módulos muy sencillos de Xbee, dos placas de desarrollo para los módulos con conectores grove y dos cables micro USB para conectar las placas de desarrollo al ordenador.

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Este hardware puede comprarse en digi-key en el siguiente enlace: http://www.digikey.es/product-detail/es/digi-international/XKB2-AT-WWC/602-1551-ND/5305247 y tiene un coste de 59$ (aproximadamente 53€).

En la web de digi-key hay un kit nuevo http://www.digikey.es/product-detail/es/digi-international/XKB2-A2T-WWC/602-1902-ND/6010111 que usa los módulos XBee S2C 802.15.4

En mi caso el que he probado es el que lleva los módulos Serie 1:

También hay otros kits disponibles: http://www.digikey.es/en/product-highlight/d/digi-intl/xbee-arduino-coding-platform

Sobre el hardware, decir que es muy sencillo y útil para el aprendizaje, pero luego solo se podría reutilizar los módulos RF, porque las placas de desarrollo no les veo mucha salida salvo para hacer las prácticas propuestas en el kit. A estas placas de desarrollo les añadiría una salida accesible del puerto serie con un selector a 3.3 o 5 V para poder conectarlas a una Raspberry Pi o un Arduino y poder seguir usándolas y aprender la integración con otros dispositivos, ya que sino están limitadas al uso con el ordenador.

Para usar este hardware Digi pone a disposición de los compradores del kit y del resto del mundo un tutorial que va contando paso a paso cómo montar los módulos, como instalar el software necesario para configurar y manejar los Xbee, explica cómo funcionan los módulos y en cada apartado propone ejercicios prácticos para usarlo con el kit adquirido.

Este completo tutorial es accesible desde: http://www.digi.com/resources/documentation/Digidocs/90001456-13/Default.htm

PDF del tutorial: http://www.digi.com/resources/documentation/digidocs/pdfs/90001456-13.pdf

Este tutorial es la gran aportación de Digi para aprender a manejar sus módulos RF desde cero y te guia paso a paso como si de un curso online fuera.

El tutorial comienza con ejemplos muy sencillos y hace una guía paso a paso para aprender el manejo los módulos. Los puntos más importantes que se ven son:

Este tutorial es perfecto para aprender a manejar los módulos de una forma muy didáctica, aunque en algunos aspectos se queda corto en la explicación (al menos para los más curiosos) y hay que hacer un acto de fe que con esa configuración funciona, pero en algún caso sin explicar bien porqué. Esa falta de información puede llevar a error en un par de casos a la hora de hacer funcionar la práctica, pero pensando un poco es sencillo resolverlo.

Otro defecto de este tutorial, al menos para mi, es que los ejercicios más interesantes los hace con Java para crear una aplicación en el ordenador que se conecte a los módulos e interactúe con ellos, pero yo añadiría esos mismos ejercicios con algún otro lenguaje como python con .NET.

El objetivo de este kit junto con el manual es aprender a manejar los módulos RF de XBee para la conexión de dispositivos y sensores y lo cumple a la perfección. Además por aprox. 53€ después de aprender a usarlos puedes reutilizar los módulos XBee en cualquier proyecto.

Para mis cursos en www.aprendiendoarduino.com uso como base este tutorial para enseñar como manejar los módulos Xbee.

XBee Arduino Compatible Coding Platform

El segundo kit de aprendizaje de Digi que he probado, comencé a usarlo cuando ya había probando a fondo el anterior (Wireless Connectivity Kit) y conocía bien el uso de los módulos RF de XBee, lo que me facilitó mucho el uso de este kit, puesto que la parte más teórica del funcionamiento de los módulos de XBee no viene en el tutorial de este kit.

El hardware de este kit es muy completo y trae entre otras cosas:

Todo el contenido del kit está en http://docs.digi.com/display/XBeeArduinoCodingPlatform/Kit+contents

wirelessgamekit

Este hardware puede comprarse en digi-key en el siguiente enlace por 99$ (aproximadamente 89,11€): http://www.digikey.es/product-detail/en/digi-international/XKB2-AT-WWG/602-1550-ND/5271212

La verdad es que es un buen precio por el kit teniendo en cuenta que tenemos 3 módulos XBee.

Datasheets:

Sobre el hardware, decir que es muy completo y que todos los materiales que vienen pueden ser reutilizados para otros proyectos.

Para usar este hardware Digi pone a disposición de los compradores del kit y del resto del mundo un tutorial que va contando paso a paso diversos proyectos enfocados al juego, tanto con Arduino como interacción con el ordenador.

El tutorial es accesible desde: http://docs.digi.com/display/XBeeArduinoCodingPlatform/XBee+Arduino+Compatible+Coding+Platform

Este tutorial empieza haciendo una breve descripción del kit y luego explica la instalación del software XCTU y un primer ejemplo. Luego ya entra de lleno en los proyectos.

El kit incluye cinco proyectos con processing para demostrar la interacción con software y otros 5 proyectos con Arduino, para hacer circuitos inalámbricos con los módulos XBee.

Este tutorial se centra en los proyectos que son muy didácticos, pero apenas trata la parte más teórica del funcionamiento de XBee. En algunos proyectos hay enlaces a los aspectos de cómo funcionan los módulos XBee, pero están un poco escondidos y no son accesibles desde el menú lateral.

Los proyectos me gustan, pero de nuevo hay que hacer un acto de fe que las configuraciones que nos dan funcionan, aunque no se explica porque los parámetros que funcionan son esos y no otros.

Al final de cada proyecto hay un apartado llamado “Learn More” y en muchos casos apunta al tutorial del anterior kit (Wireless Connectivity Kit), lo que confirma mi idea que antes de empezar con este kit, es recomendable leer el tutorial del kit anterior si quieres conocer bien el manejo de los módulos XBee.

Después de los proyectos y para finalizar hay varios apartados de información adicional, especialmente interesantes el de troubleshooting y XBee buying guide.

Proyectos Usando Processing

Los proyectos propuestos en este tutorial para interacción de XBee con software, en este caso con processing, son:

Todo el código está disponible en:

Estos proyectos no están actualizados a la última versión 3 de processing, lo que provoca que aparezca algún pequeño error en el código fácilmente solucionable.

Estos 5 proyectos son básicamente iguales y nos enseñan cómo interactuar hardware y software de forma inalámbrica. Nos da la configuración de los dos módulos, uno conectado al ordenador y otro a unos botones, potenciómetros, etc… y nos da el software a ejecutar. Luego simplemente es ver como interactua.

Los dos primeros proyectos demuestra el pin pairing y cómo funciona la librería de XBee en processing y por lo tanto en ese caso el módulo XBee debe estar en modo API. El cuarto proyecto es igual que el segundo pero en lugar de usar un módulo, usa dos módulos. En el tercer proyecto añade un tercer módulo y la entradas analógicas con un potenciómetro y el envío de lecturas cada 100 ms. El último proyecto mezcla lo aprendido en los anteriores y monta un controlador de juegos inalámbrico.

Una mejora que podría incluir el código de processing es sacar por pantalla lo recibido por el módulo XBee, que serviría para hacer debug y aprender un poco más del modo API. Sería sencillo añadir esa funcionalidad por nuestra parte.

También sería interesante añadir a este kit algún ejemplo con lenguajes de programación más usados como python o .NET.

Proyectos Usando Arduino

Los proyectos propuestos en este tutorial para uso de XBee con Arduino son:

Los 4 primeros proyectos son muy parecidos trabajando la comunicación inalámbrica con Arduino, la librería de XBee y los conceptos de cambio de estado de pin y las entradas y salidas de los módulos XBee. El último ejemplo introduce otros conceptos como el de coordinador y RSSI o indicador de fuerza de señal recibida.

Al contrario que tutorial del anterior kit, no se habla casi nada de la parte de cómo funcionan los módulos XBee y cómo interactúan con Arduino. Hay un apartado de trabajando con Arduino http://docs.digi.com/display/XBeeArduinoCodingPlatform/Working+with+Arduino donde se ven unas nociones básicas de Arduino y otra de como instalar la librería xbee-arduino en http://docs.digi.com/display/XBeeArduinoCodingPlatform/Installing+the+xbee-arduino+library, pero no está actualizado a las nuevas versiones del IDE de Arduino, aunque en el enlace al repositorio de github de la librería si lo explica: https://github.com/andrewrapp/xbee-arduino

Un aspecto que sería muy interesante es documentar la librería xbee-arduino explicando que hace cada método de los disponibles, porque sino no nos queda más remedio que ponerse a leer el código de la librería y averiguarlo por tu cuenta.

El código de los ejercicios está disponible en https://github.com/digidotcom/XBeeArduinoCodingPlatform para descargar o hacer fork.

A la hora de hacer los ejercicios, si algo no funciona, es imposible hacer troubleshooting porque no se proporciona una forma de mandar por puerto serie todo lo que le llega de Arduino. Un poco de debug es necesario no solo para ver que puede estar fallando sino para aprender cómo funciona la comunicación entre Arduino y XBee.

Este kit tiene 3 módulos pero sólo es posible hacer ejemplos de comunicación multipunto, pero no es posible hacer esquemas de comunicación mesh, puestos que los módulos del kit no tienen esa funcionalidad.

En este tutorial apenas se ofrece parte teórica, lo que hace que si no hubiera hecho el anterior tutorial me hubiera costado un poco más entender el funcionamiento de los módulos XBee o hacer un acto de fe de que las configuraciones funcionan, pero la parte de la explicación de las conexiones y los proyectos es muy buena.

Los puntos más interesantes del tutorial son:

El objetivo de este kit junto con el manual es aprender más sobre cómo los módulos XBee pueden integrarse fácil y rápidamente con otros elementos (como Arduino o software) para conseguir conectividad inalámbrica y en mi opinión se consigue.

Conclusión

La gran ventaja de uso de los módulos RF XBee frente a otros es la sencillez de uso gracias al potente programa de configuración XCTU. Esto permite aplicar tecnología inalámbrica de forma rápida y sencilla a nuestros proyectos. La desventaja es el precio, son más caros que otros módulos equivalentes como los nRF24.

Con estos kits de aprendizaje se consigue aprender cómo funcionan los módulos XBee y cómo manejarlos. Los tutoriales disponibles en general están muy bien para aprender como si de un curso online se tratara.

Con estos kits he aprendido mucho, pero para los curiosos que nos gusta llegar más al fondo se quedan un poco cortos y he usado este documento http://www.hmangas.com/Electronica/Datasheets/Shield%20XBee%20Arduino/XBee-Guia_Usuario.pdf para profundizar y aclarar algunos conceptos.

Agradecer a Digi Logroño y en especial al Carlos que me hayan prestado este material y poder ampliar mi conocimiento sobre la tecnología XBee y así poder incluirla en mis cursos.

Más información de XBee en mis cursos y talleres de www.aprendiendoarduino.com y en el apartado XBee del curso avanzado de Arduino http://www.aprendiendoarduino.com/arduino-avanzado-2016/

Si quieres saber cuándo publicaré en la web los próximos cursos de XBee y donde los impartiré presencialmente, puedes enterar a través de mi twitter @jecrespom o en la lista de correo de #aprendiendoarduino http://list.aprendiendoarduino.com/mailman/listinfo/aprendiendoarduino.com.noticias

Arduino Web Server

Crear un servidor web sencillo que saque por el puerto serie y también devuelva al navegador que le ha llamado la petición http que le ha llegado.

Luego añadir el valor leído en la entrada analógica A0.

Por último leer línea a línea la petición, esto es útil cuando hay que analizar el http request y que Arduino devuelva una cosa u otra en función de la petición que llegue.

Tutorial webserver: http://playground.arduino.cc/Code/WebServerST

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio26-EthernetServer

Otro ejemplo similar muy bien explicado: https://wngeek.wordpress.com/2013/07/24/185/

Al igual que hemos hecho un web server podríamos implementar un telnet server escuchando por el puerto 23. Ejemplos:

Web Embebida con Arduino

Crea una web embebida en Arduino con un botón que al pulsarlo desde el navegador encienda un led y al volver a pulsarlo apague un led.

Al recibir un get Arduino muestra una web para encender o apagar el led en función del estado del led.

Cuando pulso el botón de la web, el navegador manda un post con la instrucción de encender o apagar el led, Arduino la ejecuta y devuelve el estado en que queda el led y te da la opción de volver a la página anterior.

NOTA: Aquí además de programar arduino, se usan conceptos de HTML

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio27-Boton

Otro tutorial similar: http://diymakers.es/crear-servidor-web-con-arduino/

Webserver con Ajax

Crear una web embebida que controle el encendido y apagado de un led tanto manualmente pulsando un botón como automáticamente al sobrepasar un umbral que pasamos a Arduino como parámetro mediante la web con una entrada numérica. Podría asemejarse a un termostato donde la entrada es una sonda de temperatura y su valor lo comparo con la temperatura que le paso como parámetro.

La web mostrará el estado de varias entradas analógicas, un botón para encender manualmente el led y una entrada numérica para enviar el dato del umbral.

web_ajax

NOTA: aquí se usa programación en javascript para ajax.

Ajax es una técnica muy eficaz para estos casos porque para mostrar los datos actualizados dinámicamente no es necesario cargar la web completamente, sino que sólo manda los datos que se actualizan en la web que son unos pocos bytes.

Mediante Ajax podemos actualizar los datos de la web embebida en Arduino sin necesidad de cargar toda la web, sino solo mandando los datos actualizados, economizando los datos mandados a través de la red.

Ajax:

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio42-Ajax

Web Embebida en Linux

Otra técnica para tener una web embebida en Arduino es usar los Arduino Yun o Tian que tiene un procesador MIPS con un linux embebido y usar un servidor web linux para servir las páginas. Luego mediante las librerías bridge o ciao se puede comunicar el microntrolador de Arduino con el procesador MIPS.

En este caso la web está en un servidor web del sistema operativo openWRT basado en linux y al interactuar con él la librería bridge se encarga de comunicar internamente linux con el microcontrolador del Arduino Yun.

Ejemplo para controlar los leds de un neopixel mediante una web en un Arduino Yun: https://github.com/jecrespo/NeoPixel

Neopixel: https://www.adafruit.com/category/168

Control del coche: https://github.com/jecrespo/Coche_AprendiendoArduino

Ethernet Shield

El Arduino ethernet shield nos da la capacidad de conectar un Arduino a una red ethernet. Es la parte física que implementa la pila de protocolos TCP/IP.

Está basada en el chip ethernet Wiznet W5100. El Wiznet W5100 provee de una pila de red IP capaz de soportar TCP y UDP. Soporta hasta cuatro conexiones de sockets simultáneas. Usa la librería Ethernet para leer y escribir los flujos de datos que pasan por el puerto ethernet. Me permitirá escribir sketches que se conecten a internet usando la shield.

Datasheet de W5100: https://www.sparkfun.com/datasheets/DevTools/Arduino/W5100_Datasheet_v1_1_6.pdf

Librería ethernet: http://arduino.cc/en/Reference/Ethernet

El shield provee un conector ethernet estándar RJ45. La ethernet shield dispone de unos conectores que permiten conectar a su vez otras placas encima y apilarlas sobre la placa Arduino.

Arduino usa los pines digitales 10, 11, 12, y 13 (SPI) para comunicarse con el W5100 en la ethernet shield. Estos pines no pueden ser usados para e/s genéricas.

El botón de reset en la shield resetea ambos, el W5100 y la placa Arduino.

La shield contiene varios LEDs para información:

  • ON: indica que la placa y la shield están alimentadas
  • LINK: indica la presencia de un enlace de red y parpadea cuando la shield envía o recibe datos
  • 100M: indica la presencia de una conexión de red de 100 Mb/s (de forma opuesta a una de 10Mb/s)
  • RX: parpadea cuando el shield recibe datos
  • TX: parpadea cuando el shield envía datos

El jumper soldado marcado como “INT” puede ser conectado para permitir a la placa Arduino recibir notificaciones de eventos por interrupción desde el W5100, pero esto no está soportado por la librería Ethernet. El jumper conecta el pin INT del W5100 al pin digital 2 de Arduino.

El slot SD en la shield usa la librería http://arduino.cc/en/Reference/SD para manejarlo. El propio chip W5100 incluye el manejo de tarjetas SD.

Para usar la Ethernet Shield solo hay que montarla sobre la placa Arduino. Para cargar los sketches a la placa con el shield, conectarla al ordenador mediante el cable USB como se hace normalmente. Luego conectar la Ethernet a un ordenador, a un switch o a un router utilizando un cable ethernet standard (CAT5 o CAT6 con conectores RJ45). La conexión al ordenador puede requerir el uso de un cable cruzado (aunque muchos ordenadores actuales, pueden hacer el cruce de forma interna).

Un tutorial sencillo para comenzar con el shield ethernet en: http://www.artinteractivo.com/arduino-ethernet

Para cualquier duda sobre el ethernet Shield consultar: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield

Puntos a recordar del Ethernet Shield:

  • Opera a 5V suministrados desde la placa de Arduino
  • El controlador ethernet es el W5100 con 16K de buffer interno. No consume memoria.
  • El shield se comunica con el microcontrolador por el bus SPI, por lo tanto para usarlo siempre debemos incluir la libreria SPI.h: http://arduino.cc/en/Reference/SPI
  • Soporta hasta 4 conexiones simultáneas
  • Usar la librería Ethernet para manejar el shield: http://arduino.cc/en/Reference/Ethernet
  • El shield dispone de un lector de tarjetas micro-SD que puede ser usado para guardar ficheros y servirlos sobre la red. Para ello es necesaria la librería SD: http://arduino.cc/en/Reference/SD
  • Al trabajar con la SD, el pin 4 es usado como SS.

Arduino UNO se comunica con W5100 y la tarjeta SD usando el bus SPI a través del conector ICSP. Por este motivo los pines 10, 11, 12 y 13 en el UNO y los 50, 51, 52 y 53 en el Mega no podrán usarse. En ambas placas los pines 10 y 4 se usan para seleccionar el W5100 y la tarjeta SD. El Ethernet y el SD no pueden trabajar simultáneamente y debemos tener cuidado al usar ambos de forma conjunta.

Para conectar el shield, se deben seguir estas instrucciones: http://arduino.cc/en/Guide/ArduinoEthernetShield

El esquemático lo podéis encontrar en: http://arduino.cc/en/uploads/Main/arduino-ethernet-shield-06-schematic.pdf

Arduino Ethernet Shield 2

Arduino Ethernet Shield es una placa que aparece en la web de arduino.cc como retirado, pero sigue estando disponible como clones o versiones derivadas.

Por otra parte arduino.org a sacado el Arduino Etherner Shield 2 con el nuevo Wiznet 5500 http://www.arduino.org/products/shields/arduino-ethernet-shield-2

Este Shield usa la librería ethernet2: http://www.arduino.org/learning/reference/Ethernet-two-Library

Data sheet de W5500: https://www.sos.sk/productdata/15/26/12/152612/W5500_datasheet_v1.0.2_1.pdf

Mejoras de W5500: https://feilipu.me/2014/11/16/wiznet-w5500-ioshield-a/

Power over Ethernet

El Ethernet shield es compatible con PoE gracias a un módulo adicional que extrae la energía eléctrica del cable ethernet, anteriormente inyectada desde el switch.

Las características del módulo PoE:

  • IEEE802.3af compliant
  • Low output ripple and noise (100mVpp)
  • Input voltage range 36V to 57V
  • Overload and short-circuit protection
  • 9V Output
  • High efficiency DC/DC converter: typ 75% @ 50% load
  • 1500V isolation (input to output)

Data sheet: http://arduino.cc/en/uploads/Main/PoE-datasheet.pdf

Más información sobre el Power Over Ethernet:

Como funciona PoE:

http://www.bb-elec.com/Learning-Center/All-White-Papers/Ethernet/Power-over-Ethernet-PoE.aspx

Phantom Feeding:

Alimentación sobre cables libres:

WIZnet W5100

El integrado W5100 se conecta al arduino mediante SPI.

Para saber todo sobre el W5100 revisar: http://www.ermicro.com/blog/?p=1773

Básicamente el Wiznet W5100 implementa una pila TCP con todas las funciones del estándar IEEE 802.3 (Ethernet capa física y de enlace de datos) dentro del chip; esto hace que el chip Wiznet W5100 sea buena opción para integrar el sistema embebido en internet. La programación del chip de Wiznet W5100 es también fácil ya que sólo tenemos que escribir y leer desde y hacia los registros internos W5100 con el fin de utilizar el construir funciones de los protocolos TCP/IP.

El Wiznet W5100 actuará como un dispositivo esclavo SPI controlado por microcontrolador ATMega328 como el SPI Maestro. Necesita el protocolo SPI al menos cuatro señales, MOSI (Master Out Serial In), MISO (Master In Serial Out), SCK (señal de reloh proporcionada por el maestro) y CS (the SPI slave chip select). El chip W5100 también proporciona el pin de interrupción.

Especificaciones:

¿Es posible hacer pings con arduino?

Sí, pero por supuesto con una librería: http://playground.arduino.cc/Code/ICMPPing

¿Soporta Arduino IPv6?

El shield oficial de arduino basado en el WizNet 5100 implementa la pila de protocolos IPv4, por lo que está shield no puede ser utilizada para implementar la pila IPv6.

Para implementar la pila IPv6, es necesario usar un shield basado en hardware que permita la gestión de la funciones de las capas de IP y ethernet. Shields basados en el chip MicroChip ENC28J60 son adecuados para la implementación de IPv6. Esto requiere la implementación de una gestión de los estados TCP, resultando un código de arduino más complejo.

Datasheet Chip ethernet IPv6:

Más información sobre IPv6: https://sites.google.com/site/ghoelzl/ipv6

IPv6WebServer: https://sites.google.com/site/ghoelzl/ipv6ethershield/ipv6_http_server

Y aun más… http://www.tweaking4all.com/hardware/arduino/arduino-enc28j60-ethernet/

Y otro ejemplo: http://www.fut-electronics.com/wp-content/plugins/fe_downloads/Uploads/Ethernet-Module-ENC28J60-Arduino.pdf

Librerías: