Napojení Arduina na Ethernet

V tomto tutoriálu si vysvětlíme, jak připojit Arduino k lokální síti a internetu. Předpokládá se, že ovládáte základy počítačového síťování, jako je zapojení počítače do hubu/routeru pomocí RJ45 kabelů a také víte, co znamená IP, MAC adresa a podobně.

Začínáme

Budete potřebovat Arduino Uno nebo jinou desku kompatibilní s Ethernet shieldem, který používá W5100 Ethernet controller IC:

Dále budete potřebovat napájet desku pomocí externího DC socketu. W5100 IC spotřebuje více proudu, než mu dodá napájení z USB. A 9V 1A adaptér, nebo AC adaptér budou stačit. Pozor: Deska se silně zahřívá, takže se snažte nesahat na W5100 po jeho delším používání. Pokud si nebudete jistí, takto vypadá W5100 IC:

Jakmile budete mít na svém Arduinu aktivovaný Ethernet a zapojený externí zdroj (je dobré zkontrolovat, zda všechno správně funguje), otevřete Arduino IDE a vyberte File > Examples > Ethernet > Webserver. Takto načtete jednoduchý sketch, který bude zobrazovat data z analogových vstupů ve webovém prohlížeči. Ještě jej nenahrávejte, potřebuje udělat pár úprav.

Bude nutné specifikovat IP adresu Ethernet shieldu – Ta se upravuje přímo v kódu. Není to složité, přejděte na řádek:

IPAddress ip(192,168,1, 177);

A pozměňte jej tak, aby odpovídal vašemu nastavení. Například, můj domácí router má IP adresu 10.1.1.1, tiskárna je 10.1.1.50 a všechny počítače jsou pod 50. Takže nastavím adresu mého Shieldu na 10.1.1.77, tím že pozměním tento řádek na:

IPAddress ip(10,1,1,77);

Máte také možnost změnit vaší MAC adresu. Každý díl síťového příslušenství má unikátní sériové číslo, aby mohl být identifikován v síti, to je natvrdo naprogramováno ve firmwaru daného příslušenství. S Arduinem můžeme definovat MAC adresu sami. Pokud používáte ve vaší síti více jak jeden Ethernet shield, ujistěte se, že mají rozdílné MAC adresy, pozměněním hexadecimálních hodnot v řádku:

byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED };

Jestliže máte jen jeden shield, můžete to nechat být. Je statisticky velmi malá šance, že bude mít stejnou MAC adresu, jako váš používaný hardware, v tomto případě ji budete muset změnit. Jakmile pozměníte kód, uložte a nahrajte sketch. Pak otevřete webový prohlížeč a vyhledejte IP adresu, kterou jste zadali ve vašem sketchi, mělo by se vám zobrazit něco podobného, jako je na následujícím obrázku:

Co se děje? Arduino je naprogramováno tak, aby nabídlo jednoduchou webovou stránku s hodnotami měřenými analogovými vstupy. Stránku můžete znovu načíst, abyste získali aktuální hodnoty. V tomto bodě si prosím zapamatujte, že ethernet shieldy používají digitální piny 10~13, a tak je nemůžete použít pro nic jiného. Některé Arduino Ethernet shieldy mají microSD socket, který používá jiný digitální pin, takže ho najděte v jejich dokumentaci (často to bývá pin 4).

Jakmile vidíme, že Ethernet shield pracuje, můžeme se posunout k něčemu užitečnějšímu. Pojďme si vyložit předchozí příklady jednodušším způsobem a zjistit jak můžeme roztřídit informace, nebo zobrazit více zajímavých dat na síti. Všechny funkce spojené s Ethernetem jsou spravovány pomocí Ethernet Arduino library. Pokud projdete předchozí sketch, který jsme před chvilkou používali, bude nás zajímat tato část:

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>");

Budeme posílat data z našeho Ethernet shieldu nazpátek do webového prohlížeče – v podobě základního typu webové stránky. Pokud si přejete získat pěkně naformátované webové stánky z vašeho Arduina, podívejte se pro začátek na základy html. Zde pak najdete pěkný HTML tahák. Pro zjednodušení ale budou následující funkce nejužitečnější:

client.print("analog input ");

Client.print (); nám umožní posílat text, nebo data zpátky na webovou stránku. Pracuje stejným způsobem jako serial.print(), takže nejde o nic nového. Můžete také specifikovat data type stejným způsobem jako u serial.print(). Další užitečný řádek je:

client.print("<br />");

HTML značka <br /> posílá do webového prohlížeče příkaz k zalomení řádku. Pokud vytváříte o něco složitější výstupní zobrazení webových stránek, stačí jen vložit další HTML tagy do client.println(). V případě že se chcete dozvědět něco více o HTML příkazech, dobré tutoriály najdete třeba zde, nebo zde.

Nakonec si všimněte, že sketch bude posílat data jen v případě, kdy jej o to požádáte. To jest ve chvíli, kdy dostane požadavek od webového prohlížeče.

Přístup k Arduinu přes internet

Zatím jde všechno dobře. Ale co dělat, když se budete chtít připojit na vaše Arduino z internetu nebo mimo prostředí vaší lokální sítě?

Budete potřebovat statickou IP adresu. To znamená IP adresu, kterou vám váš zprostředkovatel internetu přidělí, a která zůstává stejná. Pokud statickou IP adresu nemáte, přidělí vám server poskytovatele adresu vždy při připojení k síti. Ta by se po dobu připojení neměla měnit. Není však optimální se na toto spoléhat a pro tento účel je lepší mít statickou IP.

V situaci kdy vám váš poskytovatel nemůže nabídnout statickou IP adresu, můžete stále pokračovat s pomocí společností, které nabízí dynamickou DNS. Tyto organizace vám nabídnou vlastní statické hostitelské jméno (například mojo.monkeynuts.com) namísto běžné IP adresy. Jejich software sleduje změnu vaší IP adresy a automaticky na ni přesměrovává z přidělené URL. Pro bezproblémovou funkci však musí váš router podporovat DDNS služby.

Jak zjistit svojí IP adresu? Většinou je možné ji zjistit po přihlášení do administrace vašeho routeru. Často je možné použít adresu 192.168.0.1, ale může to být i jinak (záleží na nastavení routeru). Pokud si nevíte rady, můžete použít nějaký software na prozkoumání vaší sítě – pro android například aplikaci Fing. V tomto příkladu zadám do webového prohlížeče 10.1.1.1 (adresa mého routeru) a vložím heslo pro administraci mého modemu, pak se mi zobrazí tato stránka:

To co hledáte, je vaše WAN IP adresa, jak můžete vidět na obrázku nahoře. U různých routerů může být postup zjištění WAN odlišný. Když si nebudete vědět rady, prozkoumejte dokumentaci vašeho routeru.

Pokud byste se nyní připojili na vaši WAN adresu, dostali byste se pravděpodobně do administrace vašeho routeru. Pro přesměrování vnější WAN adresy na adresu IP ve vnitřní síti se používá technika zvaná port-forwarding. S její pomocí můžeme routeru přikázat, kam má přesměrovat příchozí požadavky z vnějšího světa. Jakmile modem dostane takový požadavek, chceme jej přeposlat na zvolenou IP a port našeho Ethernet shieldu. Níže vidíte příklad konfiguračního formuláře pro port-forwarding.

Z čísel na obrázku můžete vidět, že číslo portu bylo nastavené na 125 a IP adresa Ethernet shieldu na 10.1.1.77, stejně jako ve sketchi. Po uložení nastavení jsme připraveni. Externí adresa mého Ethernet shieldu bude WAN:125. Takže pro přístup na Aduino použiji WAN adresu s 125 na konci.

V příkladu budeme komunikovat na portu 125. Pro vytvoření serveru naslouchajícího portu 125 použijeme příkaz – respektive změníme číslo portu v předchozím příkladu.

EthernetServer server(125);

Dále budete pravděpodobně potřebovat změnit nastavení firewallu na vašem modemu, abyste dovolili portu 125 “otevřít se“ příchozím požadavkům. Správný postup naleznete v dokumentaci vašeho modemu.

V této chvíli mohu na téměř každém zařízení s internetem vložit můj WAN a číslo portu do pole pro URL v prohlížeči a získat výstupy z Arduina. Například pomocí mobilního telefonu, který je připojený na internet přes síť LTE:

V tomto momentu můžete zobrazit data z jednoduché webové stránky vytvořené Arduinem odkudkoliv. Tímto způsobem můžete zobrazit data ze senzorů, nebo dalších částí sketche.

Zobrazení dat senzorů na webu

Pro příklad zobrazení dat ze senzorů na webové stránce použijeme levný a populární senzor teploty a vlhkosti DHT22. Budete si potřebovat nainstalovat knihovnu Arduino pro DHT22, kterou najdete zde. Pokud zkoušíte DHT22 poprvé, vyzkoušejte ukázkový sketch přiložený ke knihovně.

Zapojte DHT22 do datového pinu Arduina D2, Vin do 5v pinu a GND do GND:

V příkladu níže zobrazíme data o teplotě a vlhkosti z DHT22 na jednoduché webové stránce:

#include <SPI.h>
#include <Ethernet.h>

// for DHT22 sensor
#include "DHT.h"
#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT22

// Enter a MAC address and IP address for your controller below.
// The IP address will be dependent on your local network:
byte mac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};
IPAddress ip(10,1,1,77);

// Initialize the Ethernet server library
// with the IP address and port you want to use 
// (port 80 is default for HTTP):
EthernetServer server(125);
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup(){
    dht.begin();
    // Open serial communications and wait for port to open:
    Serial.begin(9600);
    while (!Serial) {
        ; // wait for serial port to connect. Needed for Leonardo only
    }
    // start the Ethernet connection and the server:
    Ethernet.begin(mac, ip);
    server.begin();
    Serial.print("server is at ");
    Serial.println(Ethernet.localIP());
}

void loop() {
    // listen for incoming clients
    EthernetClient client = server.available();
    if (client){
    Serial.println("new client");
    // an http request ends with a blank line
    boolean currentLineIsBlank = true;
    while (client.connected()){
        if (client.available()){
            char c = client.read();
            Serial.write(c);
            // if you've gotten to the end of the line (received a newline
            // character) and the line is blank, the http request has ended,
            // so you can send a reply
            if (c == '\\n' && currentLineIsBlank){
                // send a standard http response header
                client.println("HTTP/1.1 200 OK");
                client.println("Content-Type: text/html");
                client.println("Connection: close");  // the connection will be closed after completion of the response
                client.println("Refresh: 30");  // refresh the page automatically every 30 sec
                client.println();
                client.println("<!DOCTYPE HTML>");
                client.println("<html>");
                
                // get data from DHT22 sensor
                float h = dht.readHumidity();
                float t = dht.readTemperature();
                Serial.println(t);
                Serial.println(h);
                
                // from here we can enter our own HTML code to create the web page
                client.print("<head><title>Office Weather</title></head><body><h1>Office Temperature</h1><p>Temperature - ");
                client.print(t);
                client.print(" degrees Celsius</p>");
                client.print("<p>Humidity - ");
                client.print(h);
                client.print(" percent</p>");
                client.print("<p><em>Page refreshes every 30 seconds.</em></p></body></html>");
                break;
            }
            if (c == '\\n') {
                // you're starting a new line
                currentLineIsBlank = true;
            } 
            else if (c != '\\r') {
                // you've gotten a character on the current line
                currentLineIsBlank = false;
            }
        }
    }
    // give the web browser time to receive the data
    delay(1);
    // close the connection:
    client.stop();
    Serial.println("client disonnected");
    }
}

A takto může vypadat výsledek:

Toto je překlad článku uveřejněného na webu http://tronixstuff.com/2013/12/06/arduino-tutorials-chapter-16-ethernet/ pod licencí Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.