ESP32 Pico-Board. und Node-RED ESP32 Addon. ESP32 und Node-RED. Vers. 1.0

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1 ESP32 Pico-Board und Node-RED ESP32 Addon ESP32 und Node-RED Vers. 1.0 by Erik Bartmann, Juli 2018

2 ESP32 und Node-RED D as Internet der Dinge, im Englischen IOT - Internet-Of- Things - genannt, ist seit kurzem in aller Munde und steht für die Verknüpfung von Objekten (Things) in der realen Welt mit denen in der virtuellen Welt (Internet). Es soll alles mit allem in Form einer umfassenden Vernetzung strukturiert sein, so dass eine Kommunikation für den Austausch von Daten jeglicher Art stattfindet. Ich möchte in diesem Addon ein System beziehungsweise Werkzeug vorstellen, das von IBM entwickelt wurde sich Node-RED nennt. Mithilfe einer grafischen Oberfläche ist es in kürzester Zeit möglich, über sogenannte Flows Verbindungen zu verschiedenen Geräten oder Instanzen herzustellen, um darüber einen Informationsfluss beziehungsweise Informationsaustausch zu realisieren. Es werden - ähnlich wie z.b. bei der Programmiersprache Scratch - vordefinierte Blöcke mit hinterlegten Funktionen zur Verfügung gestellt, die aus einem Vorrat sehr einfach miteinander kombiniert werden können. Diese Blöcke - auch Nodes genannt - erfüllen bestimmte Aufgaben und bilden im Verbund die schon erwähnten Flows. ESP32 und Node-RED Seite 2

3 Node-RED A uf der folgenden Abbildung sehen wir einen kurzen Flow, der eine TCP- Verbindung zu einem Device mit der IP-Adresse über den Port 8088 etabliert. Abbildung 1 Ein Node-RED-Flow Diese TCP-Node auf der rechten Seite wird gespeist mit Informationen, die auf der linken Seite über die Inject-Node geliefert wird. Wie man hier erkennen kann, handelt es sich um eine visuelle Programmierung über vorhandene Blöcke, die aus einem Vorrat entnommen werden. Bei der Entwicklung von Node-RED war das primäre Ziel eine einfache Zusammenführung von Hard- bzw. Software und darüber eine Programmierschnittstelle zur Verfügung zu stellen, damit auf sehr kurzem Wege eine Kommunikation zwischen Webdiensten und Hardwarekomponenten verwirklicht wird. Die große Auswahl von fertigen Nodes bietet eine sehr gute Voraussetzung zur Erstellung übergreifender Anwendungen, die von der Ansteuerung von Hardware-Pins bis zu High-Level-APIs reicht, wie sie z.b. bei facebook oder Twitter zum Einsatz kommen. Die außerordentlich gute Handhabung bzw. Übersichtlichkeit und eine sehr gute Erweiterbarkeit sorgen dafür, dass eine breite Zielgruppe angesprochen wird, die vom Anfänger bis zum Spezialisten reicht. Node-RED [2] ist Open-Source und basiert auf Node.js, was eine serverseitige Plattform zur Softwareentwicklung von Netzwerkanwendungen ist. Die Bezeichnung Node-RED klingt ein wenig wie Code-RED, was dem Projekt sicherlich einen spannenden und aufregenden Anstrich gibt, denn wenn sich etwas in höchstem Alarmzustand befindet, wird die Aufmerksamkeit gesteigert und volle Konzentration gefordert. Ich verwende in diesem Addon zur Bereitstellung von Node-RED einen Raspberry Pi, der ein kleiner und leistungsstarker Einplatinencomputer ist. Er ist sehr günstig und kann für sehr viele Hard- bzw. Software Projekte im IOT-Umfeld zum Einsatz kommen. Das aktuelle Modell ist der Raspberry Pi 3 bzw. 3+ der einen 1,2GHz Quard-Core Prozessor besitzt. Es sind 1 GByte RAM vorhanden und er verfügt von Hause aus sowohl über ein Wifi-, als auch ein Bluetooth-Modul. Natürlich ist das Ganze auch mit einem Raspberry Pi 2, der jedoch standardmäßig nicht über Wifi und Bluetooth verfügt, zu realisieren. 3 ESP32 und Node-RED

4 Auf der folgenden Abbildung sehen wir den Raspberry Pi 3 mit seinen diversen Anschlüssen. Abbildung 2 Der Raspberry Pi 3 Wenn man sich einen schnellen und einfachen Überblick über Node-RED verschaffen möchte, weil gerade kein Raspberry Pi zur Hand ist, dann ist das kein Problem. Auf der Internetseite von FRED [3], was für Frontend für Node-RED steht, findet man einen leichten Einstieg. Nach der Registrierung für die freie Version, steht Node-RED nach kurzer Zeit zur Verfügung. Es besteht jedoch eine Einschränkung hinsichtlich der Anzahl der zu erstellenden Nodes, was aber zu Beginn kein Problem darstellen sollte. Wer sich im Detail mit Node-RED auseinandersetzen möchte, dem lege ich mein Node-RED-Buch [4] ans Herz, das im Elektor-Verlag erschienen ist. Wir steigen ein Genug der Vorrede, denn wir wollen konkret werden. In diesem Addon wollen wir zunächst Node-RED auf dem Raspberry Pi installieren. Das erfolgt über ein Terminal- Fenster mit der Eingabe der folgenden Zeile. # sudo apt-get install nodered Nach der erfolgten Installation kann Node-RED über den folgenden Befehl gestartet werden. # node-red-start 4 ESP32 und Node-RED

5 Im Terminal-Fenster laufen jetzt einige Nachrichten durch, die für uns durchaus wichtig sind, denn wir benötigen die IP-Adresse, über die Node-RED über das Netzwerk zu erreichen ist. Auf der folgenden Abbildung ist ein kleiner, aber wichtiger Ausschnitt zu erkennen. Abbildung 3 Wichtige Informationen beim Start von Node-RED Ich habe die vergebene IP-Adresse in rot markiert. Genau diese Zeile muss für die Verbindung eines Web-Browsers als URL eingegeben werden. Als Browser werden Firefox bzw. Chrome favorisiert, obwohl ich auch mit Opera keine Probleme feststellen konnte. Nach der Eingabe der gezeigten URL - die bei jedem hinsichtlich der vergebenen IP-Adresse natürlich anders ausschauen kann - meldet sich Node-RED. Abbildung 4 Node-RED im Browser 5 ESP32 und Node-RED

6 Da es sich um eine Client-Server-Anwendung handelt, kann der Node-RED-Server, der sich auf dem Raspberry Pi befindet, natürlich im gesamten Netzwerk erreicht werden. Ich habe den Zugriff über meinen Web-Browser auf meinem Windows 7 gestartet. Auf der folgenden Abbildung sehen wir die Verbindung der beiden Instanzen. Auf der linken Seite der Raspberry Pi mit dem installierten Node-RED-Server und auf der rechten Seite das ESP32-Picoboard. Beide kommunizieren über eine TCP-Verbindung miteinander. Abbildung 5 Der Raspberry Pi und das ESP32-Picoboard im Austausch miteinander TCP und auch das UDP sind Protokolle, die verwendet werden, um Datenpakete über das Internet an eine IP-Adresse zu senden. Genau das machen wir in unserem Fall. Das TCP (Transmission Control Protocol) sorgt für eine höchstmögliche Zuverlässigkeit, was bedeutet, dass TCP dafür sorgt, dass der Empfänger die übertragenen Pakete in der richtigen Reihenfolge und ebenfalls ohne Fehler erhält. Der Empfänger sendet ACKnowledge an den Absender zurück, um ihm darüber mitzuteilen, dass er die Pakete erhalten hat. Wenn der Absender innerhalb eines Timeout-Zeitraums kein ACKnowledge erhält, sendet er die Pakete erneut an den Empfänger, bis der Empfänger die Pakete erhalten hat, was natürlich nicht endlos erfolgt. 6 ESP32 und Node-RED

7 Der Node-RED-Flow Beginnen wir ganz einfach und nehmen uns zwei Nodes aus dem Vorrat von Node- RED. Da haben wir zum einen die Inject-Node, die z.b. eine Nachricht in den Flow einspeist. Sie befindet sich in der Input-Palette. Abbildung 6 Die Inject-Node Diese Node dient also als unsere Datenquelle, die Informationen liefert. Als Empfänger haben wir die TCP-Node, die die empfangene Nachricht aus dem Flow an ein Gerät mit der angegebenen IP-Adresse versendet. Sie befindet sich in der Output-Palette. Abbildung 7 Die TCP-Node Verbinden wir beide Nodes miteinander, entsteht ein sogenannter Flow, wie er auf der folgenden Abbildung zu sehen ist. Sehen wir uns die Konfiguration der beiden Nodes etwas genauer an, denn ohne diese, funktioniert die Kommunikation natürlich nicht. 7 ESP32 und Node-RED

8 Die Inject-Node Die Inject-Node kann dazu verwendet werden, Informationen in den Flow einzuspeisen. Wir werden das im einfachsten Fall manuell gestalten. Eine noch nicht gespeicherte Node zeigt diesen Zustand optisch anhand eines kleinen blauen Kreises an der rechten oberen Stelle, wie das auf der folgenden Abbildung zu sehen ist. Durch einen Doppelklick darauf öffnet sich ein Dialogfenster, über das diverse Einstellungen zur Konfiguration eingegeben werden können. Abbildung 8 Die Konfiguration der Inject-Node Über die Payload - also die Nutzlast, die die Nachricht beinhaltet - wird die zu versendende Nachricht definiert, die zuvor als String (Zeichenkette) festgelegt wird. Ein Klick auf die rote Done-Schaltfläche schließt die Konfiguration ab. Kommen wir zur TCP-Node. 8 ESP32 und Node-RED

9 Die TCP-Node Die TCP-Node versendet eine Nachricht an das angegebene Gerät mit der definierten IP-Adresse. Diese IP-Adresse ist die des ESP32-Picoboards, die ich an dieser Stelle vorwegnehme und ich zeige später, wie diese zu ermitteln ist. Die Ausgabe der erforderlichen Informationen ist in der Arduino-Entwicklungsumgebung im Serial- Monitor zu entnehmen. Abbildung 9 Die vergebene IP-Adresse des ESP32 Die IP-Adresse lautet also und muss in die TCP-Node eingegeben werden. Es ist zudem zu beachten, dass der Port 8088 vergeben werden muss. Abbildung 10 Die Konfiguration der TCP-Node 9 ESP32 und Node-RED

10 Der Flow Wurden die beiden Nodes konfiguriert, können sie miteinander verbunden werden. Eine einzelne Node stellt natürlich noch keinen Flow dar. Die einzelnen Nodes verfügen über kleine graue Verbindungsstellen (hier rot umrandet). Klickst man mit der Maus darauf und zieht bei gedrückter Maustaste das erscheinende Fadenkreuz an den Verbindungspunkt der folgenden Node, die dann bei der Annäherung orange aufleuchtet und lässt die Maustaste dort los, entsteht ein Flow, der eine Aufgabe bzw. einen Task erfüllt. Der Flow starten Bevor wir einen Flow nutzen können, müssen wir ihn auf dem Node-RED-Server quasi speichern, und scharf schalten, was über die Deploy-Schaltfläche am rechten oberen Rand erfolgt. Um die vordefinierte Nachricht Hallo, hier spricht Node-RED! einzuspeisen, die wir bei der Konfiguration der Inject-Node vergeben haben, müssen wir auf die linke Stelle der Inject-Node klicken. 10 ESP32 und Node-RED

11 Der Empfänger Kommen wir jetzt zur Empfängerseite, denn das ESP32-Picoboard soll ja die versendete Nachricht empfangen. Sehen wir uns dazu den Quellcode [5] genauer an. Es wird die erforderliche Wifi-Library eingebunden, die maximale Länge an Zeichen für die Nachricht festgelegt und die Authentifizierungsparameter User + Passwort für Wifi definiert, die natürlich hier im Einzelfall ersetzt werden müssen. Letztendlich wird ein Wifi-Server-Objekt definiert. #include <WiFi.h> #define MSG 50 // Maximale Länge der Nachricht const char* ssid = "<SSID>"; const char* password = "<Passwort>"; WiFiServer server(8088); // Server hört auf Port 8088 Innerhalb der setup-funktion kommt es zur Verbindungsaufnahme über das Wifi. void setup() { Serial.begin(9600); Serial.print("Connecting to "); Serial.println(ssid); WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status()!= WL_CONNECTED) { delay(500); Serial.print("."); } Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected to IP address: "); Serial.println(WiFi.localIP()); server.begin(); // Server starten } 11 ESP32 und Node-RED

12 Der Serial-Monitor zeigt für jeden Schritt der Verbindungsaufnahme einen Punkt und kommt es zur Herstellung einer Wifi-Verbindung, wird die vergebene IP-Adresse angezeigt. Abbildung 11 Die Statusmeldungen der Wifi-Verbindung Innerhalb der loop-funktion werden die eingehenden Nachrichten kontinuierlich verarbeitet und zur Anzeige gebracht. Natürlich muss für eine Client-Abfrage bzw. - bearbeitung auf der Seite des ESP32 ein entsprechender Client eingerichtet werden, der nur dann erfolgreich arbeiten kann, wenn ein Server etabliert wurde. void loop() { String msg = ""; // Nachricht // Auf einen neuen Client warten WiFiClient client = server.available(); uint8_t data[msg]; if (client) { Serial.println("New client"); // Prüfen, ob Client verbunden while (client.connected()) { if (client.available()) { int len = client.read(data, MSG); if (len < MSG) data[len] = '\0'; else data[msg] = '\0'; Serial.print("Clients message: "); msg = (char *)data; Serial.println(msg); } } } } 12 ESP32 und Node-RED

13 Solange der Client mit dem Server verbunden ist (client.connected), werden über die while-schleife die Daten empfangen bzw. gelesen (client.available). Das Lesen übernimmt die read-methode mit der angegebenen Länge. Wurde eine Verbindung vom Client zum Server - also von Node-RED und ESP32 - hergestellt, erscheint eine entsprechende Meldung im Serial Monitor der Arduino- Entwicklungsumgebung. Abbildung 12 Ein neuer Client hat sich angemeldet Wenn wir nun auf die Inject-Node geklickt haben, um eine Nachricht in den Flow einzuspeisen, meldet das einerseits Node-RED am oberen Rand 13 ESP32 und Node-RED

14 und andererseits natürlich auch der Serial-Monitor. Abbildung 13 Die Nachricht von Node-RED wurde empfangen Das sollte als kleine Einführung in Node-RED genügen. Ich komme in einem weiteren ESP32-Addon zur einer Messwertaufnahme und Speicherung der Daten. Es wird also wieder spannend! Frohes Frickeln 14 ESP32 und Node-RED

15 Das ESP32-Praxisbuch [1] [2] [3] [4] [5] ESP32 und Node-RED