1.4 IDE Arduino con ESP32

Referencia: https://github.com/espressif/arduino-esp32/blob/master/docs/arduino-ide/boards_manager.md

La versión más actualizada de los módulos de Expressif es la ESP32. Semejante a la versión anterior, se puede usar el IDE Arduino incorporando la placa al Entorno de Desarrollo Integrado. La placa de desarrollo ESP32 se muestra en la figura:

La mayor ventaja de ésta placa de desarrollo es la variedad de pines de diferentes tipo, por ejemplo la cantidad de ADC (convertidores analógicos digitales) que se incrementaron respecto a las versiones anteriores. También tiene un microcontrolador de doble núcleo y uno de ellos se dedica solamente a la parte del manejo inalámbrico.

Existen otros modulos y placas de desarrollo que funcionan de forma semejante, variando algunas posiciones de pines. Se recomienda revisar su configuración antes de usar los pines en en protoboard.

Observación: En algunos módulos, se incorpora un botón pulsador para el pin GPIO0 que debe ser presionado durante el proceso de carga de programa.

Para la carga de instrucciones, el ESP 32 requiere tener presionado el boton «BOOT», que en la imagen es el boton en la parte inferior derecha.

1. ESP32 –  Incluir entre las tarjetas del IDE

Para incorporar la tarjeta el entorno de trabajo se procede de forma semejante a lo realizado para la versión ESP8266:

1.1 En el menú Archivo/Preferencias, se añade en la sección “Gestor de URL’s Adicionales de Tarjetas” la dirección:

https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json

en caso de existir otra dirección previa, se añade con una coma ‘,’

1.2 En el menú de Herramientas/Placas/Gestor de tarjetas, se añade “ESP32 by Espressif Systems”

1.3 Con lo que se habilita la opción se seleccionar como placa un ESP32, por ejemplo: “ESP32 Dev Module”

Con lo que es posible usar los scripts presentados como ejemplo con la placa ESP32, usando las librerias respectivas.

2. Librerias

Para los módulos ESP32 se usa la libreria <WiFi.h> que contiene entre las instrucciones el manejo de datos como MAC, IP, RSSI, valores de estado de conexión, etc.

Las librerias se instalan en el menú «Programa/Incluir Libreria/ Administrar Bibliotecas».

Puede buscar la librería usando las palabras «Wifi ESP». Asegúrese de tener instalada la libreria WiFiManager mostrada en la imagen.

con esta acción es posible usar la libreria mediante la instrucción:

#include <WiFi.h>

pudiendo luego crear un cliente en la red y usar lo necesario para la operación del dispositivo de forma inalámbrica.

WiFiClient wifiClient;

1.3 IDE Arduino con ESP8266

Referencia: https://github.com/esp8266/Arduino,
https://www.espressif.com/en/products/socs/esp8266

Las instrucciones para la operación del dispositivo que se transfieren a la placa de desarrollo o circuito implementado con microcontrolador usan: un cable USB y un IDE  (entorno de desarrollo integrado).

Asegúrese de disponer de estos elementos para continuar a la siguiente sección.


1. ESP8266 –  Incluir entre las tarjetas del IDE Arduino

Para acceder a las placas de desarrollo de Expressif desde el IDE Arduino, se requiere añadir las librerías y especificaciones del módulo ESP8266 en el programa.

1.1 En el menú Archivo/Preferencias, en la parte de «Gestor de URL’s Adicionales de Tarjetas» se añade la dirección:

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

1.2 En menú de Herramientas/Placas/Gestor de tarjetas, se añade «ESP8266 Community». Para encontrarlo en la lista, se puede buscar y filtrar con las palabras esp8266.

En el «Gestor de tarjetas» se selecciona la versión «ESP8266 Community» más actualizada, y se instala:

1.3 La acción anterior habilita la opción para seleccionar como placa de trabajo: «Generic ESP8266 Module»

Con lo que es posible usar los ejemplos que se presentan a continuación como ejemplo con el ESP8266 en cualquiera de sus versiones: ESP-01, ESP-07, etc.

2. Librerias

Para los módulos ESP8266 se usa la libreria <ESP8266WiFi.h> que contiene entre las instrucciones el manejo de datos como MAC, IP, RSSI, valores de estado de conexión, etc.

Las librerias se instalan en el menú «Programa/Incluir Libreria/ Administrar Bibliotecas».

Puede buscar la librería usando las palabras «Wifi ESP». Asegúrese de tener instalada la libreria WiFiManager mostrada en la imagen.

con esta acción es posible usar la libreria mediante la instrucción:

#include <ESP8266WiFi.h>

pudiendo luego crear un cliente en la red y usar lo necesario para la operación del dispositivo.

WiFiClient wifiClient;

3. Controlador USB CH340

Normalmente Windows reconoce la placa de desarrollo conectada en el puerto USB como un dispositivo USB CH340. Sin embargo, en caso de requerir instalarse, puede usar el «driver» del siguient enlace de sparkfun:

Referencia: https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-install-ch340-drivers/all

1.2 Dispositivo – Hardware/Software

A partir del planteamiento del esquema abierto, se propone iniciar con los componentes más básicos para revisar los conceptos y su aplicación de forma simultanea.

Un dispositivo conectado a una red inalámbrica de datos WiFi se implementa usando un hardware, de preferencia abierto (open hardware).

Para darle las instrucciones de operación se usa también un software.

Ambos componentes se describen a continuación.


1. Hardware

El hardware del dispositivo  se compone principalmente de un microcontrolador con otros componentes que añaden conectividad a un computador y/o una red de datos.

Un elemento de desarrollo muy conocido es el Arduino, en la imagen se muestra la versión UNO.

Para el caso de hardware con conexión a WiFi se encuentra muy difundido el uso de las placas de desarrollo basados en ESP8266 y ESP32 de Expressif.

1.1 Hardware – Placa de desarrollo

Las placas de desarrollo simplifican el aprendizaje al incorporar los componentes necesarios para conectarse por USB a un computador, para facilitar la programación de los dispositivos y la transmisión de los datos. Estas placas son un buen punto de partida para el desarrollo de prototipos.

1.2 Hardware – Módulo

Un módulo es la parte dedicada a un solo propósito como la conexión inalámbrica. En la figura se muestra el módulo ESP8266 versión ESP-07.

Un módulo puede conectarse como complemento a varios tipos de microcontroladores, por ejemplo: la placa Arduino que usa el microcontrolador ATmega328P

En el caso de ESP8266 y ESP32, el microcontrolador que maneja la parte inalámbrica puede también ser usado para las intrucciones de control de sensores, y funciones que realiza un dispositivo basico.


2. Software / instrucciones

El software corresponde a las instrucciones de operación del dispositivo que se pueden escribir en un editor del Entorno Integrado de Desarrollo o IDE (Integrated Development Environment).

Las instrucciones se transfieren desde el computador a la placa de desarrollo mediante una conexión USB. Recuerde usar un cable USB apropiado para transferencia de datos, es cable es el que permite conectar su dispositivo móvil al computador y transferir archivos. El cable usado solo para cargar el móvil no es de utilidad en éstos casos.

2.1 Arduino IDE

Un software IDE (Integrated Development Environment) muy conocido es Arduino IDE que es abierto y principalmente gratuito.

https://www.arduino.cc/en/software

El Arduino IDE permite integrar otras placas de desarrollo de otros fabricantes como Espressif del tipo ESP8266 y ESP32.

El IDE Arduino tiene una interface simple y fácil de usar, con elementos suficientes para escribir, depurar la instrucciones, seleccionar las placas a usar y observar los resultados en el computador.

El proceso de instalación es simple, solo requiere ejecutar el archivo descargado de instalación.

2.2 Micropython

Otra forma de escribir instrucciones de operación en los dispositivos es Micropython, que es una implementación simplificada de Python 3 para trabajar con microcontroladores con entornos limitados.

https://micropython.org/

Al año 2021, las placas ESP8266 y ESP 32 también permiten configurarse para responder a instrucciones en Micropython, por lo que se vuelven una opción si ya es usuario de Python desde los cursos básicos.

El IDE usado en Micropython es Thonny IDE, que viene instalado de forma predeterminada en Rasberry Pi OS, y puede ser incorporado al IDE básico de Python 3, o WinPython.

https://thonny.org

La función principal de Thonny IDE es que trae incorporado en el menú la selección de la placa de desarrollo conectada al puerto USB de la computadora. Soporta las placas Raspberry Pi Pico, ESP32 y ESP8266 entre otros.

Instale la versión de software que usará como IDE para realizar los ejercicios que sea de mayór interés.


Los conceptos se aprenden facilmente al implementar algunos ejemplos de dispositivos IoT básicos, donde se vuelve a describir en mayor detalle cada componente del Esquema Abierto IoT.

En las siguientes secciones se dan algunos ejemplos que integran teoría y práctica que se pueden seguir paso a paso.

1.1 IoT Esquema abierto por capas

Como una introducción para desarrollo IoT, Internet of Things,  se usa un esquema que agrupa los componentes en secciones y capas. Cada una de las secciones se encarga de una parte de todo el proceso, simplificando los pasos para tener componentes funcionales que interactúen como un todo.

El esquema básico presentado empieza con lo más tangible, las «cosas» («Things» en inglés) presentado en el bloque inferior en colorgris.

El «usuario» observa, controla y se beneficia del estado de las cosas representando una sección importante en el esquema en los bloques en azul.


1. La cosas (Things)

Las «cosas» representan el artefacto que se desea conocer o controlar su estado.

Para conocer el estado  por ejemplo abierto/cerrado, 0/1, se usan sensores.

Para controlar el estado de las cosas, por ejemplo un foco, se usan actuadores.


2. Usuario

El «usuario» observa, controla, se beneficia del estado de las cosas y accede a ellas en forma «presencial» o «virtual».

Para que usuario llegue hasta las cosas, se crea un camino con algunos componentes tecnológicos intermedios que son los que se tratan en cada página del blog.

 


3. Componentes o Capas

Cada componente añade una función específica a la infraestructura IoT.

Algunos componentes son de uso cotidiano y los dispone en el hogar, la oficina, el aula.

Por ejemplo, un teléfono móvil, tablets, PC, un «router Wifi», son componentes que se actualmente se encuentran muy difundidos.

La extensa adopción de estos componentes facilita el despliegue del Internet de las cosas (IoT).


4. Esquemas Abiertos de Hardware y Software

La infraestructura IoT se conforma de  Hardware y Software, ambos se pueden desarrollar e implementar con herramientas de esquema abierto conocidos como,

  • Open Hardware
  • Open Software

Para lo presentado en Girni IoT, se tiene preferencia en los esquemas abiertos.


5. Explorando un poco de IoT

Para explorar el esquema abierto IOT se revisa un ejemplo base, simplificado para incorporar un dispositivo sensor/actuador. El primer ejemplo a desarrollar es un  sensor de estado de Puerta-Ventana.

El estado de la «cosa«, puerta o ventana es cerrado o abierto. El estado se representa por un 1 o 0, ON/OFF, es también conocido como un estado binario.

Se usa un sensor tipo «interruptor magnético» con estados: abierto o cerrado, que permite determinar el estado de la puerta.

Un dispositivo registra el estado o lectura del sensor magnético, y genera un mensaje  de estado de «ON/OFF» para enviarlo a un punto central de gestión de la información (servidor o broker).

El dispositivo realiza las operaciones de revisión de sensor y envío de mensajes usando un «microcontrolador», como arduino, ESP8266, ESP32, etc.

El dispositivo usa una red de datos alámbrica o inalámbrica para enviar el mensaje al broker, por ejemplo WiFi.

El broker registra, gestiona y muestra el estado de la «puerta» al usuario. El broker realiza las funciones de servidor de mensajes y de página web, semejante a Twitter, facebook, etc.

El broker puede ser un servidor en la nube, o puede ser implemementado  de foma local con una PC o Raspberry Pi, lo que se tenga disponible.

Para que el mensaje del estado de la puerta se gestione en el broker, es necesario enviarlo por medio de una red de datos disponible.

La red de datos en la actualidad es muy común en su forma inalámbrica WiFi o cableada Ethernet, el uso de estas redes genera un escenario donde se facilita la implementación del internet de las cosas IoT.

El usuario puede revisar el estado de la «puerta» desde una página web, como un texto o símbolo, mostrado en la figura anterior.


Esquema por componentes y proceso por Bloques

La implementación e integración de éstos componentes se desarrolla paso a paso, empezando por los componentes más elementales y luego incorporando otros elementos que hacen de IoT un tema fascinante.

Un dispositivo IoT con Wifi  puede ser implementado con una placa de desarrollo con ESP8266/ESP32, inicialmente el proceso varía en detalles con la placa de desarrollo que tenga disponible. Las placas en la actualidad ya no presentan una diferencia muy grande en costos, por lo que el modelo depende más de la placa que tenga disponible para un primer ejercicio.

El proceso general para conectar un dispositivo IoT tiene varias fases o bloques:

  1. Conexión al router de una red WiFi.
  2. Envío de un mensaje de estado/acción de un sensor o actuador a un Gestor de mensajes (Broker) MQTT, por ejemplo Mosquitto.
  3. Registro el estado/acción de un sensor o actuador con un Gestor de dispositivos, entre ellos Home Assistant.

Las siguientes secciones desarrollan estos pasos