Escola Superior de Tecnologia de Tomar Tiago Alexandre Martins Fernandes sistema integrado de segurança e gestão de energia (sisge)

43. 
    Shield Ethernet Arduino.
    

A comunicação é feita por meio de protocolo de comunicação SPI através da porta ICSP do Arduino Mega. Este protocolo de comunicação série é usado em microcontroladores para comunicarem com periféricos a pequenas distâncias. Utiliza uma gestão mestre/escravo, geralmente o mestre é o microcontrolador e os escravos são os restantes elementos periféricos. A transmissão de informação é feita através de três linhas com sentidos únicos. A MISO (Master in Slave out) de envio de dados para o mestre, a MOSI (Master out Slave in) de envio de dados para o escravo e SCK que transmite um impulso de relógio que serve de meio de sincronização dos dados. A linha SS (Slave Select) ativa o escravo com o qual o mestre quer comunicar.

A comunicação é partilhada entre o circuito integrado W51000 e o leitor de cartões, sendo a escolha feita através da ativação das portas 10 e 4 respetivamente. Como partilham a mesma porta SPI, a comunicação apenas pode ser feita à vez.

A placa dispõe de uma série de LED que indicam vários estados, como descrito na Tabela 4.

4. 
   Resumo dos indicadores luminosos do Shield Ethernet.
   

Todas as portas da placa de desenvolvimento Arduino Mega estão acessíveis no Shield, com exceção das portas 4, 8 e SICSP. A atribuição de um endereço de IP ao Shiled Ethernet é configurada através da programação do microcontrolador. Para configurar o Shield Ethernet no Arduino foi utilizada a biblioteca Ethernet.h, disponível no IDE Arduino e de livre utilização. Esta biblioteca é responsável pelo controlo do circuito integrado W51000, em que foram utilizadas as seguintes funções:

Em que, “mac” representa o endereço físico que se deseja atribuir ao dispositivo a registar na rede Ethernet. A função “IPAddress” define o endereço de IP que mais tarde será atribuído ao dispositivo. Um novo cliente de Ethernet é criado através da função “EthernetClient”. Este cliente será chamado sempre que se queira enviar ou receber informação para a rede. O registo do dispositivo na rede é feito pela função “Ethernet”, que regista o endereço “mac” e o seu respetivo endereço de IP na rede.

A ligação de Wi-Fi integrada no microcontrolador ESP8266 permite a ligação direta do microcontrolador ao Router.

A biblioteca ESP8266WiFi.h foi utilizada para registar a placa NodeMCU na rede Wi-Fi. Foi utilizado o seguinte conjunto de funções presentes nesta biblioteca:

A função “WiFiClient” cria um novo cliente de Wi-Fi que será chamado sempre que se queira enviar ou receber informação para a rede. É utilizada a função “WiFi.begin()” para registar o dispositivo na rede identificada pelo seu SSID. Para verificar o estado da ligação é utilizada a função “WiFi.status()”.

A unidade central de controlo do sistema, o computador Raspberry Pi 2, liga-se à rede Ethernet através da porta RJ45 disponível no mesmo. A atribuição de um endereço de IP é automática e gerida pelo Router.

MQTT

O broker escolhido para instalação na unidade central de controlo foi o Mosquitto. Este é um broker de livre utilização que implementa o protocolo MQTT.

Este conjunto de comandos adicionam a chave de verificação de veracidade e o reportório Mosquitto à lista de fontes de pacotes de instalação. De seguida é instalado o broker Mosquitto. Por padrão a porta do servidor é a 1883, esta manteve-se inalterada.

Numa segunda linha de comando foi enviada uma mensagem através do comando mosquitto_pub, com o valor “32” para o canal “sensors/temperature” e com nível QoS igual a 1:

Resultando na receção por parte do subscritor de uma mensagem com o valor “32”.

Devido ao Router Ethernet restringir o acesso à rede a partir de fontes externas, optou-se por não configurar nenhum método de segurança adicional no broker. No entanto, este dispõe do comando mosquitto_passwd que permite a gestão de utilizadores e palavras-passe para autentificação dos clientes do servidor. Mais informação sobre o broker Mosquitto encontra-se no DVD em anexo.

A biblioteca PubSubClient.h foi utilizada para registar as placas Arduino e NodeMCU no servidor Mosquitto. As funções de publicação/subscrição de tópicos funcionam em conjunto com as funções das bibliotecas de ligação às redes Ethernet e Wi-Fi, é através dos seus clientes que as mensagens MQTT são enviadas. As seguintes funções da biblioteca PubSubClient.h foram utilizadas:

Em que, a função “PubSubClient” cria um cliente MQTT através de uma ligação Ethernet ou Wi-Fi. A função “connect()” regista o cliente no broker. A informação sobre o endereço do broker é feita através da função “setServer()”. A verificação do estado da ligação ao broker é feita pela função connected(). A subscrição de tópicos é feita recorrendo à função “subscribe()”, enquanto a publicação de mensagens para tópicos é feita recorrendo à função “publish()”. Quando uma mensagem é enviada para um tópico subscrito por um destes clientes o método “callback” é chamado para que a mensagem possa ser recebida. Este método é definido no cliente local pela função “setCallback”.