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Material Curso Raspberry Pi y Node-Red

El material necesario para realizar este curso es:

  • 1 PC o portátil con conexión a internet.
  • Software de virtualización instalado para ejecutar Node-RED. p.e. VirtualBox, VMWare Fusion o Docker.
  • Kit de Raspberry Pi conectada a Internet. Estas Raspberry Pi podrían ser proporcionadas por el Think TIC y configurarlas para acceso remoto desde casa del alumno a los dispositivos ubicados en el Think TIC
  • Opcionalmente los alumnos con dispositivos IoT podrían conectarse e interactuar con ellos.

Kits Raspberry Pi compuestos por:

Las Raspberry Pis se usarán como instancias de Node-RED y nodos centrales a los que se conectan los nodos remotos, por lo que no conectaremos sensores/actuadores/periféricos a las Raspberry Pi.

Nodos Remotos:

  • 1x Wemos D1 min o NodeMCU o equivalente (M5Stick)
  • 1x shields para wemos D1 mini relé o equivalente
  • 1x shields para wemos D1 mini neopixel o equivalente
  • 1x shields para wemos D1 mini oled o equivalente
  • 1x Cable USB para programar Wemos

Datasheet wemos y shields:

Los shields son «plug and play» sobre los wemos D1 mini que usaremos como nodos remotos, lo que facilita el montaje y uso.

El firmware para los nodos remotos:

Todo el software y documentación utilizado en el curso es libre con licencia creative commons o similar.

Toda la documentación generada para la impartición de este curso será liberada con licencia Creative Commons y podrá ser utilizada bajo sus términos. La documentación estará disponible en https://www.aprendiendoarduino.com/

Dispositivos Adicionales

Se podrán usar otros dispositivos para interactuar con ellos, tanto en el aula como en ubicaciones remotas.

M5stack: https://m5stack.com/collections/m5-core/products/basic-core-iot-development-kit 

M5Stick-C con sensor ENV:

Raspberry Pi Zero: Instalada en local con cámara y programada con Node-RED, usada como dispositivo remoto.

Raspberry Pi 3B: Instalada en remoto con Node-RED, Mosquitto y BBDD, usada como servidor.

Wibeee instalado y publicando datos.

Wibeee ONE 2W

Si el alumno tiene algún HW con que quiera interactuar, puede presentarlo y lo integramos en las prácticas. El HW puede estar tanto en el aula como remotamente en su casa, oficina, etc…

Servicios Cloud para el Curso

Se usará un broker común para comunicar todos los dispositivos en las direcciones: mqtts://enriquecrespo.com:8883 y mqtts://aprendiendonodered.com:8883

Los alumnos recibirán usuario y contraseña para acceder al broker con permisos de lectura y escritura en aprendiendonodered/#

Base de datos MySQL en https://enriquecrespo.com/phpmyadmin/ donde los alumnos podrán usar para almacenar datos. Los alumnos recibirán las credenciales de acceso.

Base de datos InfluxDB en https://enriquecrespo.com:8086/ donde los alumnos podrán usar para almacenar datos. Los alumnos recibirán las credenciales de acceso.

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:

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