1. Połączenie z przykładowym serwerem usług IoT i oprogramowanie urządzenia do komunikacji z chmurą obliczeniową
Do konfiguracji urządzenia NUCLEO-F401RE wyposażonego w Wi-Fi IDW01M1 oprzemy się na funkcjach przygotowanych w chmurze mbed.com przez dostawcę usług IoT Cayenne [1-3]. W tym celu definiuje się klienta MQTTClient do komunikacji z serwerem MQTT, sieć MQTTNetwork i interfejs SpwfSAInterface:
Interfejsem SpwfSA będzie moduł Wi-Fi IDW01M1 obsługiwany w protokole szeregowym:
Ustawiamy parametry bezprzewodowej sieci lokalnej z dostępem do Internetu, z którą połączy się NUCLEO:
Ustawiamy dane odczytane we własnym profilu na cayenne.mydevices.com/cayenne/dashboard.
Połączenie z serwerem – węzłem IoT (IRz – Internetu Rzeczy) Cayenne odbywa się za pomocą funkcji connectClient [1] korzystającej z biblioteki Cayenne-MQTT-mbed [2]. Niektóre fragmenty programu "Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36" [3] po nieznacznej modyfikacji, wykorzystującego tę bibliotekę i niezbędne dla zrozumienia tego zagadnienia zamieszczono poniżej. Użyta funkcja printf() wyświetli komunikaty na konsoli, np. TeraTerm w standardowej konfiguracji portu szeregowego (Baud rate = 9600).
Funkcja loop() jest odpowiedzialna za powtarzanie odczytu z czujnika temperatury co 5 sekund.
Główna funkcja programu przedstawia się następująco:
* kod sformatowano w kolorach C++ (profil default) za pomocą narzędzia konwersji kodu do HTML na stronie hilite.me
2. Programowanie platformy NUCLEO
Na stronie mbed.com (Ilustracja 1) tworzymy konto i przechodzimy do kompilatora (Compiler). Podłączamy płytkę rozwojową z modułami rozszerzeń do komputera przez port USB i dodajemy urządzenie do swojego profilu, wybierając w prawym górnym narożniku "Add Board" (model F401RE jest obsługiwany).
Następnie w lewym górnym narożniku wybieramy "Import" i wyszukujemy program o nazwie Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36" [3]. W prawym górnym narożniku klikamy ikonę Import! by po chwili w lewym oknie eksploratora projektów pojawił się program zaimportowany wraz z niezbędnymi bibliotekami.
Kod numeryczny udostępniony przez dostawcę usług IoT Cayenne modyfikujemy do swoich potrzeb wg opisu w punkcie 1. W zadaniu dla studentów (pkt. 4) modyfikacja będzie dotyczyła dodania kolejnych wartości pomiarowych z innych czujników, co wiąże się z przygotowaniem kolejnych kanałów wymiany danych Channels do odbioru wartości przychodzących na serwer Cayenne.
Po zalogowaniu (Ilustracja 3), używając "New App" tworzymy aplikację, dodajemy urządzenie przez "Add New/Device", klikamy przycisk "Bring Your Own Thing". Nasz moduł musi być podłączony do komputera przez port USB i zaprogramowany kodem opisanym powyżej, gdzie w polach username, password i clientID wpisuje się dane (wyświetlone na Ilustracji 4 w Kroku 2) potrzebne do autoryzacji naszego urządzenia podczas łączenia się z węzłem IoT Cayenne.
Po skompilowaniu programu na stronie mbed (np. w pliku głównym https://ide.mbed.com/compiler/#nav:/Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36/main.cpp) i zaprogramowaniu mikrokontrolera przez zapisanie pliku wynikowego "Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36.bin" w pamięci, urządzenie powinno połączyć się z serwerem MQTT przez lokalną siecią Wi-Fi i rozpocząć przesyłanie zmierzonych wartości temperatury. W efekcie, serwer zacznie przyjmować wartości pomiarowe, które można wyświetlać: na wykresie w funkcji czasu, w postaci tabelki lub na wyświetlaczu. Dane aktualizują się natychmiast w trybie Live po odczytaniu wartości lub z większym interwałem czasowym (minuta, godzina, itd.) jak na Ilustracji 5.
Powyżej zilustrowano prostą przykładową metodę użycia jednego z kanałów komunikacji do wyświetlania wartości odbieranych przez wybrany serwer IoT. Należy zaznaczyć, że po zainstalowaniu aplikacji mobilnej Cayenne, dostępnej w Sklepie Play i zalogowaniu się, można zdalnie podejrzeć stan na czujniku temperatury.
3. Zadanie dla studentów
Na zajęciach laboratoryjnych z Mechatroniki studenci otrzymają płytki rozwojowe NUCLEO-F401RE z modułami rozszerzeń, samodzielnie je skonfigurują zgodnie z informacjami zawartymi powyżej i wykonają pomiary czujnikami z modułu rozszerzeń Motion MEMS Multi-Sensor Board (czujnik inercyjny, kompas, barometr, czujnik temperatury i wilgotności). Do zaczytania danych tekstowych można wykorzystać kolejny moduł Dynamic NFC TAG. Wskazówki pomocne przy realizacji tego zadania można znaleźć na tym blogu. W szczególności, przydatny będzie program opublikowany w poście pt. "Odczyt i wizualizacja danych pomiarowych w LabVIEW" i opracowania I i II z projektów zakończonych w roku akademickim 2018/2019.
4. Wnioski
Internet Rzeczy to prężnie rozwijająca się dziedzina zastosowań mechatroniki i informatyki w życiu codziennym i przemyśle. Rozmaitość chmur obliczeniowych i podłączonych do nich rzeczy pozwala na twórcze kreowanie otoczenia. Programowanie urządzeń wykorzystywanych hobbistycznie lub na użytek publiczny pod względem dostępu do zasobów IoT może być ciekawą alternatywą nauki informatyki w szkołach średnich, uczelniach wyższych, a nawet w badaniach naukowych. Oprócz opisanej, istnieją inne usługi serwowane np. przez IBM Watson IoT, BMC Truesight Pulse lub Zerynth and Google Cloud IoT Core. Pierwsza spośród wymienionych usług została opisana tutaj [4] i pozwala na podobne do metody opisanej wyżej skorzystanie z węzła IoT.
Źródła i odnośniki Internetowe
[1] https://github.com/myDevicesIoT/Cayenne-MQTT-mbed
[2] https://os.mbed.com/teams/myDevicesIoT/code/Cayenne-MQTT-mbed/
[3] https://os.mbed.com/teams/myDevicesIoT/code/Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36/
[4] "Quick Start Guide STM32Cube Function Pack for connecting 6LoWPAN IoT Nodes to the Internet through a Wi-Fi Network (FP-NET-6LPWIFI1)". Opis konfiguracji i łączenia się z węzłem IoT (w formacie PDF), serwowanym przez IBM Watson IoT.
Do konfiguracji urządzenia NUCLEO-F401RE wyposażonego w Wi-Fi IDW01M1 oprzemy się na funkcjach przygotowanych w chmurze mbed.com przez dostawcę usług IoT Cayenne [1-3]. W tym celu definiuje się klienta MQTTClient do komunikacji z serwerem MQTT, sieć MQTTNetwork i interfejs SpwfSAInterface:
CayenneMQTT::MQTTClient<MQTTNetwork<SpwfSAInterface>, MQTTTimer> mqttClient(network, username, password, clientID);
Interfejsem SpwfSA będzie moduł Wi-Fi IDW01M1 obsługiwany w protokole szeregowym:
SpwfSAInterface interface(D8, D2); // linie TX, RX MQTTNetwork<SpwfSAInterface> network(interface);
Ustawiamy parametry bezprzewodowej sieci lokalnej z dostępem do Internetu, z którą połączy się NUCLEO:
// Wi-Fi char* ssid = "TP-LINK_9E4F" char* wifiPassword = "31339301";
Ustawiamy dane odczytane we własnym profilu na cayenne.mydevices.com/cayenne/dashboard.
// Autoryzacja Cayenne char* username = "xxxxxxxx-xxxxx-xxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx"; char* password = "9793204867c9e1937f9836227d463dc6a333b5f1ag"; char* clientID = "1c82d230-5ad1-11e9-86v5-4fe3d2557533";
Połączenie z serwerem – węzłem IoT (IRz – Internetu Rzeczy) Cayenne odbywa się za pomocą funkcji connectClient [1] korzystającej z biblioteki Cayenne-MQTT-mbed [2]. Niektóre fragmenty programu "Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36" [3] po nieznacznej modyfikacji, wykorzystującego tę bibliotekę i niezbędne dla zrozumienia tego zagadnienia zamieszczono poniżej. Użyta funkcja printf() wyświetli komunikaty na konsoli, np. TeraTerm w standardowej konfiguracji portu szeregowego (Baud rate = 9600).
WYDRUK 1
/** * Łączenie z węzłem IoT Cayenne. * @return Funkcja zwraca CAYENNE_SUCCESS jeśli połączenie zostało ustanowione lub
* kod błędu w przeciwnym przypadku. */ int connectClient(void) { int error = 0; // Połącz z serwerem. printf("Laczenie z %s:%d\n", CAYENNE_DOMAIN, CAYENNE_PORT); while ((error = network.connect(CAYENNE_DOMAIN, CAYENNE_PORT)) != 0) { printf("Blad polaczenia TCP: %d\n", error); wait(2); } if ((error = mqttClient.connect()) != MQTT::SUCCESS) { printf("Blad polaczenia z MQTT: %d\n", error); return error; } printf("Polaczono\n"); // Subskrypcja tematów. if ((error = mqttClient.subscribe(COMMAND_TOPIC, CAYENNE_ALL_CHANNELS)) != CAYENNE_SUCCESS) { printf("Nieudana subskrypcja tematu Command, blad: %d\n", error); } if ((error = mqttClient.subscribe(CONFIG_TOPIC, CAYENNE_ALL_CHANNELS)) != CAYENNE_SUCCESS) { printf("Nieudana subskrypcja tematu Config, blad:%d\n", error); } // Wyślij informacje o urządzeniu - dane systemowe. Można usunąć ten fragment, jeśli takie nie będą wysyłane. mqttClient.publishData(SYS_VERSION_TOPIC, CAYENNE_NO_CHANNEL, NULL, NULL, CAYENNE_VERSION); mqttClient.publishData(SYS_MODEL_TOPIC, CAYENNE_NO_CHANNEL, NULL, NULL, "mbedDevice"); return CAYENNE_SUCCESS; }
WYDRUK 2
/** * Obsługa wiadomości przychodzących z serwera Cayenne. * @param[in] message - wiadomość z serwera. */ void messageArrived(CayenneMQTT::MessageData& message) { int error = 0; // Tutaj można dodać kod obsługujący otrzymaną wiadomość.
// Wiadomość poniżej jest zwyczajnie wyświetlana. outputMessage(message); if (message.topic == COMMAND_TOPIC) { switch(message.channel) { case 0: // Ustaw stan diody LED dla sygnalizacji stanu led1 = atoi(message.getValue()); // Publikuj stan diody if ((error = mqttClient.publishData(DATA_TOPIC, message.channel, NULL, NULL, message.getValue())) != CAYENNE_SUCCESS) { printf("Publikacja stanu diody LED zakończona niepowodzeniem, blad: %d\n", error); } break; } // W przypadku odebrania wiadomości - polecenia, publikuje się odpowiedź. Poniżej wysyła się domyślną odpowiedź 'OK'. if ((error = mqttClient.publishResponse(message.id, NULL, message.clientID)) != CAYENNE_SUCCESS) { printf("Odpowiedz zakonczona niepowodzeniem, blad: %d\n", error); } } }
Funkcja loop() jest odpowiedzialna za powtarzanie odczytu z czujnika temperatury co 5 sekund.
WYDRUK 3
void loop(void) { // Start odliczania co 5 sekund. MQTTTimer timer(5000); // Definicja zmiennej przechowującej odczyt temperatury na pinie A5 TMP36 tmpSensor(A5); while (true) { // Umożliwienie przetwarzania wiadomości MQTT mqttClient.yield(1000); // Sprawdź połączenie i połącz ponownie w razie potrzeby if (!network.connected() || !mqttClient.connected()) { network.disconnect(); mqttClient.disconnect(); printf("Ponowne laczenie\n"); while (connectClient() != CAYENNE_SUCCESS) { wait(2); printf("Proba ponownego polaczenia\n"); } } // Publikuj wartości temperatury co kilka sekund. // UNIT_CELSIUS można zmienić na UNIT_KELVIN wg typów zdefiniowanych
// w pliku nagłówkowym CayenneTypes.h if (timer.expired()) { int error = 0; if ((error = mqttClient.publishData(DATA_TOPIC, 5, TYPE_TEMPERATURE, UNIT_CELSIUS, tmpSensor.read())) != CAYENNE_SUCCESS) { printf("Nieudana publikacja temperatury otoczenia modulu NUCLEO, blad: %d\n", error); } // Restart licznika. timer.countdown_ms(5000); } } }
Główna funkcja programu przedstawia się następująco:
WYDRUK 4
/** * Funkcja main. */ int main() { // Inicjalizacja interfejsu sieciowego. printf("Inicjalizacja interfejsu\n"); interface.connect(ssid, wifiPassword, NSAPI_SECURITY_WPA2); // Ustawienie domyślnej funkcji przechwytującej wiadomości z Cayenne mqttClient.setDefaultMessageHandler(messageArrived); // Łączenie z Cayenne if (connectClient() == CAYENNE_SUCCESS) { loop(); } else { printf("Blad w trakcie laczenia, konczenie...\n"); } if (mqttClient.connected()) mqttClient.disconnect(); if (network.connected()) network.disconnect(); return 0; }
2. Programowanie platformy NUCLEO
Na stronie mbed.com (Ilustracja 1) tworzymy konto i przechodzimy do kompilatora (Compiler). Podłączamy płytkę rozwojową z modułami rozszerzeń do komputera przez port USB i dodajemy urządzenie do swojego profilu, wybierając w prawym górnym narożniku "Add Board" (model F401RE jest obsługiwany).
 |
| Ilustracja 1. mbed.org udostępniający mbed OS do tworzenia IoT i programowania urządzeń na użytek chmury obliczeniowej. |
Następnie w lewym górnym narożniku wybieramy "Import" i wyszukujemy program o nazwie Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36" [3]. W prawym górnym narożniku klikamy ikonę Import! by po chwili w lewym oknie eksploratora projektów pojawił się program zaimportowany wraz z niezbędnymi bibliotekami.
Kod numeryczny udostępniony przez dostawcę usług IoT Cayenne modyfikujemy do swoich potrzeb wg opisu w punkcie 1. W zadaniu dla studentów (pkt. 4) modyfikacja będzie dotyczyła dodania kolejnych wartości pomiarowych z innych czujników, co wiąże się z przygotowaniem kolejnych kanałów wymiany danych Channels do odbioru wartości przychodzących na serwer Cayenne.
 |
| Ilustracja 2. Widok okna z kodem numerycznym opartym na bibliotekach: mbed, obsługi modułu rozszerzeń Wi-Fi i platformy Cayenne usług dostępu do chmury obliczeniowej w IoT. |
Po zalogowaniu (Ilustracja 3), używając "New App" tworzymy aplikację, dodajemy urządzenie przez "Add New/Device", klikamy przycisk "Bring Your Own Thing". Nasz moduł musi być podłączony do komputera przez port USB i zaprogramowany kodem opisanym powyżej, gdzie w polach username, password i clientID wpisuje się dane (wyświetlone na Ilustracji 4 w Kroku 2) potrzebne do autoryzacji naszego urządzenia podczas łączenia się z węzłem IoT Cayenne.
 |
| Ilustracja 3. cayenne.mydevices.com logowanie na platformę Cayenne. |
 |
| Ilustracja 4. cayenne.mydevices.com – odczyt danych potrzebnych do autoryzacji przy tworzeniu nowego urządzenia. |
Po skompilowaniu programu na stronie mbed (np. w pliku głównym https://ide.mbed.com/compiler/#nav:/Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36/main.cpp) i zaprogramowaniu mikrokontrolera przez zapisanie pliku wynikowego "Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36.bin" w pamięci, urządzenie powinno połączyć się z serwerem MQTT przez lokalną siecią Wi-Fi i rozpocząć przesyłanie zmierzonych wartości temperatury. W efekcie, serwer zacznie przyjmować wartości pomiarowe, które można wyświetlać: na wykresie w funkcji czasu, w postaci tabelki lub na wyświetlaczu. Dane aktualizują się natychmiast w trybie Live po odczytaniu wartości lub z większym interwałem czasowym (minuta, godzina, itd.) jak na Ilustracji 5.
 |
| Ilustracja 5. cayenne.mydevices.com – obserwacja zmian temperatury na wykresie. |
Powyżej zilustrowano prostą przykładową metodę użycia jednego z kanałów komunikacji do wyświetlania wartości odbieranych przez wybrany serwer IoT. Należy zaznaczyć, że po zainstalowaniu aplikacji mobilnej Cayenne, dostępnej w Sklepie Play i zalogowaniu się, można zdalnie podejrzeć stan na czujniku temperatury.
3. Zadanie dla studentów
Na zajęciach laboratoryjnych z Mechatroniki studenci otrzymają płytki rozwojowe NUCLEO-F401RE z modułami rozszerzeń, samodzielnie je skonfigurują zgodnie z informacjami zawartymi powyżej i wykonają pomiary czujnikami z modułu rozszerzeń Motion MEMS Multi-Sensor Board (czujnik inercyjny, kompas, barometr, czujnik temperatury i wilgotności). Do zaczytania danych tekstowych można wykorzystać kolejny moduł Dynamic NFC TAG. Wskazówki pomocne przy realizacji tego zadania można znaleźć na tym blogu. W szczególności, przydatny będzie program opublikowany w poście pt. "Odczyt i wizualizacja danych pomiarowych w LabVIEW" i opracowania I i II z projektów zakończonych w roku akademickim 2018/2019.
4. Wnioski
Internet Rzeczy to prężnie rozwijająca się dziedzina zastosowań mechatroniki i informatyki w życiu codziennym i przemyśle. Rozmaitość chmur obliczeniowych i podłączonych do nich rzeczy pozwala na twórcze kreowanie otoczenia. Programowanie urządzeń wykorzystywanych hobbistycznie lub na użytek publiczny pod względem dostępu do zasobów IoT może być ciekawą alternatywą nauki informatyki w szkołach średnich, uczelniach wyższych, a nawet w badaniach naukowych. Oprócz opisanej, istnieją inne usługi serwowane np. przez IBM Watson IoT, BMC Truesight Pulse lub Zerynth and Google Cloud IoT Core. Pierwsza spośród wymienionych usług została opisana tutaj [4] i pozwala na podobne do metody opisanej wyżej skorzystanie z węzła IoT.
Źródła i odnośniki Internetowe
[1] https://github.com/myDevicesIoT/Cayenne-MQTT-mbed
[2] https://os.mbed.com/teams/myDevicesIoT/code/Cayenne-MQTT-mbed/
[3] https://os.mbed.com/teams/myDevicesIoT/code/Cayenne-X-NUCLEO-IDW01M1-TMP36/
[4] "Quick Start Guide STM32Cube Function Pack for connecting 6LoWPAN IoT Nodes to the Internet through a Wi-Fi Network (FP-NET-6LPWIFI1)". Opis konfiguracji i łączenia się z węzłem IoT (w formacie PDF), serwowanym przez IBM Watson IoT.
Komentarze
Prześlij komentarz