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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería en Informática Curso 2011/2012 Mayo 2012 DISEÑO Y EVALUACIÓN DEL API DE CONTROL DE UN RADIO 802.11 b/g PARA SU USO EN DISPOSITIVOS EMBEBIDOS Autor: Joaquín Ruiz Lite Director: David Gascón Cabrejas Ponente: Javier Martínez Rodríguez Dep. de Ingeniería e Informática de Sistemas. Escuela de Ingeniería y Arquitectura María de Luna 1, 50018 Zaragoza Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. María de Luna 11, nave 5 (CEEIARAGON) 50018 Zaragoza ! ! Resumen!!!!!!!!!! ! ! ! Las redes sensoriales inalámbricas están formadas por una serie de nodos que miden parámetros de interés mediante sensores y trabajan en conjunto para enviar esa información. El dispositivo Waspmote, es un equipo de comunicaciones diseñado para implementarse en redes sensoriales basado en un microprocesador de bajo consumo, al que se pueden incorporar módulos a través de sus entradas analógicas y digitales. Dichos dispositivos, se comunican mediante tecnología ZigBee, utilizando una máquina que dispone de radio ZigBee para controlar y recibir información de los nodos sensoriales. Sin embargo, si incorporamos un módulo Wi-Fi a los nodos, podremos comunicarlos con otro dispositivo que disponga de tecnología Wi-Fi o con un servidor de Internet, sin necesidad de hardware adicional. Este Proyecto Fin de Carrera consiste en la selección de un módulo Wi-Fi 802.11 b/g para su integración en el dispositivo Waspmote, así como del desarrollo de las librerías necesarias para el control y manejo a bajo nivel (API). Las principales funcionalidades de la biblioteca desarrollada son transmisiones en modo cliente para comunicar los nodos sensoriales con Internet y transmisiones en modo Ad-hoc con otro dispositivo que disponga de tecnología Wi-Fi. Dichas transmisiones se realizan mediante diferentes protocolos y transmisiones. También se ha desarrollado una serie de aplicaciones para probar el gran abanico de opciones de conexión que ofrece la tecnología 802.11 b/g mediante transmisiones en modo cliente y en modo Ad-hoc. Se han desarrollado aplicaciones específicas para las plataformas iPhone y Android que permiten capturar las tramas enviadas desde los nodos sensoriales. Finalmente, se ha hecho un informe de prestaciones del módulo definitivo, tanto pruebas de distancia/cobertura de la señal, como pruebas de consumo del módulo, incluyendo algoritmos que permiten optimizar el tiempo de vida de las redes, poniendo el radio en modo dormir, o cambiando características como la potencia de transmisión o el ratio de transmisión. ! ! ! ! Agradecimientos! A Mamá, Yaya, Esti, Papá, y a los compañeros de Libelium Índice!General!!!!!!!!! ! ! ! I MEMORIA 1 ! ! 1. INTRODUCCIÓN 3! 1.1. MARCO DE TRABAJO 3! 1.2. ESTADO DEL ARTE Y MOTIVACIÓN 3! 1.3. OBJETIVOS DEL PROYECTO 4! 1.4. DESARROLLO DEL PROYECTO 4! 1.5. MÉTODOS Y HERRAMIENTAS EMPLEADOS 5! 1.6. ESTRUCTURA DE LA MEMORIA 6! 2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 7 2.1. TECNOLOGÍAS EXISTENTES 7 2.2. DISPOSITIVO WASPMOTE 7 2.3. TOPOLOGÍAS WI-FI 8 2.3.1. INFRAESTRUCTURA CON PUNTO DE ACCESO 8 2.3.2. ADHOC CON DISPOSITIVO MÓVIL 10 2.3.3. ADHOC ENTRE Waspmotes 11 3. DISEÑO HARDWARE 13! 3.1. CONTEXTO HARDWARE 13! 3.2. SELECCIÓN DE INTEGRADOS Wi-Fi 13! 3.3. MÓDULO Wi-Fi DEFINITIVO 15! ! 4. API MÓDULO Wi-Fi 17! 4.1. FUNCIONAMIENTO RADIO WI-FI 17 4.2. BIBLIOTECAS WASPMOTE 18! 4.3. MÉTODOS DEL API 20 4.3.1. INICIALIZACIÓN 22! 4.3.2. CONFIGURACIÓN DE PUNTO DE ACCESO 23! 4.3.3. CONFIGURACIÓN DE RED 24! 4.3.4. CONEXIÓN 25! 4.4. CONFIGURACIÓN MÓDULO Wi-Fi 28! 4.4.1. FUNCIONES DE OPTIMIZACIÓN 28! 4.4.2. FUNCIONES DE AHORRO ENERGÉTICO 28! 4.5. INFORMACIÓN DEL ESTADO 29! ! 5. PRUEBAS REALIZADAS 31! 5.1. FUNCIONAMIENTO 31 5.1.1. PUNTOS DE ACCESO/ROUTER Wi-Fi 31! 5.1.2. CONEXIÓN CON LA NUBE (INTERNET) 32 5.1.3. CONEXIÓN ENTRE MÓDULOS Wi-Fi 32 5.1.4. CONEXIÓN CON OTRO DISPOSITIVO Wi-Fi 33 5.2. MEMORIA RAM 34 5.3. ANCHO DE BANDA 35 5.4. CONSUMO 35! 5.5. ALCANCE 36 5.6. RENDIMIENTO 37! ! 6. SOFTWARE ASOCIADO 39! 6.1. SOFTWARE PC 39! 6.2. APLICACIÓN iPhone 40! 6.3. APLICACIÓN Android 41! ! 7. CONCLUSIONES Y FUTURO 45! 7.1. APORTACIONES DEL PFC 45! 7.2. CUMPLIMIENTO DE OBJETIVOS 45! 7.3. TRABAJO FUTURO 46! ! 8. REFERENCIAS 47! ! ! II ANEXOS 51! ! A. DISPOSITIVO WASPMOTE 53 B. LIBELIUM RADIO WIFI 59 C. API WASPMOTE WI-FI 65 C.1. CATÁLOGO DE REQUISITOS 65 C.2. DIAGRAMA DE CONTROL 67 C.3. CÓDIGO DE EJEMPLO 69 D. PRUEBAS REALIZADAS 83 D.1. PUNTOS DE ACCESO 83 D.2. CONEXIÓN CON INTERNET 85 D.3. CONEXIÓN ENTRE MÓDULOS WIFI 88 D.4. CONEXIÓN CON OTRO DISPOSITIVO WIFI 88 D.5. ALCANCE 91 E. SOFTWARE DESARROLLADO 93 E.1. SOFTWARE PC 93 E.2. APLICACIÓN IPHONE 96 E.3. APLICACIÓN ANDROID 102 F. FASES DE DESARROLLO 109 F.1. DISTRIBUCIÓN SEMANAL 109 F.2. CONTROL DE ESFUERZOS 113 ! ! Índice!de!Figuras!!!!!!!! 2.1. Dispositivo Waspmote 7 2.2. Organización Hardware 8 2.3. Organización Software 8 2.4. Esquema topología con Punto de Acceso 9 2.5. Esquema topología con Punto de Acceso e Internet 9 2.6. Router Meshlium 10 2.7. Esquema topología Ad-hoc con dispositivo móvil 10 2.8. Esquema topología Ad-hoc entre Waspmote 11 3.1. Dispositivo Waspmote 13 3.2. Integrado Roving Networks 14 3.3. Integrado RedPine Signals 14 3.4. Puerto UART principal 15 3.5. Waspmote con Expansion Board 15 3.6. Libelium módulo Wi-Fi definitivo con antenas de 2 dBi y de 5 dBi 16 4.1. Diagrama de la clase WaspWiFi 21 4.2. Waspmote funcionando con placa de expansión 23 4.3. Salida de las funciones de estado del dispositivo utilizando W. IDE 30 5.1. Gráfico comparativo de tiempos dependiendo de la encriptación 31 5.2. Resultados del test PC con protocolo TCP 32 5.3. Resultados del test iPhone 33 5.4. Resultados del test Android 34 5.5. W. IDE mostrando memoria RAM en la parte inferior del programa 34 5.6. Gráfico comparativo memoria RAM 35 5.7. Prueba de consumo del radio Wi-Fi definitivo 36 5.8. Prueba de rendimiento con Waspmote v1.2 37 6.1. Software PC en funcionamiento 39 6.2. Conexión a la red del módulo Wi-Fi e icono de la iPhone App 40 6.3. Las 3 pantallas de la App iPhone 41 6.4. Creación de red Wi-Fi e icono de la Android App 42 6.5. Las 3 pantallas de la App Android 43 A.1. Componentes principales en Waspmote. Caras superior e inferior. 53 A.2. Señales de datos. 54 A.3. Señales de alimentación. 55 A.4. Dispositivo Waspmote con batería de litio. 56 A.5. Sensor de radiación para Waspmote. 57 A.6. módulos ZigBee, Bluetooth y Wi-Fi para Waspmote. 57 A.7. Uso del acelerómetro frente a vibraciones. 58 B.1. Documento esquemático Roving Networks RN-171. 60 B.2. Documento esquemático final modulo Wi-Fi. 61 B.3. Placa de cobre (superior e inferior) 62 B.4. Pines módulo Wi-Fi 63 -2- ! ! -3- Capítulo!1! Introducción!!!!!!!!! 1.1. Marco de trabajo El Proyecto Fin de Carrera (PFC) se ha desarrollado en colaboración con la empresa Libelium Comunicaciones Distribuidas, S.L., spin off de la Universidad de Zaragoza. Libelium es una empresa dedicada al diseño y fabricación de hardware para la implementación de redes sensoriales inalámbricas, redes malladas y protocolos de comunicación para todo tipo de redes inalámbricas distribuidas. El proyecto se ha desarrollado bajo la supervisión, como director del proyecto, de D. David Gascón Cabrejas, Director de I+D y CTO de Libelium, y del Dr. Javier Martínez Rodríguez, Catedrático del área de Lenguajes y Sistemas Informáticos del Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas (DIIS) de la Universidad de Zaragoza, como ponente. El trabajo se ha llevado a cabo entre los meses de Septiembre de 2011 y Febrero de 2012 en las instalaciones de la empresa sitas en el Centro Europeo de Empresas e innovación de Aragón (CEEI Aragón), bajo el formato de proyecto fin de carrera acogido a un convenio de colaboración entre la Universidad de Zaragoza y la empresa gestionado por el servicio UNIVERSA. 1.2. Estado del arte y motivación Las redes sensoriales inalámbricas o redes WSN (wireless sensor networks) [1], están formadas por una serie de nodos que tienen acceso al mundo exterior por medio de sensores. El nombre que se le da a este tipo de dispositivos es el de “mote” -traducción inglesa de mota de polvo-, debido a su pequeño tamaño y la idea de que pueden ser colocados en cualquier parte. Estos dispositivos tienen la capacidad de comunicarse entre sí mediante la creación de redes malladas utilizando el protocolo ZigBee [2]. De este modo, es posible transmitir la información adquirida a través de la red hasta un punto de control que registre los valores observados y pueda tomar decisiones. Una limitación de estas redes es la necesidad de un dispositivo o un equipo que disponga dicha tecnología ZigBee para comunicar los resultados al usuario final. Ésta es la principal motivación del desarrollo del radio Wi-Fi [3], ya que dicha tecnología es más conocida y extendida que la ZigBee. Disponiendo de un radio Wi-Fi en los nodos se puede interactuar con un dispositivo que tenga la tecnología Wi-Fi (un Smartphone, Tablet, ordenador portátil...) mediante conexión Ad-hoc [4]. Además, con dicho radio Wi-Fi y un router estándar, -4- se puede enviar información a un servidor en Internet (Nube) mediante conexión en modo cliente (infraestructurada [5]). Así mismo, la utilización del radio Wi-Fi junto con las redes WSN ya implementadas con ZigBee, nos ofrecen un amplio abanico de posibilidades para el futuro. 1.3. Objetivos del proyecto El objetivo principal de este PFC es dotar a la plataforma Libelium Waspmote [6] de un módulo emisor/receptor Wi-Fi bajo el estándar IEEE 802.11 b/g. Para ello, se realizan las siguientes tareas: 1. Selección de un integrado Wi-Fi para su integración en el dispositivo Waspmote. 2. Desarrollo de la biblioteca de control y manejo a bajo nivel necesaria para programar el funcionamiento del módulo Wi-Fi. Teniendo en cuenta limitaciones de un dispositivo empotrado, básicamente relativas a memoria y consumo. 3. Desarrollo de aplicaciones de alto nivel para la comunicación a través de dicho módulo Wi-Fi desde: - PC: programa multiplataforma que se comunique con el radio Wi-Fi utilizando los diferentes protocolos de comunicación implementados. - Smartphone: aplicaciones para dispositivos Android y dispositivos iOS (iPhone/iPad) para comunicación mediante una red Ad-hoc. También se ha estudiado de rendimiento del módulo Wi-Fi en un entorno real, así como programas de prueba interactuando con otros módulos ya existentes. 1.4. Desarrollo del proyecto El trabajo se ha desarrollado en diferentes etapas, las cuales se presentan a continuación: - Definición del trabajo y estudio del entorno En primer lugar, se definió y acotó el trabajo a realizar. A tal fin se estudiaron los diferentes protocolos de transmisión inalámbrica existentes en la plataforma de redes sensoriales y el protocolo Wi-Fi a desarrollar, así como el funcionamiento del entorno de programación Waspmote IDE [7] y de las API ya implementadas. - Elección Hardware La compañía adquirió dos integrados Wi-Fi. Nuestro trabajo consisitó en la elección del más adecuado para la plataforma Waspmote. Acto seguido, se adaptó el prototipo final, el cual se integra en el dispositivo Waspmote. Y finalmente se comprobaron las conectividades utilizando el Waspmote IDE, desarrollando una primera versión de lo que sería la API del radio Wi-Fi. -5- - Desarrollo de la API La fase principal es el desarrollo de las librerías para la comunicación con el integrado Wi-Fi utilizando diferentes protocolos de comunicación de una manera sencilla. Teniendo en cuenta las limitaciones de memoria y consumo de energía de los dispositivos empotrados a la hora de desarrollar esta API. - Software Asociado A continuación, se desarrolla software para la comprobación del funcionamiento de las funciones implementadas en cada tipo de protocolo (software para PC y aplicaciones para Android y iPhone). - Evaluación Finalmente, se han realizado las pruebas en un entorno real para comprobar el correcto funcionamiento y determinar el rendimiento y prestaciones del radio Wi-Fi. Las fases de desarrollo se explican en detalle en el Anexo F. 1.5. Tecnologías y herramientas empleadas Durante el desarrollo del Proyecto se han empleado diversos lenguajes de programación y herramientas de desarrollo de los cuales, a continuación, se destacan los más relevantes: • Para la programación de la API, se ha utilizado el entorno de desarrollo Waspmote IDE, y el lenguaje de programación C++. Waspmote IDE Entorno de programación para programar dispositivos Waspmote. Aquí se incluyen las librerías y se trabajan con ellas. C++ Lenguaje de programación orientado a objetos, utilizado para desarrollar la API. • Para el desarrollo de las aplicaciones con iOS, se ha utilizado el entorno de programación XCode y el lenguaje de programación Objetive-C. XCode Entorno de programación para MAC. Aquí se han desarrollado las aplicaciones para dispositivos iPhone/iPad. Objetive-C Lenguaje de programación orientado a objetos, utilizado en el desarrollo de aplicaciones para dispositivos iPhone/iPad. • Y finalmente, para el desarrollo de las aplicaciones para Android y para PC, se ha utilizado el entorno de programación Eclipse, y el lenguaje de programación Java. Eclipse Entorno de programación multilenguaje. Aquí se han desarrollado el software para PC y las aplicaciones para dispositivos Android. Java Lenguaje orientado a objetos y multiplataforma, utilizado en el desarrollo de software de prueba para PC y aplicaciones para dispositivos Android. -6- 1.6. Estructura de la memoria El presente documento está dividido en dos partes: Memoria, donde se explica el desarrollo del proyecto, y Anexos, donde se amplía la información de ciertos puntos relevantes. Respecto a la Memoria, la misma se ha estructurado en capítulos: • Capítulo 1: expone los objetivos del proyecto e introduce el documento. • Capítulo 2: describe el sistema Waspmote actual, las distintas tecnologías inalámbricas y el sistema deseado con el desarrollo del módulo Wi-Fi. • Capítulo 3: describe la elección de integrado Wi-Fi y se explican las principales características del integrado Wi-Fi final. • Capítulo 4: describe el funcionamiento de las bibliotecas Waspmote y la biblioteca Wi-Fi desarrollada. • Capítulo 5: describe las pruebas realizadas para comprobar las prestaciones y el correcto funcionamiento del dispositivo, junto con los resultados obtenidos. • Capítulo 6: describe el programa PC y las aplicaciones móviles desarrolladas. • Capítulo 7: analiza los resultados del proyecto y sus conclusiones y se exponen las líneas futuras de desarrollo. Existen también 7 Anexos con la siguiente información: • Anexo A: Descripción detallada del dispositivo Waspmote. • Anexo B: Descripción hardware del módulo Wi-Fi final. • Anexo C: Descripción detallada de la biblioteca Wi-Fi desarrollada, junto con códigos de ejemplo. • Anexo D: Explicación y código de las pruebas realizadas. • Anexo E: Descripción detallada del software desarrollado. • Anexo F: Explicación en profundidad de las distintas fases de desarrollo. ! ! ! ! ! -7- Capítulo!2! Descripción!del!Sistema!!!!! 2.1. Tecnologías existentes Actualmente existen varias tecnologías para transmitir información de manera inalámbrica como ZigBee, Bluetooth [8], Wi-Fi, WiMAX [9]. Cada una de ellas es utilizada para distintas finalidades dependiendo esencialmente de su alcance y consumo. § La tecnología ZigBee está basada en el estándar IEEE 802.15.4, utiliza la banda de frecuencia libre de 2,4GHz, proporciona un consumo muy reducido, con una tasa de transmisión de aproximadamente 250Kbps y un alcance de kilómetros. § La tecnología con protocolo Bluetooth está basada en el estándar IEEE 802.15.1, utiliza la banda de frecuencia libre de 2,4 GHz, estableciendo la tasa máxima de transmisión en 3Mbps con un rango óptimo de alcance de 10 metros. Su uso está orientado para dispositivos de bajo consumo, con una cobertura baja y basada en receptores de bajo coste. § La tecnología Wi-Fi utiliza las bandas de frecuencia libre de 2,4 Ghz y 5 Ghz, estableciendo la tasa máxima de transmisión en 108 Mbps (IEEE 802.11n) con una distancia máxima sin amplificación de aproximadamente 100 metros. § La tecnología WiMAX está basada en el estándar IEEE 802.16, utiliza diferentes frecuencias según cada protocolo dentro de la familia (desde los 2GHz hasta los 66GHz). La máxima tasa de transmisión es de hasta 70 Mbps, con una cobertura de hasta 50 km aproximadamente. 2.2. Dispositivo Waspmote Este proyecto trabaja con el dispositivo Waspmote, fabricado y distribuido por Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. Figura 2.1: Dispositivo Waspmote -8- Waspmote es un dispositivo sensorial especialmente orientado a desarrolladores. Puede trabajar con diferentes protocolos (ZigBee, Bluetooth, GPRS) y frecuencias (2.4GHz, 868MHz, 900MHz) siendo capaz de establecer enlaces de hasta 12km. Cuenta con un modo de hibernación con un consumo de 0.7!µA que permite ahorrar batería cuando no está transmitiendo. El dispositivo Waspmote dispone también de más de 50 sensores como temperatura, humedad o radiación entre otros, y de un entorno de desarrollo (IDE) completamente open-source (IDE + librerías + compilador). El propósito de este dispositivo es facilitar la configuración de redes sensoriales en multitud de escenarios diferentes, desde una red de contadores industriales o una red de sensores en cultivos, hasta una red de sensores en un lugar público. A continuación se observa dos esquemas de la organización hardware y software. En la figura 2.2. se observa cómo diferentes módulos se acoplan al dispositivo Waspmote a través de distintas conexiones. Y la figura 2.3. muestra cómo están estructuradas las bibliotecas en el entorno de desarrollo. Figura 2.2: Organización hardware Figura 2.3: Organización software En el anexo A se explica con más detalle el diseño del dispositivo Waspmote. 2.3. Topologías Wi-Fi El objetivo de este proyecto es la realización del módulo Wi-Fi para el sistema de redes sensoriales Waspmote. Dicho sistema ya dispone de módulos ZigBee y Bluetooth entre otros, por lo que el objetivo que se persigue en este módulo es optimizar las características que ofrece la tecnología Wi-Fi. En este apartado se presentan las topologías disponibles utilizando el módulo Wi-Fi. 2.3.1. Infraestructura con Punto de Acceso En esta topología los módulos Wi-Fi pueden conectarse a cualquier router estándar que esté configurado como Punto de Acceso (AP) y entonces enviar información a otros dispositivos que estén operando en la misma red como ordenadores portátiles o teléfonos inteligentes (Smartphone). -9- Esta es la topología más común cuando se implementan redes sensoriales en entornos pequeños y cuando se usan los datos en una Intranet. Figura 2.4: Esquema topología con Punto de Acceso Los nodos también pueden conectarse a un router Wi-Fi estándar que disponga de conexión a Internet y enviar la información recogida a un servidor web en Internet. Entonces los usuarios pueden recibir esta información de la nube. Este es el escenario tipo para compañías que quieren dar servicios de información accesible a sus clientes. Figura 2.5: Esquema topología con Punto de Acceso e Internet -10- Como se ha indicado antes, el módulo Wi-Fi puede enlazarse a cualquier router estándar, sin embargo, la conexión puede ser mejorada usando Meshlium [10] en lugar de un router estándar. Meshlium es un router multiprotocolo diseñado por Libelium que es especialmente recomendado para escenarios al aire libre, ya que está diseñado para soportar condiciones climáticas adversas. También ofrece otras prestaciones y funcionalidades como el guardar y organizar los datos recibidos en una base de datos. Figura 2.6: router Meshlium. 2.3.2. Ad-hoc con dispositivo móvil El siguiente diagrama muestra cómo un móvil inteligente (Smartphone) puede también comunicarse directamente con el módulo Wi-Fi integrado en cada Waspmote a través de una red Ad-hoc sin necesidad de un router o puerta de enlace. Figura 2.7: Esquema topología Ad-hoc con dispositivo móvil. -11- 2.3.3. Ad-hoc entre Waspmote La topología Ad-hoc puede ser usada también entre una colección de dispositivos Waspmote creando una red punto a punto en la que cada módulo Wi-Fi es enlazado a todos los demás dispositivos Wi-Fi en la red, ya sea mediante comunicación directa o retransmisión. Como en el caso anterior, no existe punto de acceso. Figura 2.8: Esquema topología Ad-hoc entre Waspmote. -18- • Agrupar comandos. El integrado dispone de multitud de comandos que se han agrupado y se envían de manera secuencial dentro de las funciones para realizar la tarea correspondiente. 4.2. Bibliotecas Waspmote Para la programación del dispositivo Waspmote se ha utilizado un lenguaje de programación basado en C/C++ que fue desarrollado para utilizar el dispositivo Arduino [16]. Es un lenguaje de programación basado en Wiring [17], open-source programming framework para micro controladores Esto es posible debido a que Waspmote se comunica mediante la transmisión de datos en formato serie, algo que los lenguajes C , C++ soportan. Admite todas las funciones del estándar C y algunas de C++. El siguiente fragmento de código sería un ejemplo tipo de un programa para Waspmote: # define LED_PIN 13 // Método de Inicialización del dispositivo void setup () { // Se activa el pin 13 para salida digital pinMode (LED_PIN, OUTPUT); } // Método que se itera indefinidamente. Enciende y apaga LED_PIN. void loop () { // Se enciende el led enviando una señal alta digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // Esperamos un segundo (1000 ms) delay (1000); // Se apaga el led enviando una señal baja digitalWrite (LED_PIN, LOW); // Espera un segundo (1000 ms) delay (1000); } El orden de ejecución será: Primero se ejecuta setup() que configura LED_PIN, y a continuación se realiza un bucle que ejecuta repetidamente el método loop(). La estructura de las bibliotecas para Waspmote se compone de un archivo C++ (.cpp) y una cabecera (.h) donde se definen las funciones. El archivo .cpp contiene el código de las funciones declaradas en la cabecera, y en la cabecera se crea el objeto que es utilizado para llamar a las funciones correspondientes. -19- El siguiente código WaspEjemplo ejemplifica el funcionamiento de las bibliotecas: // WaspEjemplo.h – Cabecera de Biblioteca de ejemplo. class WaspEjemplo { public: función_1(int pin); void función_2(); private: int _pin; }; extern WaspEjemplo Ejemplo; // WaspEjemplo.cpp – Biblioteca de ejemplo # include "WaspEjemplo.h" // Método función_1. Configura pin. WaspEjemplo:: función_1 (int pin) { pinMode(pin, OUTPUT); _pin = pin; } // Método función_2. Alterna el pin con señales HIGH y // LOW cada 250 milisegundos void WaspEjemplo::función_2() { digitalWrite(_pin, HIGH); delay(250); digitalWrite(_pin, LOW); delay(250); } A continuación se muestra un fragmento de código con dos invocaciones a los métodos función_1 función_2 del objeto Ejemplo, una instancia de la clase WaspEjemplo. Ejemplo.función_1(23); Ejemplo.función_2(); Una restricción es el consumo de recursos, por ello, hay que tener en cuenta que al ser un sistema empotrado, tenemos recursos hardware muy limitados. Por ello hay que minimizar el uso de memoria, ello se logra: - Economizando memoria: Usando tipos de datos que consuman poca memoria cuando sea posible, por ejemplo uint8_t en lugar de int. - Usando memoria dinámica y liberándola cuando sea posible. - Controlando el tamaño del buffer de los puertos: nunca se deben llenar y cuando ya hemos tratado un dato, se debe eliminar del buffer. -20- 4.3. Métodos de la biblioteca La Biblioteca desarrollada dentro de este proyecto se denomina biblioteca WaspWIFI, y tiene un formato tipo (archivos WaspWIFI.h y WaspWIFI.cpp y el objeto WIFI) como el resto de bibliotecas Waspmote, el cual se ha explicado en el apartado anterior. La biblioteca se ha estructurado en dos niveles. Por una parte, se han desarrollado ocho métodos de bajo nivel. Estos métodos tienen carácter privado y dan soporte a los métodos públicos de la biblioteca. A un nivel superior están los métodos públicos, a los que me voy a referir a partir de ahora como funciones como carácter general, que facilitan al programador la configuración y uso del módulo Wi-Fi. Además hay dos variables de objeto. Una pública llamada answer, en la que se almacena los últimos datos recibidos por el módulo Wi-Fi. De esta manera podemos vaciar el buffer hardware para tratar dicho mensaje. Y en la parte privada se encuentra la variable question, en la cual se almacenan datos para enviar al radio Wi-Fi, (un comando, en modo comando, o datos, en modo transparente). Los métodos privados son: • commandMode, entrar en modo comando. • contains, fragmentar un texto del buffer de línea serie y compararlo con cadenas preestablecidas. • readData, leer datos por línea serie. • sendCommand, enviar un comando al radio Wi-Fi. • saveReboot, guardar configuración actual y reiniciar el integrado para que las nuevas configuraciones tengan efecto. • open, abrir una conexión (TCP, UDP, FTP por ejemplo) y poner el radio Wi-Fi en modo transparente • openHTTP, abrir una conexión HTTP (comando GET a un servidor). • parseBroadcast, comprobar la información de una trama Broadcast. Los métodos públicos están relacionados con los métodos privados como muestra la figura 4.1: -21- Figura 4.1: Diagrama de la clase WaspWiFi En la Figura 4.1 se observan dos partes: • En la parte superior, están los métodos privados. Dichos métodos representan funcionalidades generales del radio Wi-Fi, y están relacionadas con los grupos de funciones de abajo. Observando estas relaciones, se puede intuir el funcionamiento de la clase. • Y en la parte inferior están las métodos públicos, agrupados dependiendo de su funcionalidad. A dichas funciones se accede con el objeto de la clase en el programa Waspmote, por ejemplo, WIFI.ON(). Las funciones públicas desarrolladas se clasifican en: • Funciones básicas: Estas funciones son el constructor de la clase, funciones para inicializar el módulo y para encenderlo y apagarlo. Algunos ejemplos ilustrativos: begin(), ON(). • Configuración del Punto de Acceso: Aquí se configura la topología de red, el tipo de punto de acceso, las características de dicho punto y también se dan funciones para conectar y desconectar de dichos puntos. Algunos ejemplos ilustrativos: setJoinMode(), join(), setAdhocOptions(). • Configuración de la conexión: En este apartado están las funciones encargadas de configurar las conexiones, las direcciones IP, los puertos, máscaras de red, etc. Algunos ejemplos ilustrativos: setDHCP(), setGW(), setIP(), setNetmask(), setLocalPort(). Funciones Básicas Configuración Punto de Acceso Configuración de la conexión Creación de la conexión Configuración del Dispositivo Información del Dispositivo commandMode contains readData sendCommand saveReboot openHTTP open parseBroadcast -22- • Creación de la conexión: Aquí están las funciones necesarias para crear la conexión para cada tipo de protocolo (TCP [18], UDP [19], Broadcast-UDP [20], HTML [21], FTP [22]), y también para cerrar la conexión. Algunos ejemplos ilustrativos: setTCPClient(), send(), read(), close(), getURL(), openFTP(), sendAutoBroadcast(). • Configuración del dispositivo: Estas funciones permiten utilizar el dispositivo de manera eficiente, encontraremos cómo reiniciar el dispositivo, ponerlo en modo dormir, despertarlo, ajustar la velocidad de la UART, guardar configuraciones por defecto, etc. Algunos ejemplos ilustrativos: reset(), resetValues(), setBaudRate(), setTXPower(), setSleep(). • Información del dispositivo: Estas funciones devuelven información de la configuración actual del módulo Wi-Fi, la información se transmite por el puerto del USB que tiene el dispositivo Waspmote. Algunos ejemplos ilustrativos: getConnectionInfo(), getStats(), getAPstatus(). 4.3.1. Inicialización Antes de usar el módulo Wi-Fi, éste necesita ser inicializado, durante este proceso, los parámetros de configuración son enviados al radio Wi-Fi. También se inicializan otras bibliotecas que son utilizadas, como son USB para el caso de mostrar información del dispositivo y SD en el caso de subir o descargar archivos a través de conexiones FTP utilizando una tarjeta SD acoplada al Waspmote. La inicialización de la biblioteca WaspWIFI se hace a través de la función begin(), con la cual el Waspmote se prepara para comunicarse con el módulo Wi-Fi, inicializando las bibliotecas necesarias. Y llamando a ON(socket), el módulo abre los pines necesarios para la comunicación, y también configura la velocidad de transmisión del puerto UART. Dependiendo del socket seleccionado, se cambia un multiplexor que prepara Waspmote para comunicar por el UART principal o utilizando la placa de expansión. A continuación se muestra un fragmento del código que selecciona el multiplexor dependiendo del valor de socket. if#(socket==socket0)# {#//"Puerto"UART"principal# "//"Se"configuran"como"salida"(OUTPUT)"los"pines"del"multiplexor"UART.! #pinMode(XBEE_PW,#OUTPUT);! #pinMode(MUX_USB_XBEE,#OUTPUT);##! "//"Se"alimentan"dichos"pines"para"seleccionar"la"entrada"de"UART! #digitalWrite(XBEE_PW,#HIGH);#! #digitalWrite(MUX_USB_XBEE,#HIGH);! }# else# {#//"Puerto"UART"de"la"placa"de"expansión# -23- "//"Se"configuran"como"salida"(OUTPUT)"los"pines"del"multiplexor"UART.! #pinMode(MUX_PW,#OUTPUT);! #pinMode(MUX0,#OUTPUT);#! #pinMode(MUX1,#OUTPUT);##! "//"Se"alimentan"dichos"pines"para"seleccionar"la"entrada"de"UART! #digitalWrite(MUX_PW,#HIGH);#! #digitalWrite(MUX0,#HIGH);! #digitalWrite(MUX1,#HIGH);# }! ! Figura 4.2: Waspmote funcionando con placa de expansión ! ! ! 4.3.2. Configuración Punto de Acceso! Aquí se describe como se conecta el módulo Wi-Fi a una red (Punto de Acceso) para hacer posible las conexiones deseadas. La función principal en esta sección es setJoinMode(TIPO), dependiendo de TIPO el módulo se conecta a un punto de acceso de distinta forma. La función devuelve 1 si va todo bien, y 0 si algo ha fallado al conectarse a dicha red. A continuación se muestra el comportamiento de la función de una forma más detallada dependiendo del argumento: - Si tipo es MANUAL, el módulo Wi-Fi no se conecta a ninguna red de forma automática. El usuario debe llamar a join de forma manual indicando el nombre de la ESSID y la contraseña de red si la hubiera cuando quiera conectarse a una red. - Si tipo es AUTO_BEST, se guarda la configuración actual en la memoria del integrado y reinicia el módulo Wi-Fi, el cual hace un barrido de redes para comunicarse e intenta conectarse con la red de mejor calidad teniendo en cuenta el nivel de encriptación si hubiera alguna contraseña guardada en el dispositivo. -24- - Si el tipo es AUTO_STORE, se guarda la configuración actual en la memoria del integrado y reinicia el módulo Wi-Fi, el cual hace un barrido de redes para comunicarse e intenta comunicarse con una red que tenga el mismo nombre y canal indicados previamente mediante las funciones correspondientes. - Y finalmente, si el tipo es CREATE_ADHOC, el radio Wi-Fi crea una red Adhoc con el nombre de la red, la seguridad si la hubiera y el canal especificados previamente. Si dicha red ya existe, se unirá a dicha red mediante modo Ad-hoc. Existe otra función en la que el usuario también puede configurar el ratio y el tiempo de espera sin conexión de la red Adhoc setAdhocOptions(beacon, probe). Dicha conexión también crea la conexión Ad-hoc. 4.3.3. Configuración de Red En esta sección se describe cómo configurar la red. El módulo Wi-Fi tiene que estar configurado antes de enlazarse a un punto de acceso o crear una red Ad-hoc. La función principal es setDHCPoptions(TIPO), con la que configuramos el modo en el que se resuelve la dirección IP [23], necesaria para realizar cualquier tipo de comunicación con Internet. Los tipos posibles son: DHCP_OFF, DHCP_ON, AUTO_IP, y DHCP_CACHE. Llamando a setDHCPoptions(DHCP_ON) se activa el protocolo DHCP [24]. Llamando a este protocolo, el módulo Wi-Fi recibe una dirección IP válida desde el punto de acceso automáticamente. Con DHCP_CACHE, el módulo Wi-Fi usa una dirección IP antigua válida, si la sesión DHCP no ha expirado. Con DHCP_OFF se desactiva el protocolo DHCP, con lo que hay que indicar las direcciones de red manualmente. Un posible código sería el siguiente: //#1.#Desactiva#protocolo#DHCP.# WIFI.setDHCP(DHCP_OFF);# //#2.#Configura#la#puerta#de#enlace# WIFI.setGW(“192.168.4.1”);# //#3.#Configura#la#máscara#de#red# WIFI.setNetmask(“255.255.255.0”);# //#4.#Configura#el#puerto#local# WIFI.setLocalPort(55555);# //#5.#Configura#la#dirección#IP# WIFI.setIP(“192.168.1.50”);# Y finalmente, llamando a setDHCPoptions(AUTO_IP), el módulo Wi-Fi está configurado para resolver direcciones IP en redes Ad-hoc. Una dirección link-local (Auto-IP), es una dirección IP para comunicaciones locales o punto a punto. Dichas direcciones están definidas en el bloque de direcciones 169.254.0.0/16. -25- 4.3.4. Conexión! Este apartado describe brevemente cómo configurar y preparar una conexión desde el módulo Wi-Fi dependiendo del protocolo deseado. Las posibles conexiones son Ad-hoc, Broadcast-UDP, UDP, TCP, HTTP y FTP. ! ! Con la función setConnectionOptions(TCP|UDP|…) se configura el tipo o los tipos de protocolo si vamos a hacer una conexión HTTP, cliente TCP, UDP seguro, servidor TCP o UDP simple. En este caso el argumento es una máscara de 5 bits. De esta manera se puede configurar una conexión que soporte distintos protocolos a la vez utilizando el operador OR (|). La máscara de bits interna es la siguiente:! ! HTTP! TCP ! Cliente! UDP Seguro! TCP Cliente & Servidor! UDP! 10000! 01000! 00100! 00010! 00001! Tabla 4.1: Máscara de bits del selector de protocolo! ! A la hora de crear la conexión, cada protocolo funciona de manera distinta, ya que hay protocolos orientados a conexión como TCP, y otros que no, como UDP. El protocolo HTTP funciona mandando mensajes de petición y esperando respuesta y en FTP se controla la conexión internamente. Por ello, se han creado funciones distintas para cada tipo de protocolo. A continuación se explica el funcionamiento de cada protocolo:! ! • TCP: El Protocolo de Control de Transmisión o TCP, es uno de los protocolos fundamentales en Internet. Es un protocolo de comunicación orientado a conexión y fiable del nivel de transporte. ! ! Por ello, las funciones necesarias son: Ø Abrir la conexión setTCPclient, setTCPserver, indicando la dirección y el puerto. Ø Enviar o recibir send, read una vez establecida la conexión. Ø Y finalmente cerrar la conexión explícitamente close. A continuación se muestra un ejemplo de uso de las funciones implementadas: ! //#Abre#la#conexión#TCP! if#(WIFI.setTCPclient(“192.168.1.50”,3550,2000))! {#//#Si#todo#va#bien,#enviar#y#recibir#mensajes.! #while(1)! # {# WIFI.send(“xxxx”);#WIFI.read();! # # if#(WIFI.answer[0]==’0’)#break;! # }! #//#Cierra#la#conexión#TCP! #WIFI.close();! }! ! -26- En este caso, el módulo Wi-Fi abre conexión TCP, manda un mensaje y espera recibir otro, en el caso que empiece por cero, sale del bucle y cierra la conexión.! ! ! • UDP: El Protocolo de Datagramas de Usuario o UDP es un protocolo de nivel de transporte basado en el intercambio de datagramas. Permite el envío de datagramas a través de la red sin que se haya establecido previamente una conexión.! ! Por ello, las funciones necesarias son: Ø Abrir la conexión setUDPclient, setUDPserver, indicando la dirección y el puerto. Ø Enviar o recibir send, read una vez establecida la conexión. Ø Y finalmente cerrar la conexión explícitamente close, aunque en este caso debido a la naturaleza del protocolo no hace falta cerrar la conexión, es necesario indicar al módulo Wi-Fi que ya hemos terminado de enviar datagramas UDP al host determinado. A continuación se muestra un ejemplo de uso de las funciones implementadas: ! //#Selecciona#la#conexión#UDP! if#(WIFI.setUDPclient(“192.168.1.50”,3550,2000))! {#//#Si#todo#va#bien,#enviar#y#recibir#mensajes.! #while(1)! # {# WIFI.send(“xxxx”);! # # WIFI.read();! # # if#(WIFI.answer[0]==’0’)#break;! # }! #//#Sale#de#la#conexión#UDP! #WIFI.close();! }! ! En este caso, el módulo Wi-Fi especifica modo UDP y la dirección del servidor, envía un datagrama UDP, y se pone en espera de recibir otro desde el servidor, en el caso de que este mensaje empiece por cero, sale del bucle y sale del modo mandar mensajes para continuar con otra tarea.! ! ! § HTTP: El protocolo de transferencia de hipertexto o HTTP es el usado en cada transacción de la World Wide Web.! ! Por ello, para este protocolo tenemos una función getURL en la cual se especifica el servidor contra el cual se mandará la petición HTTP, y la petición GET. El servidor puede especificarse con su dirección IP, o con una URL, la cual será resuelta usando protocolo DNS. A continuación se muestra un ejemplo de uso de las función implementada: ! -27- //#Llama#a#funcion#HTTP#especificando#IP#y#Query! WIFI.getURL(IP,”84.20.10.73”,”GET$/radioWiFitest.php?name=Joaquin”);! //#Llama#a#funcion#HTTP#especificando#URL#y#Query! WIFI.getURL(DNS,”www.libelium.com”,”GET$/radioWiFitest.php?name=Jok”);! ! ! § FTP: El protocolo de transferencia de Archivos o FTP es un protocolo de red para la transferencia de archivos entre sistemas conectados a una red TCP, basado en la arquitectura cliente-servidor.! ! Una transferencia FTP se puede desarrollar en tres etapas, por ello, se desarrollan las funciones: • Especificar el nombre y contraseña del servidor, openFTP. • Subir un archivo, uploadFile. • Descargar un archivo desde el servidor, getFile. Las funciones de abrir conexión, cerrar conexión, etc. son abstraídas dentro de las funciones. En el caso de las funciones de subir y descargar archivo, se ha utilizado la API de la tarjeta SD para leer y escribir archivos en la tarjeta.! ! A continuación se muestra un ejemplo de uso de las funciones implementadas: ! //#Prepara#el#servidor#FTP#especificando#nombre#de#usuario## //#y#contraseña! WIFI.openFTP(“WiFimodu”,”cro3N2C20h”);! //#Sube#un#archivo#de#la#tarjeta#SD#al#servidor#FTP#indicando## //#nombre#del#documento,!carpeta#tarjeta#SD#y#carpeta#servidor#FTP! WIFI.uploadFile(“FileText”,”Folder”,”public_ftp/Folder”);! //#Descarga#un#archivo#del#servidor#FTP#a#la#tarjeta#SD#indicando## //#nombre#del#documento,!carpeta#tarjeta#SD#y#carpeta#servidor#FTP! WIFI.getFile(“documento”,”Folder”,”public_ftp”);! ! ! § Broadcast-UDP: Esta funcionalidad genera datagramas UDP automáticamente cada cierto tiempo, y puede trabajar en paralelo con cualquier tipo de conexión abierta. Esto es útil debido a lo siguiente: ! ! Ø Algunos puntos de acceso desconectan dispositivos si no reciben paquetes transcurrido un tiempo.! Ø Programas de auto-conexión o auto-descubrimiento pueden utilizar esta utilidad cuando por ejemplo pasan de modo dormido a modo encendido.! ! El formato del paquete es un paquete de 110 bytes de datos en el cual se especifican la dirección MAC, canal, puerto, etc. y un mensaje que se puede personalizar para cada dispositivo. A continuación se muestra un ejemplo de configuración de Broadcast-UDP utilizando la función sendAutoBroadcast. ! -34- ! ! Figura 5.4: Resultados del test Android ! 5.2. Memoria RAM! El tamaño de memoria RAM empleado es importante, ya que el dispositivo Waspmote presenta limitaciones en este sentido (8 KBytes). Para hacer dicha medición, se hace una modificación del Waspmote IDE para que cuando compile muestre la memoria en la parte inferior de la pantalla.! ! ! Figura 5.5: Waspmote IDE mostrando memoria RAM en la parte inferior del programa ! A continuación se muestra una tabla comparativa de los programas de prueba desarrollados y el uso de memoria RAM en cada caso.! ! Estado del dispositivo 6,452 Kbyte Conectar a un punto de acceso 6,464 Kbyte Comunicación Ad-hoc 6,473 Kbyte Envío datagramas Broadcast-UDP 6,494 Kbyte Conexión TCP 6,506 Kbyte Envío datagramas UDP 6,508 Kbyte Conexión HTTP 6,528 Kbyte Conexión FTP 6,925 Kbyte (usa API tarjeta SD) Programa Android 7,680 Kbyte (usa API GPS) Programa iPhone 1 7,678 Kbyte (usa API GPS) Programa iPhone 2 6,492 Kbyte Tabla 5.3: Tabla comparativa memoria RAM! ! -35- ! Figura 5.6: Gráfico comparativo memoria RAM ! ! 5.3. Ancho de Banda! ! Como ya se ha comentado, se puede cambiar la velocidad del módulo (bps). Se han hecho mediciones con distintos Baud-Rate [28] trabajando en un entorno real. A continuación se muestra una tabla con los datos de velocidad de transmisión (del módulo Wi-Fi a un servidor de internet) y de recepción (de un servidor de Internet al módulo Wi-Fi), trabajando con 9600 bps, 19200 bps, y 57600 bps. Baud-rates Transmisión Recepción 9600 142 ms 5,63 kbps 8 ms 100 kbps 19200 87 ms 9,19 kbps 8 ms 100 kbps 57600 51 ms 15,68 kbps 8 ms 100 kbps Tabla 5.4: Tabla Ancho de Banda! 5.4. Consumo! ! La adaptación realizada al integrado Wi-Fi para adaptarlo a Waspmote ha premitido reducir su consumo en 2 mA. En la siguiente tabla se muestra el consumo medio del módulo Wi-Fi en los principales estados del dispositivo. ! Estado Consumo Apagado 0 µA Dormido 4 µA Encendido 33 mA Recibiendo Datos 36 mA Transmitiendo Datos 36 mA Escaneando Puntos de Acceso 34 mA Tabla 5.5: Tabla consumo! ! 5,5! 6! 6,5! 7! 7,5! 8! Estado!del!dispositivo! Conectar!a!un!punto!de!acceso! Comunicación!AdHhoc! Programa!iPhone!2! Envío!datagramas!BroadcastHUDP! Conexión!TCP! Envío!datagramas!UDP! Conexión!HTTP! Conexión!FTP! Programa!iPhone!1!! Programa!Android! -36- Para medir el consumo se ha utilizado un amperímetro conectado en serie en la alimentación de 3.3V entre el dispositivo Waspmote y el módulo Wi-Fi. A continuación se muestra una imagen del test realizado.! ! ! Figura 5.7: Prueba de consumo del módulo Wi-Fi definitivo 5.5. Alcance! ! La realización de esta prueba es necesaria para determinar la longitud de los enlaces que se pueden alcanzar utilizando los módulos Wi-Fi en un entorno real.! ! El alcance del dispositivo Wi-Fi depende principalmente de la antena conectada al conector SMA. Se acota la comparativa a los dos tipos de antenas que se utilizan con los módulos de Waspmote, 2 dBi y 5 dBi, y poniendo la transmisión al máximo de potencia (12 dBm).! ! Para la realización de esta prueba se buscó una recta sin obstáculos. Se ha elegido la calle del Poeta Luciano Gracia, una recta cerca de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de Zaragoza.! ! Los rangos cambian en comunicaciones entre Waspmote y conectando a un punto de acceso. También son diferentes para una transmisión perfecta (100% paquetes UDP recibidos) y para visibilidad de un AP (distancia mayor). La siguiente tabla muestra un resumen de dichas mediciones dependiendo de la antena. Waspmote + antena 2 dBi 20 m – 100 m Waspmote + antena 5 dBi 300 m – 500 m Tabla 5.6: Tabla de distancias! -37- 5.6. Rendimiento! ! Finalmente, se han realizado pruebas “de carga”, estas pruebas se utilizan para comprobar el correcto funcionamiento a largo plazo del módulo Wi-Fi. En este caso la prueba es sencilla: Despertar -> Conectar AP Meshlium -> Mandar trama UDP -> Dormir Figura 5.8: Prueba de rendimiento con Waspmote v1.2! Así durante 10 días, durmiendo cada 5 minutos. Se realiza la prueba con la versión Waspmote actual (v1.1) y la que saldrá a lo largo de este año (v1.2). Waspmote v1.1 99,96 % recibidos Waspmote v1.2 99,93 % recibidos Tabla 5.7: Tabla de rendimiento! ! ! -38- ! ! -39- Capítulo!6! Software!Asociado!!!!!!! ! ! ! Para conectar el módulo Wi-Fi a otro dispositivo que no sea el propio módulo Wi-Fi se ha desarrollado una serie de software asociado. Dicho software se compone de un programa multiplataforma para comunicar el módulo Wi-Fi con un PC en modo cliente, y aplicaciones para iOS [29] y Android [30] para comunicar con iPhone, iPad y móviles Android en modo Ad-hoc. En esta sección se explica lo más importante del software asociado, se dispone de más información en el Anexo E. ! 6.1. Software PC! ! En esta sección se describe el programa multiplataforma para PC que se comunica con el módulo Wi-Fi del Waspmote mediante UDP, TCP o traduciendo el contenido del Broadcast-UDP. Dicho programa se puede descargar de la web de Libelium: http://www.libelium.com/development/waspmote La pantalla del programa está dividida en 3 partes principales: • La primera parte corresponde a los datos de configuración y a los botones de crear conexión y cerrar conexión. • En la segunda parte hay dos cuadros de texto, uno que muestra información y los mensajes recibidos, y en la segunda se escribe el mensaje a enviar junto con el botón de enviar. • Finalmente, en la parte inferior de la pantalla hay un botón para salir del programa. ! ! Figura 6.1: Software PC en funcionamiento! -40- ! El funcionamiento del software es simple, basta con seleccionar el puerto y el tipo de protocolo en el programa e indicar la IP del ordenador en el código que se introduce al Waspmote. En cuanto recibamos un primer mensaje del Waspmote podremos responderle un mensaje, ya que sabremos su dirección.! En cuanto al código del software PC, es un programa escrito en Java bajo una interfaz gráfica utilizando librerías Java-Swing y un socket corriendo en un Threat utilizando librerías Java-Net.!! ! ! 6.2. Aplicación iPhone! ! Se han desarrollado aplicaciones para iOS, una para recibir datos de módulos Wi-Fi (en concreto posición GPS) y dibujar dichos módulos en un mapa. Otra aplicación permite la comunicación del iPhone al dispositivo Waspmote, mandándole mensajes para controlar su funcionamiento. Finalmente se realiza la aplicación “oficial” Waspmote Wifi, que es la que se va a introducir aquí. Dicha aplicación está disponible en el App Store [31] de Apple. Para utilizar la aplicación basta con descargarla a un dispositivo iPod, iPhone o iPad. Conectar el dispositivo a la red que crea módulo Wi-Fi, y lanzar la aplicación. Figura 6.2: Conexión a la red del módulo Wi-Fi e icono de la iPhone App! -41- Dentro de la aplicación, hay 3 pestañas en la parte inferior de la pantalla que corresponden a cada una de las pantallas de la aplicación. • La primera pantalla (Network – Red), proporciona información acerca de la red creada por el módulo Wi-Fi. Dicha información se compone de Nombre de la red, dirección MAC del módulo Wi-Fi, y la potencia/calidad de dicha red. • La segunda pantalla (Monitoring – Monitorización), muestra la información recibida en tiempo real de sensores acoplados al módulo Wi-Fi tales como temperatura, humedad, luminosidad… y los datos del acelerómetro, con los cuales se dibuja el dispositivo Waspmote con la inclinación que tenga en la pantalla. • Y finalmente, la tercera pantalla (Actuator – Actuador), hay tres interruptores con los que se envía distintos mensajes Encendido/Apagado a Waspmote, y una barra de desplazamiento que envía valores de 0 a 100%. Figura 6.3: Las 3 pantallas de la App iPhone! En el vídeo promocional del producto se ve esta aplicación en funcionamiento con un set de luces conectado a Waspmote, con el que se controla la intensidad de las mismas. Dicho vídeo se encuentra en: http://www.youtube.com/watch?v=Ybn- K8ZZCPE ! 6.3. Aplicación Android! Para Android se han desarrollado las mismas aplicaciones que para iPhone, pero adaptadas a los dispositivos Android. En este caso, también se ha desarrollado la aplicación “oficial” Waspmote Wifi, la cual se va a introducir en esta sección. Dicha aplicación se puede descargar desde Android Market [32]. -42- Para utilizar esta aplicación, basta con descargarla del Android Market y lanzar una red Ad-hoc desde el dispositivo Android a la que Waspmote se conecta. Figura 6.4: Creación de red Wi-Fi e icono de la Android App! Dentro de la aplicación, hay 3 pestañas en la parte superior de la pantalla que corresponden a cada una de las pantallas de la aplicación. • La primera pantalla (Network – Red), proporciona información acerca de la red creada por el módulo Wi-Fi. Dicha información se compone de Nombre de la red, dirección MAC del módulo Wi-Fi, y la potencia/calidad de dicha red. • La segunda pantalla (Monitoring – Monitorización), muestra la información recibida en tiempo real de sensores acoplados al módulo Wi-Fi tales como temperatura, humedad, luminosidad… y los datos del acelerómetro, con los cuales se dibuja el dispositivo Waspmote con la inclinación que tenga en la pantalla. • Y finalmente, la tercera pantalla (Actuator – Actuador), hay tres interruptores con los que se manda distintos mensajes Encendido/Apagado a Waspmote, y una barra de desplazamiento que envía valores de 0 a 100%. -43- Figura 6.5: Las 3 pantallas de la App Android! ! ! -50- ! ! -51- ! ! ! ! ! II.!ANEXOS! ! ! -52- ! ! -53- Anexo!A! Dispositivo!Waspmote!!!!! Waspmote se basa en una arquitectura modular. La idea es integrar únicamente los módulos que necesitemos en cada dispositivo y ser capaces de cambiarlos y ampliarlos según las necesidades. Los módulos disponibles para integrar en Waspmote se clasifican en: - Módulos ZigBee/802.15.4 (2.4GHz, 868MHz, 900MHz). Baja y alta potencia. - Módulo GSM - 3G/GPRS (Quadband: 850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz) - Módulo GPS - Módulos Sensoriales (Placas de Sensores) - Módulo de almacenamiento: SD Memory Card En la siguiente lista podemos ver las especificaciones del dispositivo: • Microcontrolador: ATmega1281 • Frecuencia: 8MHz • SRAM: 8KB • EEPROM: 4KB • FLASH: 128KB • SD Card: 2GB • Peso: 20gr • Dimensiones: 73.5 x 51 x 13 mm • Rango de Temperatura: [-20ºC, +65ºC] La siguiente figura muestra los componentes principales en Waspmote: Figura A.1: Componentes principales en Waspmote. Caras superior e inferior. -54- En las figuras A.2 y A.3 podemos ver diagramas de bloques del dispositivo Waspmote. El diseño del dispositivo Waspmote fue realizado por el equipo de Libelium con anterioridad a la realización de este PFC. Figura A.2: Señales de datos. -55- Figura A.3: Señales de alimentación. El dispositivo está basado en un microcontrolador ATMEGA 1281 que funciona a 8MHz. La ventaja de los microcontroladores ATMEGA es que se pueden utilizar en un entorno amigable para el usuario. Para ello, es necesario cargar un ‘bootloader’ antes de empezar a programarlo, que se encargará de cargar el programa a nuestro microcontrolador. El bootloader es el programa que se encarga de preparar al microcontrolador para que acepte el código de cada programa que queremos cargar. De esta forma, la utilización de un dispositivo externo como un programador sólo es necesaria para la carga de dicho bootloader. Una vez cargado el bootloader se podrá hacer uso de un IDE (Integrated Development Environment) para cargar los programas al dispositivo. En cuanto a consumo, Waspmote tiene 4 modos de funcionamiento: • ON: modo normal de funcionamiento. El consumo en este estado es de 9mA. • Sleep: El programa principal se detiene, el microcontrolador pasa a un estado de latencia, del que puede ser despertado por todas las interrupciones asíncronas y por la interrupción síncrona generada por el Watchdog. El intervalo de duración de este estado va de 32ms a 8s. El consumo en este estado es de 62µA. -56- • Deep Sleep: El programa principal se detiene, el microcontrolador pasa a un estado de latencia del que puede ser despertado por todas las interrupciones asíncronas y por la interrupción síncrona lanzada por el RTC. El intervalo de este ciclo puede ir de 8 segundos a minutos, horas, días. El consumo en este estado es de 62µA. • Hibernate: El programa principal se detiene, el microcontrolador y todos los módulos de Waspmote quedan completamente desconectados. La única forma de volver a activar el dispositivo es a través de la alarma previamente programada en el RTC (interrupción síncrona). La placa cuenta con un conector mini-USB para comunicar el microcontrolador con un ordenador, de forma que se pueda programar a través de un entorno amigable. Este conector también nos permite la captura presentación por pantalla de los datos generados por el dispositivo Waspmote. La alimentación puede ser introducida a través del mini-USB, mediante una placa solar o bien a través de una batería de litio. La batería de litio se puede recargar al tener el módulo conectado al mini-USB o a la placa solar. De esta forma, podemos recargar el dispositivo Waspmote mientras lo programamos, o incrementar la duración de la vida de su atería al tenerlo conectado a una placa solar. Figura A.4: Dispositivo Waspmote con batería de litio. El dispositivo Waspmote dispone de 10 E/S digitales para poder conectar todo tipo de sensores externos, así como de 8 entradas analógicas. De esta forma obtenemos una gran cantidad de posibilidades de interconexión para nuestras redes sensoriales. En la siguiente figura se muestra como ejemplo el sensor de radiación. -57- Figura A.5: Sensor de radiación para Waspmote. El dispositivo Waspmote también cuenta con un botón de reset, que permite reiniciar el código cargado en el microcontrolador. El código se reiniciará desde el punto de partida, siendo este código el último que se haya cargado en la placa. La transmisión de datos se puede realizar de varias maneras. Una de ellas es a través de los módulos de comunicación implementados (el módulo Wi-Fi desarrollado en este PFC, o módulos ZigBee, Bluetooth,… ya implementados). La otra forma de transmitir es mediante 3G. Figura A.6: módulos ZigBee, Bluetooth y Wi-Fi para Waspmote. El almacenamiento de los datos capturados se puede realizar en una tarjeta mini- SD. Para ello, se ha diseñado un zócalo de conexión de dicho tipo de tarjetas SD. De esta forma, se pueden almacenar gran cantidad de datos, concretamente se puede trabajar con tarjetas de hasta 4 GBytes. La sincronía y funciones de reloj se pueden realizar gracias al uso de un reloj interno. Dicho reloj sirve para poder tener la red sincronizada en caso de ser necesario, pudiendo despertar al dispositivo de un estado de bajo consumo. -58- Para posibles aplicaciones móviles o detectar caídas del dispositivo, se ha dotado al dispositivo Waspmote con un acelerómetro. De esta forma, se puede detectar si el dispositivo ha sufrido una caída o ha cambiado de dirección en un movimiento constante. Figura A.7: Uso del acelerómetro frente a vibraciones. Finalmente, con el fin de dotar a dichos dispositivos de un sistema de localización, se ha diseñado una placa de interconexión para conectar un receptor GPS. De esta forma, podemos obtener la localización en cada momento de los dispositivos Waspmote. ! ! -59- Anexo!B! Libelium!Radio!WiEFi!!!!!! En esta sección se explican los principales cambios en el módulo original de Roving Networks para realizar el Libelium Radio Wi-Fi final. En las siguientes páginas se encuentran los documentos esquemáticos tanto del módulo Roving Networks RN-171 original (Figura B.1), como del módulo Wi-Fi final (Figura B.2). También se encuentran las imágenes de la placa de cobre encargada de redirigir las entradas del integrado a los pines de la placa Waspmote (Figura B.3) y el esquema de pines del módulo final (Figura B.4). Principales cambios: • Se eliminan leds (GPIO_4, GPIO_5, GPIO_6). • Las tierras (GND) se unen al mismo conector y se redirigen a un pin GND. • Se conecta un conector SMA a la salida de la antena (ANTENNA). • Las entradas VBATT, VDD_3V3_RF, VDD_3V3 se redirigen a un pin a +3V3. • Las entradas GPIO_11 (UART_RX) y GPIO_10 (UART_TX) se redirigen a dos pines RX y TX. • Finalmente, se sacan a agujeros las entradas ISP_RX, ISP_TX y RESET_N para tener una entrada/salida secundaria y una entrada de reset, esto se hace para futuras actualizaciones/necesidades. -66- • Lanzar un comando ping a una dirección IP: para saber si una dirección es válida o alcanzable. • Resolver mediante DNS una dirección web. • Sincronizar reloj interno con un servidor web. • Configurar dirección IP estática, mediante protocolo DHCP, o mediante protocolo Auto-IP. • Configurar puerta de enlace y máscara de red estáticamente. • Crear una conexión Ad-hoc: Para conexiones con otros módulos Wi-Fi sin necesidad de un punto de acceso. • Crear una conexión servidor UDP. • Crear una conexión cliente UDP. • Crear una conexión servidor TCP. • Crear una conexión cliente TCP. • Mandar datagramas Broadcast UDP cada cierto tiempo. • Abrir una conexión HTTP con un comando predeterminado. • Subir un fichero mediante FTP: Desde una tarjeta SD en Waspmote a un servidor en Internet. • Descargar un fichero mediante FTP: Desde un servidor en Internet a una tarjeta SD conectada a Waspmote. • Poner el módulo en modo bajo consumo. • Despertar el módulo de modo bajo consumo. • Mostrar información sobre el estado del módulo. Requisitos No Funcionales: • Encriptación: WEP, WPA, WPAMIX o WPA2. • Rango canales: 1 a 13. • Rango baud-rate: 2400 a 921600. • Consumo módulo < 40 mA. • Modo bajo consumo. • Potencia transmisión configurable: 0 dBm a 12 dBm. -67- • Rango de distancia: Hasta 300 m. • Tiempo de conexión menor de 10 s. • Capacidad tarjeta micro-SD: 2 GB. • Capacidad memoria RAM Waspmote: KBytes. C.2. Diagrama de Control. Como ya se ha introducido en el capítulo 4º, el integrado Wi-Fi dispone de dos modos, modo transparente y modo comando, uno para enviar información a través de una conexión configurada y otro para configurar dicha conexión. El siguiente diagrama muestra el proceso de mandar un comando al integrado Wi-Fi una vez estamos en modo comando. Figura C.1: Diagrama control enviar un comando al módulo Wi-Fi.! A continuación se describe el control del módulo Wi-Fi en el caso de descargar un archivo de un servidor FTP a la tarjeta SD. Limpiar Buffer Esperar a que esté disponible Escribir comando línea serie Esperar contestación con un timeout entre los dos últimos bytes recibidos Inspeccionar respuesta Fin Pricipio Buffer disponible Buffer No disponible OK ERROR -68- Estos son los pasos a seguir con la API realizada: • Inicializar el módulo: WIFI.begin • Seleccionar protocolos a utilizar: WIFI.setConnectionOptions • Configurar conexión FTP: WIFI.setFTP, WIFI.openFTP • Conectar a un Punto de Acceso: WIFI.join • Descargar fichero: WIFI.getFile A continuación se muestra un diagrama con las funciones a bajo nivel de dicho proceso: Figura C.2: Diagrama descargar fichero mediante protocolo FTP.! INICIALIZAR MÓDULO Seleccionar pines Alimentar módulo Entrar modo comando SELECCIONAR PROTOCOLOS Realizar operación OR entre protocolos de transporte Seleccionar protocolos transporte Seleccionar protocolo DHCP, AutoIP... CONFIGURAR CONEXIÓN FTP Seleccionar Dirección IP Seleccionar puertos Seleccionar FTP pasivo o activo Especificar Usuario y contraseña CONECTAR PUNTO DE ACCESO Seleccionar modo manual Especificar nombre PA Enlazar PA Reiniciar módulo Entrar en modo comando DESCARGAR FICHERO Seleccionar carpeta en servidor Seleccionar nombre de fichero Abrir conexión FTP Almacenar fichero en buffer Cambiar control pines a tarjeta SD Guardar buffer en fichero Seleccionar carpeta en servidor Cambiar control a módulo Wi-Fi Cerrar conexión FTP -69- C.3. Código de ejemplo. En este apartado se presentan programas de ejemplo que cubren casi todas las funcionalidades del módulo Wi-Fi de una forma general. Ejemplos Básicos /* * ------Waspmote WIFI Status Commands Example-------- * * Explanation: This example shows how to get the status * of the different WIFI module features. * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * * Implementation: Joaquin Ruiz */ void setup(){ // Initialize the WIFI API and the connections with Waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); } void loop(){ // Displays connection status. WIFI.getConnectionInfo(); // Displays Access Point status. WIFI.getAPstatus(); // Displays singal strenght information. WIFI.getRSSI(); // Displays the statistics of the sent and received packets. WIFI.getStats(); // Diplays the seconds since last powerup or reboot. WIFI.getUpTime(); // Diplays adhoc settings. WIFI.getAdhocSettings(); // Displays broadcast settings. WIFI.getBroadcastSettings(); // Displays communications settings. WIFI.getComSettings(); // Displays DNS settings. WIFI.getDNSsettings(); // Displays FTP settings. WIFI.getFTPsettings(); // Displays IP settings. WIFI.getIP(); // Displays the MAC address. WIFI.getMAC(); -70- // Displays option settings. WIFI.getOptionSettings(); // Displays system settings. WIFI.getSystemSettings(); // Displays time server information. WIFI.getTime(); // Displays Access Point settings. WIFI.getWLANsettings(); // Displays UART settings. WIFI.getUARTsettings(); // Displays the version. WIFI.getVersion(); // Switches off the WIFI module. WIFI.OFF(); } /* * ------Waspmote WIFI wake sleep test-------- * * Explanation: This example shows how to configure the Wifi module * to sleep and to wake up periodically. * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * * Implementation: Joaquin Ruiz */ void setup(){ // First, initialize the WIFI API and the connections with the waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(HTTP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(DHCP_ON); } void loop(){ // Configure something default to do when waking up. WIFI.setESSID("libelium_AP"); WIFI.sendAutoBroadcast("192.168.1.150", 2500,0x7,"WAKED!"); // Configures the Wifi module to sleep 90 seconds and then wake up for 30 seconds WIFI.setSleep(90,30); while(1){} } -71- Conectar Punto de Acceso /* * ------Waspmote WIFI Connect AP modes Example-------- * * Explanation: This example shows the different ways to join to an * AP (MANUAL, AUTO_STORE, AUTO_BEST, CREATE_ADHOC). * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * * Implementation: Joaquin Ruiz */ void setup(){ // First, initialize the WIFI API and the connections with the waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(CLIENT_SERVER|CLIENT|UDP|HTTP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(DHCP_ON); } void loop(){ // *** MANUAL-MODE *** // 3. Configure how to connect the AP. WIFI.setJoinMode(MANUAL); // 3.1 If it is manual, call join giving the name of the AP. if (WIFI.join("libelium_AP")) // 4. Call the function that needs a connection. WIFI.resolve("www.libelium.com"); // *** AUTO-BEST *** // 3.0 Configure the Authentication mode of the auto-join. WIFI.setAutojoinAuth(OPEN); // 3. Configure how to connect the AP. if (WIFI.setJoinMode(AUTO_BEST)) // 4. Call the function that needs a connection. WIFI.resolve("www.libelium.com"); // *** AUTO-STORE *** // 3.0 Configure the number of channel where we want to join WIFI.setChannel(6); // 3.1 Configure the authentication mode of the auto-join. WIFI.setAutojoinAuth(OPEN); // 3.2 Sets the name of the AP we want to join. WIFI.setESSID("libelium_AP"); // 3. Configure how to connect the AP. if (WIFI.setJoinMode(AUTO_STOR)) // 4. Call the function that needs a connection. WIFI.resolve("www.libelium.com"); // *** CREATE ADHOC *** // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(AUTO_IP); // 3.0 Configure the number of channel where we want to create the ADHOC network. WIFI.setChannel(6); -72- // 3.1 Configure the authentication mode of the auto-join. WIFI.setAutojoinAuth(ADHOC); // 3.2 Sets the name of the ADHOC network we want to join. WIFI.setESSID("libelium_ADHOC"); // 3. Configure how to connect the AP. if (WIFI.setJoinMode(CREATE_ADHOC)) // 4. Whatever we want to do while(1){} } /* * ------Waspmote WIFI Connect encrypted AP Example-------- * * Explanation: This example shows how to join to an encrypted AP with * different types of encryption (WEP, WPA1, WPAMIX, WPA2). * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * * Implementation: Joaquin Ruiz */ void setup(){ // Initialize the WIFI API and the connections with Waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(CLIENT_SERVER|CLIENT|UDP|HTTP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(DHCP_ON); } void loop(){ // *** Wired Equivalent Privacy (WEP) *** // 3.1 Sets WEP encryptation // 13 Characters WIFI.setAuthKey(WEP, "1234567890123"); // 3. Call join the AP if (WIFI.join("libelium_AP")) { // Resolve DNS address WIFI.resolve("www.libelium.com"); } // Leaves AP WIFI.leave(); // *** Wifi Protected Access (WPA) *** // 3.1 Sets WPA1 encryptation // 1-64 Characters WIFI.setAuthKey(WPA1, "password"); // 3. Call join the AP if (WIFI.join("libelium_AP")) { // Resolve DNS address WIFI.resolve("www.libelium.com"); } // Leaves AP WIFI.leave(); // *** Wifi Protected Access Mix (WPA MIX) *** // 3.1 Sets Mixed WPA1 & WPA2-PSK encryptation // 1-64 Character WIFI.setAuthKey(WPAMIX, "password"); // 3. Call join the AP -73- if (WIFI.join("libelium_AP")) { // Resolve DNS address WIFI.resolve("www.libelium.com"); } // Leaves AP WIFI.leave(); // *** Wifi Protected Access 2 (WPA 2) *** // 3.1 Sets WPA2-PSK encryptation // 1-64 Character WIFI.setAuthKey(WPA2, "password"); // 3. Call join the AP if (WIFI.join("libelium_AP")) { // Resolve DNS address WIFI.resolve("www.libelium.com"); } // Leaves AP WIFI.leave(); } -74- Modo Ad-hoc /* * ------Waspmote WIFI AdHoc communication Example-------- * * Explanation: This example shows the different ways to * connect with another device in Adhoc mode. * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * * Implementation: Joaquin Ruiz */ void setup(){ // First, initialize the WIFI API and the connections with the waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(UDP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(AUTO_IP); // 3. Configure how to connect the AP. WIFI.setAutojoinAuth(ADHOC); // 3.1 Sets the name of the ADhoc network. WIFI.setESSID("libelium_ADHOC"); // 3.2 Sets the channel of the ADhoc network WIFI.setChannel(6); } void loop(){ // 3. call function to create/join the Adhoc network. if(WIFI.setJoinMode(CREATE_ADHOC)){ while(1){ // Send messages to another device in same adhoc. WIFI.send("Hi, I'm Waspmote nº x"); // Receive messages from the other in same adhoc. WIFI.read(NOBLO); } } } -75- Conexiones TCP, UDP /* * ------Waspmote WIFI UDP Server Example-------- * * Explanation: This example shows how to create an UDP Server * connection. * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * * Implementation: Joaquin Ruiz */ void setup(){ // First, initialize the WIFI API and the connections with the waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI modules. WIFI.ON(socket1); // If we don't know what configuration had the modules, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(UDP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(DHCP_ON); } void loop(){ // 3. Configure how to connect the AP. WIFI.setJoinMode(MANUAL); // 3.1 If it is manual, call join giving the name of the AP. if (WIFI.join("libelium_AP")) { // 4. Call the function to create UDP connection in port 2500. if (WIFI.setUDPserver(2500)) { // 2. Now we can use read functions to receive UDP messages. while(1){ WIFI.read(NOBLO); // If the datagram received begins with ‘0’ ends the connection if (WIFI.answer[0]==’0’) break; } } // 3.Exits from UDP sending data mode. Wifi.close(); } -82- /* * ------Waspmote WIFI Android smartphone application Example-------- * * Explanation: This example shows the way to communicate with * the Waspmote Wifi Demo Android app. * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * * Implementation: Joaquin Ruiz */ // Specifies the message that is sent to the WiFi module. char tosend[128]; void setup(){ // Initialize the accelerometer ACC.begin(); ACC.setMode(ACC_ON); // First, initialize the WIFI API and the connections with the waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(UDP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(DHCP_ON); } void loop(){ // 3. Configure how to connect the AP. WIFI.setJoinMode(MANUAL); while(1){ // 3.1 Call join giving the name of the AP. while(!WIFI.join("ANDROID")){} // Switches on green led to show us it's connected. Utils.setLED(LED0, LED_ON); // 4. Creates UDP connection. if (WIFI.setUDPclient("255.255.255.255",12345,2000)) { // 5. Now we can use send and read functions to send and // receive UDP messages. while(1){ // 6. Send data to the IOS smartphone sprintf(tosend,"Wasp-1;19;20;21;22;23;24;%d;%d;%d;", ACC.getX(),ACC.getY(),ACC.getZ()); WIFI.send(tosend); // Reads data to the IOS smartphone WIFI.read(NOBLO); // Waspmote acts depending on the answer. uint8_t period = (WIFI.answer[6] - 48) * 10 + (WIFI.answer[7] - 48); if (periodo<11){ // Switches on a lamp with intensity= period % } } } } } ! ! -83- Anexo!D! Pruebas!Realizadas!!!!!! En este anexo se describe todo lo relacionado con las pruebas realizadas que se realizan para comprobar el correcto funcionamiento del módulo Wi-Fi. También se describe el código usado para las pruebas. D.1. Puntos de Acceso Las pruebas relacionadas con los puntos de acceso se realizan sobre tres modelos diferentes de router, y Meshlium. Y también se comprueban los 3 tipos de encriptación que el módulo Wi-Fi soporta. Los tipos de router son: Figura D.1: Linksys WRT54xx Figura D.2: Cisco Wrv210 Figura D.3: Zixel 660H Figura D.4: Meshlium Extreme En cuanto a las encriptaciones, el módulo WIFI soporta encriptación WEP, WPA y WPA2. En el caso de la encriptación WEP, funciona con una clave de 128 bits, es decir, lo que se introduce en la función correspondiente como 13 caracteres ASCII, y el integrado WIFi recibirá la clave en formato hexadecimal. Y en el caso de WPA y WPA2, la encriptación se considera frase en vez de clave, y tiene longitud de 1 a 64 bytes. Puede ser alfanumérica. En el caso de 64 caracteres, se asume que es la representación hexadecimal de la frase PSK de 32 caracteres. -84- Finalmente, el código utilizado en la prueba es el siguiente: /* * ------Waspmote WIFI Test AP routers Example-------- * * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * * Implementation: Joaquin Ruiz */ void setup(){ // First, initialize the WIFI API and the connections with the waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(CLIENT_SERVER|CLIENT|UDP|HTTP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(DHCP_ON); } void loop(){ // *** MANUAL-MODE *** // 3. Configure how to connect the AP. WIFI.setJoinMode(MANUAL); // 3.1 If it is manual, call join giving the name of the AP. if (WIFI.join("libelium_AP")) // 4. Call the function that needs a connection. WIFI.resolve("www.libelium.com"); // *** AUTO-BEST *** // 3.0 Configure the Authentication mode of the auto-join. WIFI.setAutojoinAuth(OPEN); // 3. Configure how to connect the AP. if (WIFI.setJoinMode(AUTO_BEST)) // 4. Call the function that needs a connection. WIFI.resolve("www.libelium.com"); // *** AUTO-STORE *** // 3.0 Configure the number of channel where we want to join WIFI.setChannel(6); // 3.1 Configure the authentication mode of the auto-join. WIFI.setAutojoinAuth(OPEN); // 3.2 Sets the name of the AP we want to join. WIFI.setESSID("libelium_AP"); // 3. Configure how to connect the AP. if (WIFI.setJoinMode(AUTO_STOR)) // 4. Call the function that needs a connection. WIFI.resolve("www.libelium.com"); } En este caso, Waspmote se conecta a un punto de acceso y hace una petición DNS mediante los 3 modos que se han incluido en la API (Manual, Automático y Automático con caché). Mediante el comando millis() se puede sacar el tiempo del procesador y calcular la diferencia para sacar el tiempo final. Se hacen diez pruebas para cada tipo de router y encriptación y se saca la media. -85- D.2. Conexión con Internet Como se introduce en la memoria, la prueba de conexión con Internet se realiza de diferentes maneras para cada tipo de protocolo. Mediante el programa Java desarrollado para TCP, UDP y UDP Broadcast. Un archivo PHP subido a la web de la compañía para HTTP, y finalmente, un servidor FTP para el protocolo del mismo nombre. TCP, UDP, UDP Broadcast. La comprobación de estos protocolos se realiza mediante el programa Java desarrollado. Se indica al módulo WIFi la dirección IP del PC donde está el programa corriendo y el puerto configurado, entonces el módulo WIFi se conecta al punto de acceso y abre la conexión en el caso de TCP, manda un datagrama en el caso de UDP, o configura Broadcast-UDP. A continuación se muestran los resultados del Test: El radio WIFI abre conexión TCP con el puerto 3550 del PC y manda “Hi From Waspmote through WIFI!”. El mensaje *HELLO* es un mensaje por defecto que manda el radio WIFi cuando establece conexión TCP. Figura D.5: Resultados del test PC con protocolo TCP El radio WIFI envía un datagrama UDP al puerto 2500 del PC con el contenido “UDP hola desde el módulo WIFI!!” -86- Figura D.6: Resultados del test PC con protocolo UDP El radio WIFI envía datagramas UDP al puerto 55555 del PC con el contenido por defecto del Broadcast-UDP (110 Bytes de datos) y el programa presenta de forma ordenada dichos datos. Figura D.7: Resultados del test PC con protocolo UDP-Broadcast HTTP Para comprobar el funcionamiento del protocolo HTTP, se desarrolla un archivo PHP sencillo, que se aloja en el servidor de www.libelium.com y desde el módulo WIFi se hace una petición GET por protocolo HTTP seleccionando la IP del servidor, y otra petición igual por protocolo HTTP y protocolo DNS seleccionando el nombre del servidor. A continuación se muestra el resultado de llamar desde Waspmote a: getURL(DNS,www.libelium.com,”GET$/radioWIFItest.php?name=Joaquin”); Figura D.8: Resultados del test HTTP -87- FTP Finalmente, para comprobar el funcionamiento del protocolo FTP, se suben unos archivos sencillos de texto al servidor FTP y sabiendo el nombre de usuario, la contraseña y las carpetas en los que está alojado se configura el módulo WIFi y la tarjeta SD. A continuación se muestra parte del código utilizado para esta prueba. // Establece la dirección FTP, puerto, etc. WIFI.setFTP("62.75.203.94",21,FTP_PASIVE,20); // Prepara el servidor escribiendo el nombre de usuario y contraseña WIFI.openFTP("wifimodu","cro3N2C20h"); // Configura como conectarse a la red WIFI.setJoinMode(MANUAL); // Al ser manual, llama explícitamente a conectar a la red. if(WIFI.join("TEST_WIFI")){ // Sube archivo WIFI.uploadFile("FileText.txt","Folder","public_ftp/Folder")!=1){} // Descarga archivo WIFI.getFile("documento","/","public_ftp")!=1){} } Y se comprueba que efectivamente, “Filetext.txt” está en la carpeta public_ftp/Folder del servidor y “documento” está en la tarjeta SD. Figura D.9: Resultados del test FTP (servidor) Figura D.10: Resultados del test FTP (tarjeta SD) -88- D.3. Conexión entre módulos Wi-Fi El código utilizado para esta prueba es el siguiente: // Configura la IP en modo WIFI Ad-hoc WIFI.setDHCPoptions(AUTO_IP); // Configura seguridad básica Ad-hoc WIFI.setAutojoinAuth(ADHOC); // Indica el nombre y canal de la red Ad-hoc WIFI.setESSID("ADHOC_JOKI"); WIFI.setChannel(6); // Llama a crear/unirse a la red Ad-hoc if(WIFI.setJoinMode(CREATE_ADHOC)){ // Manda o recibe mensajes de la red Ad-hoc while(1){ WIFI.send("¡Hola mundo!"); WIFI.read(); } } En este caso, se han hecho 10 pruebas a distintas distancias (dentro de un rango 5 a 20 m), y se saca la conclusión de que el tiempo de conexión a la red Ad-hoc por parte de un módulo WIFi con Auto-IP es de unos 10 segundos. D.4. Conexión con otro dispositivo Wi-Fi Aquí se introducen las primeras aplicaciones para Smartphone que se desarrollaron para comprobar el correcto funcionamiento de la conexión con otro dispositivo Wi- Fi. Antes de la aplicación final, se desarrollaron: • Aplicación GPS para comprobar la correcta comunicación entre Waspmote y dispositivos iPhone y Android. • Aplicación Actuador para comprobar la correcta comunicación entre iPhone y Waspmote. Finalmente se desarrolló la aplicación que figura en la web de Libelium, que comprende ambos aspectos. iPhone (iOS) A continuación se muestra una captura del iPhone conectado a la red WIFi Ad-hoc creada por un radio WIFi del Waspmote. Esta primera aplicación muestra el nombre de los dispositivos conectados y el mensaje que manda cada uno, en este caso la batería y posición GPS. -89- Figura D.11: Resultados del primer test iPhone En este primer caso el iPhone/iPad actúa como cliente pasivo que solo recibe información, y no manda ni envía nada a la red WIFi Ad-hoc. Por ello, se desarrolla una segunda aplicación para iPhone/iPad que controla un dispositivo Waspmote mandándole mensajes a través de datagramas UDP una vez conectado a la red WIFi Ad-hoc que crea el radio WIFi del Waspmote. El funcionamiento es el siguiente: se configura Broadcast-UDP en el radio WIFi, y así cuando se quiera comunicar algo a un dispositivo de la red sensorial, la aplicación iPhone se pone en modo recibir paquete UDP y cuando le llega el datagrama coge la dirección origen envía un datagrama a dicho dispositivo con el mensaje indicado. A continuación se muestra una captura de la aplicación, dispone de dos switches para encender y apagar 2 leds del Waspmote, y un botón para activar un zumbador que se ha conectado a un interruptor digital del Waspmote. Figura D.12: Resultados del segundo test iPhone -90- Android A continuación se muestra una captura del Android conectado al Waspmote a través de la red creada por el móvil. En este caso se muestra el nombre de los dispositivos conectados a la red del móvil Android y el mensaje que manda cada uno, en este caso la batería y posición GPS. Figura D.13: Resultados del test Android -91- D.5. Alcance El alcance del dispositivo WIFi depende principalmente de la antena conectada al conector SMA. Cualquier antena con conector SMA puede ser acoplada al módulo WIFi, por ello se ha acotado la comparativa a dos tipos de antenas, 2 dBi y 5 dBi. Para la realización de esta prueba se buscó una localización idónea, optimizando la zona Fresnel entre los Waspmote haciendo dichas pruebas en calles y carreteras rectas. Para ello se utilizó google maps como herramienta que calcula distancias entre varios puntos. Para la localización se eligió la calle del Poeta Luciano Gracia, es una recta que va desde el puente de la autopista hasta la rotonda de Juslibol, cerca de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura. Figura D.14: Localización elegida para la prueba de alcance del módulo WIFi Los rangos de distancia difieren desde una transmisión perfecta, 100% mensajes recibidos, hasta donde es visible el punto de acceso creado por un dispositivo para comunicación Ad-hoc. A continuación se muestran los resultados obtenidos en los diferentes casos: - Modo Infraestructura En este caso, se conecta el módulo WIFi al punto de acceso creado por el Meshlium y hace un ping a un servidor de internet. Dispositivos Distancia Antena 2 dBi con Meshlium 23 mts. Antena 5 dBi con Meshlium ~120 mts. Tabla D.1: Tabla distancia modo Infraestructura -98- Una vez conectado, se verá un icono azul en la parte superior de la pantalla. Figura E.9: Icono Wi-Fi azul en iPhone. Dentro de la app, la primera pestaña “Network” (Red) muestra la información de la conexión. - Nombre de la red Ad-hoc. - Dirección MAC del nodo que actúa como puerta de enlace. - Estado de la conexión. Figura E.10: Pantalla red de la aplicación iPhone. La pantalla “Monitoring” (Monitorización) muestra la información que los nodos están mandando de los sensores que contienen. En este caso se muestra: temperatura, humedad, oxígeno, dióxido de carbono, sensor de presencia, y un modelo en 3 dimensiones de Waspmote que se mueve con la información que proporciona el acelerómetro de Waspmote. -99- Figura E.11: Pantalla monitorización de la aplicación iPhone. Finalmente, en la pantalla “Actuator” (Actuador), hay tres interruptores que mandan mensajes con ON u OFF, y una barra desplazadora que manda un mensaje con el valor exacto. En la página web de Libelium hay un vídeo que muestra cómo la aplicación trabaja con un set de luces. Figura E.12: Pantalla actuador de la aplicación iPhone. A continuación se muestra el código del dispositivo Waspmote que se ha utilizado en este ejemplo: -100- /* * ------Waspmote WIFI IOS smartphone application Example-------- * * Explanation: This example shows the way to communicate with * the Waspmote Wifi Demo iPhone app. * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * Implementation: Joaquin Ruiz */ // Specifies the message that is sent to the WiFi module. char tosend[128]; void setup(){ // Initialize the accelerometer ACC.begin(); ACC.setMode(ACC_ON); // Initialize the WIFI API and the connections with Waspmote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(CLIENT_SERVER|UDP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(AUTO_IP); // 3. Configure how to connect the AP. WIFI.setAutojoinAuth(ADHOC); // 3.1 Sets the name of the ADhoc network. WIFI.setESSID("iPHONE_ADHOC"); // 3.2 Sets the channel of the ADhoc network WIFI.setChannel(6); } void loop(){ // 3.3 Call function to create/join the Adhoc network. if(WIFI.setJoinMode(CREATE_ADHOC)){ // Switches on green led. Utils.setLED(LED0, LED_ON); // 4. Creates UDP connection. if (WIFI.setUDPclient("255.255.255.255",12345,2000)){ // 5. Now we can use send and read functions to send and // receive UDP messages. while(1){ // Sends data to the IOS smartphone sprintf(tosend,"Wasp-1;19;24;70;20;383;0;%d;%d;%d", ACC.getX(),ACC.getY(),ACC.getZ()); WIFI.send(tosend); // Reads data to the IOS smartphone -101- WIFI.read(NOBLO); // Waspmote acts depending on the answer. uint8_t period = (WIFI.answer[6] - 48) * 10 + (WIFI.answer[7] - 48); if (period<11){ // Switches on a lamp with intensity= period % (...) } delay(100); } } } } Estructura mensaje comunicación iPhone -> Waspmote: 0/1 (Interruptor 1) ; 0/1 (Interruptor 2) ; 0/1 (Interruptor 3) ; %% (barra despl) Estructura mensaje comunicación Waspmote -> iPhone: Nombre ; Temperatura ; Humedad ; Luminosidad ; Oxígeno ; Dióxido de carbono ; Sensor de presencia ; Acelerómetro (x) ; Acelerómetro (y) ; Acelerómetro (z) -102- E.3. Aplicación Android ! Se han desarrollado aplicaciones Android para conectar el dispositivo móvil con Waspmote sin necesidad de un router intermedio, creando una red Ad-hoc entre ellos. En este apartado se explica la última aplicación desarrollada, que es la más completa. ! ! Figura E.13: Pantalla aplicación Android. La aplicación está estructurada de la siguiente manera: • Un controlador (WiFiActivity) controla la barra superior con la que se puede desplazar por las 3 pantallas desarrolladas. También lanza un hilo (Threat UDP) que se comunica mediante mensajes UDP con el módulo Wi-Fi. • La primera pantalla (NetworkActivity) muestra los datos de la conexión. • La segunda pantalla (MonitorActivity) muestra los datos recibidos a través de la conexión UDP. También lanza un programa Open-GL. • La tercera pantalla (ControlActivity) especifica los mensajes que se lanzan a través de la conexión UDP. -103- La instalación de la aplicación es muy sencilla. Se puede descargar la aplicación desde Android Market directamente al dispositivo Android. Una vez instalada, la app aparece en la pantalla de su Android. Figura E.14: Icono aplicación Android. A continuación se va a mostrar un pequeño tutorial de uso de la aplicación. Primero se tienen hay que conectar el dispositivo Android a uno de los nodos Waspmote. Para ello, se selecciona Ajustes->Wi-Fi->Mi Zona Wi-Fi y crear un punto de acceso al que se conectará el dispositivo Waspmote. Figura E.15: Creación de la red Ad-hoc desde Android. A continuación hay que configurar el punto de acceso WLAN (nombre Android, seguridad: Abierta). Estos ajustes se pueden cambiar si se cambia también el código de Waspmote. -104- Figura E.16: Configuración de la red Ad-hoc desde Android. Dentro de la app, la primera pestaña “Network” (Red) muestra la información de la conexión. - Nombre de la red Ad-hoc. - Dirección MAC del nodo que actúa como puerta de enlace. - Estado de la conexión. Figura E.17: Pantalla red de la aplicación Android. La pantalla “Monitoring” (Monitorización) muestra la información que los nodos están mandando de los sensores que contienen. En este caso se muestra: temperatura, humedad, oxígeno, dióxido de carbono, sensor de presencia, y un modelo en 3 dimensiones de Waspmote que se mueve con la información que proporciona el acelerómetro de Waspmote. -105- Figura E.18: Pantalla monitorización de la aplicación Android. Finalmente, en la pantalla “Actuator” (Actuador), hay tres interruptores que mandan mensajes con ON u OFF, y una barra desplazadora que manda un mensaje con el valor exacto. En la página web de Libelium hay un vídeo que muestra cómo la aplicación trabaja con un set de luces. Figura E.19: Pantalla actuador de la aplicación Android. A continuación se muestra el código del dispositivo Waspmote que se ha utilizado en este ejemplo: -106- /* * ------Waspmote WIFI Android smartphone application Example-------- * * Explanation: This example shows the way to communicate with * the Waspmote Wifi Demo Android app. * * Copyright (C) 2012 Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L. * http://www.libelium.com * Implementation: Joaquin Ruiz */ // Specifies the message that is sent to the WiFi module. char tosend[128]; void setup(){ // Initialize the accelerometer ACC.begin(); ACC.setMode(ACC_ON); // First, initialize the WIFI API and the connections with the waspm ote WIFI.begin(); // Then switch on the WIFI module on the desired socket. WIFI.ON(socket0); // If we don't know what configuration had the module, reset it. WIFI.resetValues(); // 1. Configure the transport protocol (UDP, TCP, FTP, HTTP...) WIFI.setConnectionOptions(UDP); // 2. Configure the way the modules will resolve the IP address. WIFI.setDHCPoptions(DHCP_ON); } void loop(){ // 3. Configure how to connect the AP. WIFI.setJoinMode(MANUAL); while(1){ // 3.1 Call join giving the name of the AP. while(!WIFI.join("ANDROID")){} // Switches on green led to show us it's connected. Utils.setLED(LED0, LED_ON); // 4. Creates UDP connection. if (WIFI.setUDPclient("255.255.255.255",12345,2000)) { // 5. Now we can use send and read functions to send and // receive UDP messages. while(1){ // 6. Send data to the IOS smartphone sprintf(tosend,"Wasp-1;19;20;21;22;23;24;%d;%d;%d;", ACC.getX(),ACC.getY(),ACC.getZ()); WIFI.send(tosend); // Reads data to the IOS smartphone WIFI.read(NOBLO); // Waspmote acts depending on the answer. uint8_t period = (WIFI.answer[6] - 48) * 10 + (WIFI.answer[7] - 48); if (periodo<11){ // Switches on a lamp with intensity= period % } } } -107- } } Estructura mensaje comunicación Android -> Waspmote: 0/1 (Interruptor 1) ; 0/1 (Interruptor 2) ; 0/1 (Interruptor 3) ; %% (barra despl) Estructura mensaje comunicación Waspmote -> Android: Nombre ; Temperatura ; Humedad ; Luminosidad ; Oxígeno ; Dióxido de carbono ; Sensor de presencia ; Acelerómetro (x) ; Acelerómetro (y) ; Acelerómetro (z) ! ! -114- Figura F.2: Distribución horas empleadas por tarea. ! Formación! 11%! Reunión! 2%! Análisis!y!Diseño! 14%! Implementación! 42%! Pruebas! 12%! Corrección!de! errores! 6%! Documentación! 13%! Horas!empleadas!por!tarea!