Arduino: Ethernet

Arduíno: Comunicação e Rede

Comunicação Serial

Conceitos sobre comunicação serial e paralela

Comunicação serial e paralela

Comunicação Serial no Arduíno

O Arduíno UNO possui uma porta serial (Serial) (também referida como UART) e se comunica através dos pinos 0 (RX) e 1 (TX), assim como com o computador via USB. Se você utiliza a comunicação serial não pode utilizar os pinos 0 e 1 como entradas e saídas.

Também é possível utilizar o monitor serial, disponível na IDE do Arduíno, para comunicação bidirecional com uma placa Arduíno conectada em uma porta USB.

Não é possível utilizar as portas seriais do Arduíno diretamente em uma comunicação com uma interface RS232, pois esta usa tensões de -12 V e 12 V.

Outras placas Arduíno

• O Arduíno Leonardo usa a Serial exclusivamente para comunicação com a porta USB. Para comunicação serial nos pinos 0 (RX) and 1 (TX) deve-se utilizar a Serial1.
• O Arduíno Mega tem três portas de comunicação serial adicionais: Serial1, Serial3 e Serial3.

Laboratório 1: Comunicação serial entre dois Arduínos

Monitor Serial

O monitor serial permite enviar dados do computador ao Arduíno pela interface serial USB.

Procedimentos:

1. Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Communication/PhysicalPixel e acionar o led do pino 13 a partir de comandos H e L enviados pelo monitor serial.

Comunicação entre dois Arduínos

Procedimentos:

1. Conectar com um par de fios os dois Arduínos através das portas seriais de ambos os microcontroladores: TX->RX e RX<-TX;
2. Carregar no receptor o programa exemplo Arquivo/Exemplos/Communication/PhysicalPixel;
3. Carregar no emissor o código abaixo;
4. Observar a comunicação serial a partir do led piscando no receptor e também monitorar a troca de mensagens a partir do monitor serial.

 //emissor  
 int num = 0;
 void setup(){
  Serial.begin(9600);
 }
 void loop(){
  Serial.write('H');
  delay(2000);
  Serial.write('L');
  delay(2000);
 }
 }

Configuração do SimulIDE para comunicação serial com Arduíno

É possível realizar comunicação serial entre um Arduíno rodando no SinulIDE e um Arduíno conectado a porta USB do computador.

1. No Arduíno conectado a USB, verificar a partir da IDE a porta de comunicação que está sendo utilizada: ttyACM0 (p.ex.);
2. No Arduíno no SimulIDE, clicar com o botão direito do mouse sobre a placa e selecionar Open Serial Port;
3. No bloco Uart que vai abrir, clicar com o botão direito do mouse e selecionar properties;
4. Escrever em port name o nome da porta serial;
5. Clicar em Open para ativar a porta (deve indicar sucesso com o botão vermelho).

Comunicação usando módulo Ethernet

O módulo Ethernet (Ethernet Shield), juntamente com a biblioteca Ethernet.h, permite que um Arduíno se conecte a Internet. Esta biblioteca provê funcionalidades tanto para cliente quanto par servidor, além de permitir a conexão com a rede local tanto usando IP fixo, DHCP e também usando DNS.

O Ethernet Shield 2 permite conectar o Arduíno a rede local e a Internet com conector RJ45 e velocidade de 10/100 Mbps. A conexão do shield com o Arduíno é realizada pelo barramento SPI (Serial Peripheral Interface), que faz uso dos pinos 10, 11, 12 e 13 do Arduíno para comunicação e necessita da biblioteca SPI.h. O SPI é uma interface de comunicação serial síncrona usada para comunicação em distâncias curtas. O Ethernet Shield possui ainda um slot para cartão SD e usa o pino 4 para controlar o pino de seleção do cartão SD.

Para uso do módulo Ethernet há uma serie de exemplos prontos (Examples from Libraries).

Laboratório 2: Web Server

Este laboratório mostra como utilizar um Ethernet Shield juntamente com o Arduíno para criar um Web Server que forneça informações sobre sensores conectados a entradas analógicas .

Procedimentos

1. Conectar o Shield Ethernet a placa Arduíno e a rede local (usando cabos de rede CAT 5/6 e conector RJ45);
2. Conectar alguns sensores as entradas analógicas do Arduíno para monitorar via Web (Pode Modificar o programa exemplo em função dos sensores que utilizar);
3. Carregar o programa exemplo: Arquivo/Exemplos/Ethernet/WebServer;
   • Atenção:
     • Configurar IP de acordo com a Rede Acadêmica do Campus;
     • Configurar MAC único para a rede local.
   • Sugestão: Configurar último byte MAC com o número do Kit utilizado e o IP com 2xx, onde xx é o número do Kit utilizado.
4. Testar a conectividade com o servidor Web com o aplicativo de rede ping;
5. Testar o acesso ao servidor Web a partir de um navegador.

Análise do funcionamento do programa Web Server

Código exemplo

Comentários traduzidos.

/*
 Web Server
 Servidor Web simples que mostra os valores das entradas analógicas.
*/
#include <SPI.h>
#include <Ethernet.h>
// Definição do endereço MAC:
// São 6 bytes em hexadecimal e deve ser único para a rede local.
byte mac[] = {
  0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED
};
// Definição do endereço IP fixo:
IPAddress ip(192, 168, 71, 2xx);
// Inicialização do servidor e definição da porta para escuta 
// (porta 80 é default para HTTP):
EthernetServer server(80);
void setup() {
  // Inicialização da serial
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
    ; // Espera serial conectar. 
  }
  Serial.println("Ethernet WebServer Example");
  // Inicialização da conexão Ethernet e do servidor:
  Ethernet.begin(mac, ip);
  // Checa se o hardware Ethernet está presente:
  if (Ethernet.hardwareStatus() == EthernetNoHardware) {
    Serial.println("Ethernet shield was not found:(");
    while (true) {
      delay(1); // Nada a fazer sem hardware Ethernet
    }
  }
  if (Ethernet.linkStatus() == LinkOFF) {
    Serial.println("Ethernet cable is not connected.");
  }
  // Inicialização do servidor
  server.begin();
  Serial.print("server is at ");
  Serial.println(Ethernet.localIP());
}
void loop() {
  // Escuta por clientes
  EthernetClient client = server.available();
  if (client) {
    Serial.println("new client");
    // Requisições HTTP terminam com uma linha em branco
    boolean currentLineIsBlank = true;
    while (client.connected()) {
      if (client.available()) {
        char c = client.read();
        Serial.write(c);
        // Se chegou no final da linha (recebeu caractere: newline)
        // e a linha é vazia, a requisição HTTP terminou,
        // portando, envia resposta:
        if (c == '\n' && currentLineIsBlank) {
          // Envia cabeçalho da resposta HTTP 
          client.println("HTTP/1.1 200 OK");
          client.println("Content-Type: text/html");
          client.println("Connection: close");  // fecha a conexão após resposta
          client.println("Refresh: 5");  // atualiza página a cada 5 s
          client.println();
          client.println("<!DOCTYPE HTML>");
          client.println("<html>");
          // Imprime a saída de cada porta analógica
          for (int analogChannel = 0; analogChannel < 6; analogChannel++) {
            int sensorReading = analogRead(analogChannel);
            client.print("analog input ");
            client.print(analogChannel);
            client.print(" is ");
            client.print(sensorReading);
            client.println("<br />");
          }
          client.println("</html>");
          break;
        }
        if (c == '\n') {
          // Se está iniciando nova linha
          currentLineIsBlank = true;
        } else if (c != '\r') {
          // Se recebeu novo caractere na nova linha
          currentLineIsBlank = false;
        }
      }
    }
    // Tempo para processar o dado
    delay(1);
    // Fecha a conexão:
    client.stop();
    Serial.println("client disconnected");
  }
}

Comentários e complementos sobre a requisição HTTP

• Protocolo HTTP: Veja formato da mensagem de requisição HTTP;
• O programa não faz checagem do método (GET, PUT, POST, ... ) recebido na mensagem de requisição (aceita qualquer coisa, mesmo mensagem vazia).

Laboratório 3: Análise do Web Server com Wireshark

Ativar análise de pacotes com Wireshark utilizando filtro para IP e TCP porta 80:

ip.addr == 192.168.71.2xx and tcp.port == 80

Obs: Fechar outras janelas de navegador que estejam ativas no computador;

Análise de interação com navegador

Utilizar navegador para acessar servidor Web rodando no Arduíno e analisar pacotes com Wireshark.

Procedimentos:

1. Abrir navegador a acessar IP do Servidor Web;
2. Acompanhar mensagens no monitor serial do Arduíno;
3. Acompanhar dados recebidos pelo no navegador;
4. Identificar no Wireshark as mensagens de abertura e fechamento de conexão TCP;
5. Identificar no Wireshark as mensagens HTTP com troca de informações e os reconhecimentos enviados pelo TCP.

Análise de interação com telnet

Iniciar uma nova captura de pacotes com o Wiewshark.

Acessar servidor Web rodando no Arduíno com telnet na porta 80 e analisar pacotes com Wireshark:

telnet 192.168.71.2xx 80

Procedimentos:

1. Acompanhar mensagens no monitor serial do Arduíno;
2. Acompanhar dados recebidos pelo terminal telnet;
3. Identificar no Wireshark as mensagens de abertura de conexão TCP;
4. Digitar uma sequência de caracteres: GET (ou outra qualquer);
   • Acompanhar mensagens no monitor serial do Arduíno;
   • Acompanhar dados recebidos pelo telnet;
   • Identificar no Wireshark as mensagens trocadas;
5. Enviar linha vazia CRLF (Enter):
   • Acompanhar mensagens no monitor serial do Arduíno;
   • Acompanhar dados recebidos pelo telnet;
   • Identificar no Wireshark as mensagens trocadas e o encerramento da conexão TCP.

Análise de interação com curl

Repetir procedimentos acessando servidor Web rodando no Arduíno com curl e analisar pacotes com Wireshark:

curl 192.168.71.2xx

Laboratório 4: DHCP Address Print

Este laboratório mostra como configurar o arduíno para obter endereço IP dinamicamente com DHCP. O endereço obtido é impresso no monitor serial. .

Procedimentos

1. Conectar o Shield Ethernet a placa Arduíno e a rede local (usando cabos de rede CAT 5/6 e conector RJ45);
2. Carregar o programa exemplo: Arquivo/Exemplos/Ethernet/DhcpAddressPrinter;
3. Rodar o programa e observar no monitor serial o endereço IP obtido por DCHP;
4. Testar a conectividade com o aplicativo de rede ping.

Laboratório 5: Consulta a Servidor de Data/Hora

Este laboratório mostra como utilizar um Ethernet Shield para o Arduíno obter. por meio de uma requisição UDP, a dada e hora de um servidor da Internet por meio do protocolo NTP (Network Time Protocol) . Neste exemplo o Arduíno recebe endereço IP dinamicamente de um servidor DHCP.

Procedimentos

1. Conectar o Shield Ethernet a placa Arduíno e a rede local (usando cabos de rede CAT 5/6 e conector RJ45);
2. Carregar o programa exemplo: Arquivo/Exemplos/Ethernet/UdpNtpClient;
3. Testar o programa e acompanhar pelo monitor serial a data e hora obtida.
4. Pesquisar e testar consulta a servidores NTP no Brasil.

Cartão SD do módulo Ethernet

O Ethernet Shield 2 possui um slot para cartão SD que pode ser utilizado para gravação e leitura de dados com ajuda da biblioteca SD. A biblioteca usa nomes curtos 8.3 para arquivos (8 caracteres para o nome do arquivo e 3 para extensão) e o diretório de trabalho é sempre a raiz do cartão SD.

A comunicação entre o microcontrolador e o cartão SD usa o barramento SPI, que faz uso dos pinos 10, 11, 12 e 13 do Arduíno. O pino 4 é usado também para controlar a seleção do cartão SD.

Laboratório 6: Escrita e litura no cartão SD

Este laboratório mostra como utilizar o cartão SD para escrita e leitura de dados em um arquivo.

Procedimentos

1. Conectar o Shield Ethernet a placa Arduíno e inserir um cartão SD no módulo;
2. Carregar o programa exemplo: Arquivo/Exemplos/SD/ReadWrite;
3. Testar o programa e acompanhar pelo monitor serial o processo de escrita e leitura.

Laboratório 7: Armazenamento de dados de sensores em cartão SD

Este laboratório mostra como utilizar o cartão SD para armazenamento de dados de sensores em um arquivo.

Procedimentos

1. Conectar o Shield Ethernet a placa Arduíno e inserir um cartão SD no módulo;
2. Conectar ao Arduíno três sensores para leitura pelas entradas analógicas;
3. Carregar o programa exemplo: Arquivo/Exemplos/SD/Datalogger;
4. Adaptar o programa exemplo para os sensores conectados.

Projeto: Servidor Web com armazenamento de dados em cartão SD

Construa um servidor Web rodando em um Arduíno, capaz de ler periodicamente um sensor de temperatura e, a cada leitura, armazenar os dados como uma linha de um arquivo em cartão SD. Os dados de cada leitura do sensor devem ser acompanhados da data e hora consultadas em um servidor NTP.

A cada acesso ao servidor Web através de um navegador, o servidor deve fornecer as leituras dos dados do sensor de temperatura.

Obs:

• O programa para o servidor Web pode combinar vários dos exemplos vistos nos laboratórios.
• Consulte outros programas exemplos das bibliotecas Ethernet e SD.

Comunicação com Módulo Bluetooth

O módulo Bluetooth permite interagir com o Arduíno, por exemplo, utilizando um aplicativo em um smartphone.

Dois módulos Bluetooth bastante utilizados são o HC05 e o HC06. O HC05 pode funcionar como mestre ou escravo. O HC06 somente como escravo. Isto significa que o HC05 pode iniciar conexões com outros dispositivos e o HC06 pode somente aceitar conexões de outros dispositivos .

Pinagem e conexão com o Arduíno

Estes módulos apresentam 6 pinos, mas com apenas 4 pinos é possível colocar o mesmo para funcionar e fazer o Arduíno interagir dispositivos Bluetooth (o HC06 tem conexões apenas com estes 4 pinos).

            _________
           |         |
           |         |
           |         |
           |Bleutooth|
           |         |
           |   HC06  |
           |         |
           |         |
           |_________|
             | | | |
     Vcc ----+ | | +---- Txd
     Gnd ------+ +------ Rxd

• O pino EN, quando colocado em 0V desabilita o módulo;
• O pino Status pode ser lido e indica de esta desconectado (LOW) ou conectado (HIGH).

Cuidados com a conexão do módulo Bluetooth HC06 com o Arduíno

• Os módulos HC05 e HC06 funcionam com alimentação (Vcc) de 3,3V, mas possuem regulador interno e podem ser alimentados com tensão de 5 V;
• A comunicação serial, entretanto, opera somente com 3,3V, Como o Arduíno opera com 5V, é necessário utilizar um divisor de tensão na entrada Rxd do módulo, conforme exemplo abaixo:

VRxd = R2/(R1 + R2).5

Exemplo:

R1=470 Ω, R2=1 KΩ -> VRxd = 3,4 V

Laboratório 8: Comunicação serial entre Arduíno com módulo Bluetooth e Android

Permite acender e apagar led a partir de aplicativo Android pareado com módulo Bluetooth rodando em um Arduíno:

Procedimentos

1. Conectar hardware Bluetooth no Arduíno, utilizando divisor de tensão para adaptar as tensões de comunicação serial;
2. Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Communication/PhysicalPixel;
3. Instalar em um dispositivo Android o aplicativo Bluetooth Terminal;
4. Abrir aplicativo Bluetooth Terminal e parear com módulo Bluetooth;
5. Enviar a partir do Bluetooth Terminal os caracteres H e L para acender a apagar o led 13 do Arduíno.

Laboratório 9: Comunicação serial entre Arduíno com módulo Bluetooth e Android

Permite enviar uma string ao Arduíno via Bluetooth e receber de volta a mesma string no monitor serial .

Procedimentos

1. Carregarno Arduíno o programa exemplo abaixo;
2. Enviar strings pelo Bluetooth Terminal no Android e visualizar o retorno do dado no monitor do terminal.

 String message; //string that stores the incoming message
 void setup()
 {
   Serial.begin(9600); //set baud rate
 }
 void loop()
 {
   while(Serial.available())
   {//while there is data available on the serial monitor
     message+=char(Serial.read());//store string from serial command
   }
   if(!Serial.available())
   {
     if(message!="")
     {//if data is available
       Serial.println(message); //show the data
       message=""; //clear the data
     }
   }
   delay(1000); //delay
 }

Smartphone Android

Para enviar caracteres de um Smartphone Android para o módulo Bluetooth pode-se utilizar aplicativos como o Bluetooth Serial Port Terminal ou Bluetooth V2.1 SPP Terminal

Referências

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Evandro.cantu (discussão) 19h13min de 29 de outubro de 2021 (-03)

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