IoT-Werkstatt Das Internet der Dinge anfassbar machen Algorithmisches Denken

Transkript

1 IoT-Werkstatt Das Internet der Dinge anfassbar machen Algorithmisches Denken Klaus-Uwe Gollmer und Guido Burger

2 Vorbereitung Editor USB Status 1. Octopus Board mit USB-Kabel verbinden 2. Arduino (IoT-Werkstatt) starten 3. Unter Werkzeuge das Board kontrollieren (NodeMCU) und den Port einstellen (i.d.r. der letzte COM-Port) Upload auf Octopus (Maschinecode) Übersetzen (C-Compiler) Serieller Monitor (Terminal am PC)

3 Ardublock 1. Unter Werkzeuge die grafische Oberfläche Ardublock starten Speichern des Ardublock Programms Upload auf den Octopus Initialisierung Endlosschleife Hauptprogramm Werkzeugkasten mit Puzzleteilen

4 Hardware ESP: System ADC I2C I/O A0 2 SPI UART A0 I2C GND

5 Sensoren Sensoren Der Octopus hat verschiedene Sensoren auf der Platine. Der analoge Spannungseingang kann über die Bananensteckerkontakte auf der linken Seite gespeist werden. Der Bosch- Sensor BME280 liefert Umweltmesswerte. Analog Input BME280 Analog Input Eine Spannung von V entspricht einem ADC-Wert von (Integer) Bosch BME Der Sensor liefert physikalische Größen. Temperatur in Grad Celsius, Druck in hpa, Feuchte in %

6 Anzeigen Anzeigen/Aktoren Der Octopus hat eine LED sowie zwei Neopixel (RGB-Leuchtdioden) zur farblichen Visualisierung an Board Linker Neopixel Rechter Neopixel LED Beachte: das menschliche Auge ist träge, und kann schnelle Farbänderungen nicht auflösen. Hier hilft eine Wartezeit mit dem Warte-Befehl.

7 Wiederholungen Kontrollstrukturen Zählschleife (for) Wiederholt einen Block genau index Mal Index als Schleifenzähler Name der Zählvariable Anzahl der Durchläufe Befehlsblock % Matlab for index = 1:5 % Befehlsblock end // C-Programm for (int index = 1;index<=5;index++) { // Befehlsblock } Bedingte Wiederholung (while) Testet eine logische Bedingung und wiederholt den Block solange diese Bedingung erfüllt ist Befehlsblock Logischer Ausdruck % Matlab while Bedingung % Befehlsblock end // C-Programm while (Bedingung) { // Befehlsblock }

8 Fallunterscheidungen Kontrollstrukturen Bedingte Anweisung (if) Testet eine logische Bedingung und führt den Block nur aus, wenn diese erfüllt ist (Ausführung nur ein einziges mal) Befehlsblock Logischer Ausdruck % Matlab if Bedingung % Befehlsblock end // C-Programm if (Bedingung) { // Befehlsblock } Bedingte Anweisung mit Alternative (if/else) Testet eine logische Bedingung Und führt Befehlsblock 1 aus, wenn eine diese erfüllt ist, andernfalls den Block 2 Befehlsblock 1 Logischer Ausdruck Befehlsblock 2 % Matlab if Bedingung % Befehlsblock 1 else % Befehlsblock 2 end // C-Programm if (Bedingung) { // Befehlsblock 1 } else { // Befehlsblock 2 }

9 Warteanweisung Kontrollstrukturen Warte (delay) Stoppt die Programmausführung für eine gewisse Zeitdauer % Matlab pause(sekunden); // C-Programm delay (Millisekunden); Wartezeit in ms

10 Ein- / Ausgabe Ausgabe von Ergebnissen auf dem Bildschirm erfolgt über spezielle print- Befehle. Beim Octopus wird auf PC-Seite ein serieller Monitor (Teminal) genutzt. Ausgabe von Ergebnissen Beim Ardublock gibt es nur Textausgaben, ggf. muss der Datentyp über einen Verbinder gewandelt werden (Typecast). Kommunikation (M2M) % Matlab fprintf('mein auszugebender text'); fprintf('%f',sin(1)); // C Serial.println("Mein auszugebender Text"); Serial.println(sin(1.0)); Eingabe über Tastatur Das Puzzleteil gibt eine Eingabeaufforderung auf dem Terminal aus und erwartet eine Texteingabe an der Tastatur. Diese wird ans Programm zurück-geliefert % Matlab input('aa=','s')

11 Logische Operatoren Log. Operatoren Vergleichsoperationen Vergleicht zwei Zahlen und liefert einen Wahrheitswert zurück (wahr / falsch) % Matlab und C Zahl1 > 10 Zahl1 == Zahl2 Logische Verknüpfung Verknüpft zwei Wahrheitswerte, liefert einen Wahrheitswert zurück % Matlab Bedingung1 && Bedingung2 Bedingung1 Bedingung2 ~Bedingung1 UND ODER NICHT // C-Programm Bedingung1 && Bedingung2 Bedingung1 Bedingung2!Bedingung1 Bedingung1 Bedingung2 UND ODER 0 0 (falsch) (wahr)

12 Mathematische Operatoren Math. Operatoren Führt eine mathematische Operation aus Ergebnis ist wieder eine Zahl. % Matlab und C Zahl1+1 sqrt(9) Komplexe mathematische Ausdrücke Auch geschachtelte Ausdrücke sind möglich. % Matlab und C Zahl1+(5*sqrt(9))

13 Logische Variablen Variablen/Konst. Logische Variablen sind Speicherbehälter für Wahrheitswerte. Die Inhalte können nur zwei Werte annehmen (wahr/falsch bzw. 1/0) Logische Ausdrücke besitzen ein rundes Puzzlestück Deklaration und Initialisierung Vor der ersten Verwendung muss Speicher reserviert und mit einem Wert initialisiert werden % Matlab NameLogischeVariable = 1; // C bool NameLogischeVariable = true; Lesender Zugriff Danach kann auf den Inhalt der Variable lesend zugegriffen werden % Matlab und C NameLogischeVariable

14 Zahlvariablen Für Zahlen gibt es verschiedene Datentypen. Man unterscheidet ganze Zahlen (Integer) und Kommazahlen (float) Zahlen besitzen ein dreieckiges Puzzlestück Deklaration und Initialisierung Vor der ersten Verwendung muss Speicher reserviert und mit einem Wert initialisiert werden Variablen/Konst. % Matlab NameIntegerVariable = 4711; NameFloatVariable = 3.14; // C int NameIntegerVariable = 4711; float NameFloatVariable = 3.14; Lesender Zugriff Danach kann auf den Inhalt der Variable lesend zugegriffen werden % Matlab und C NameZahlVariable = NameZahlVariable+1

15 Textvariablen Texte besitzen ein dreieckiges Puzzlestück Variablen/Konst. Deklaration und Initialisierung Vor der ersten Verwendung muss Speicher reserviert und mit einem Wert initialisiert werden % Matlab NameTextVariable = 'Mein erster Text'; // C string nametextvariable = "Mein erster Text"; Lesender Zugriff Danach kann auf den Inhalt der Variable lesend zugegriffen werden

16 Unterprogramme Kontrollstrukturen Unterprogrammdeklaration Definiert die in einem Unterprogramm zusammengefassten Befehle. Gibt dem Unterprogramm einen eindeutigen Namen % Matlab function UnterprogrammName() % Unterprogrammrumpf Unterprogrammaufruf Führt das Unterprogramm aus, d.h. das Programm verzweigt und arbeitet die im Befehlsblock des Unterprogrammes angegebenen Befehle ab. Anschließend beim nächsten Programmbefehl weiter gemacht // C-Programm void UnterprogrammName(void) { // Unterprogrammrumpf } Befehlsblock (Rumpf) Bezeichner, Name des Unterprogrammes (Beginnt mit Buchstaben, keine Leerzeichen, keine Sonderzeichen, keine Umlaute,+,- ) % Matlab UnterprogrammName(); // C-Programm UnterprogrammName();

17 IoT-Werkstatt Das Internet der Dinge anfassbar machen Internet der Dinge Klaus-Uwe Gollmer und Guido Burger

18 WLAN Der Octopus hat ein eingebaute WLAN-Schnittstelle im 2.4 GHz Bereich. Damit kann sich unser Kit mit jedem Smartphone oder dem Internet verbinden. Wir unterscheiden zwei Betriebsmodi: Accesspoint Der Octopus spannt ein eigenes WLAN auf, bei dem sich andere Teilnehmer als Client anmelden können. (WPA2 verschlüsselt) IoT:Internet Zugang Netzname (SSID) Ist beim Client (Smartphone, PC) in der Netzwerk- Auswahlliste sichtbar Passwort bei der Anmeldung (am Client-PC, Smartphone, anzugeben, > 8 Zeichen Internet-Zugang über bestehendes Netz Der Octopus verbindet sich mit einem bestehenden WLAN-Netz und ermöglicht so ggf. den Internetzugang (WAP2 ver-schlüsselt) Netzname (SSID) Name bestehendes WLAN Passwort bestehendes WLAN

19 GSM-Modem Ein externes serielles Modem ermöglicht den mobilen Betrieb. Voraussetzung: Externes Adafruit-Fona GSM Modem IoT:Internet Zugang Internet-Zugang über Mobilfunk Der Octopus verbindet sich mit einem Mobilfunknetz und ermöglicht so den mobilen Internetzugang Pinbelegung APN (Access Point Name) Netzzugangspunkt Mobilfunkprovider User / Passwort optional Fona GND Vio RX TX Key IoT-Kit (Feather-Wing) GND VCC (3V) GPIO12 GPIO14 GND

20 HTTP-Server Mit einem Baustein können wir unseren eigenen Web-Server aufbauen. Die IP- Adresse wird bei der Initialisierung angezeigt. Diese ist nur intern im jeweiligen WLAN-Netz erreichbar. Im eigenen Netz (WLAN-Baustein Accesspoint) besitzt der Server immer die feste Adresse Ohne Sensoren Deine Nachricht Wird an den Octopus übertragen und dort ggf. auf einem vorhandenen CharlieWing LED- Matrix Modul angezeigt. (Flaschenpost) Mit Sensoren Aktuelle Informationen Messdaten werden auf der Homepage angezeigt und zyklisch aktualisiert IoT: HTTP-Protokoll Überschrift Wird als Titel der Homepage angezeigt

21 Thingspeak Thingspeak.com ist eine Cloud-Anwendung. Dort können Messdaten gespeichert und über eine Web-Schnittstelle visualisiert werden. Voraussetzung ist ein kostenloser Account bei Thingspeak, oder die Nutzung des quelloffenen Servers. Schreibzugriff Messdaten werden per HTTP-Protokoll über die REST-API an den Thingspeak-Server gesendet. IoT: HTTP-Protokoll Alternativ eigener Server: thingspeak.raspi.iot thingspeak.umwelt-campus.de API-Key Per Cut&Paste vom Thingspeak-Server kopieren Lesezugriff Der aktuelle Messwert für die angegebene Kanalnummer und den angegeben Feldindex wird beim Thingspeak-Server angefragt

22 If This Then That (IFTTT) IFTTT.com ist eine Cloud-Anwendung, mit der einfache Regeln abgebildet werden können. In unserem Fall können wir ein Ereignis auf dem Webhooks- Kanal triggern. Dieses Ereignis kann dann konfigurierte Aktivitäten auslösen. Voraussetzung ist ein kostenloser Account bei IFTTT. Trigger Event auslösen Der angegeben Event wird gefeuert, Autorisierung durch den Key IoT: HTTP-Protokoll Ereignis Im Maker-Channel des FTTT-Server konfigurieren Key Per Cut&Paste vom IFTTT-Server kopieren IFTTT-Applet Achtung: wenn der Trigger mehrmals gefeuert wird, gibt es entsprechend viele Mails. Also im Ardublock aufpassen (nur einen Trigger auslösen).

23 yahoo IoT: HTTP-Protokoll yahoo.com ist eine Cloud-Anwendung, mit der über ein REST-API u. a. die aktuellen Wetterdaten für einen Standort abgefragt werden können. Winddaten abfragen Abfrage der Windgeschwindigkeit per REST-API. Yahoo antwortet mit einem XML- oder JSON-Text Dieser muss nach dem interessierenden Schlüsselwort durchsucht werden. Der Baustein ist experimentell, ggf. muss die Auswertung der Suchinformation manuell angepasst werden. Rückgabe Windgeschwindigkeit getestet. Suchbegriff API-Kommandos unter Where on earth identification Standortangabe über Suchmaschine Beispiel * from weather.forecast where woeid= and u=%27c%27&format=xml

24 MQTT IoT: MQTT-Protokoll MQTT (Message Queue Telemetry Transport) ist ein IoT-Protokoll zur Sensor- Aktor Kommunikation. Es basiert auf einem publish/subscribe-modell. Ein hochverfügbarer Broker dient als Vermittler zwischen mobilen Clients. Verbindung zum Broker Einmalig z.b. im setup-teil. Hier ist ggf. die Autorisierung beim Broker notwendig. Jeder Client benötigt einen Namen. Freier Broker (ohne Anmeldung) broker.mqtt-dashboard.com Nachrichten senden Sendet eine Nachricht an das angegebene Topic User, Passwort. Adafruit: AIO Key Nachrichten empfangen Abonniert das angegebene Topic beim Broker Broker sendet eine Nachricht, wenn sich der Inhalt ändert. Im Ardublock wird dann automatisch in eine callback-funktion verzweigt und der dort angegebene Befehlsblock ausgeführt. Die Nachricht steht dort im String MQTT_Rx_Payload zur Verfügung.

25 The Things Network (TTN) TTN ist eine Cloud-Infrastruktur zur Kommunikation über LoRaWAN. Voraussetzung ist ein Account bei TTN und ein LoRa-Kommunikationsmodul OTAA Verbindung Hier erfolgt die Autorisierung über die Angabe der EUIs. Details finden sich auf der TTN- Webseite. Die Messwerte im Feld 1-6 werden als 16-bit Integer Übertragen. Auf TTN-Seite ist ein Decoder nötig. IoT: LoRa-Protokoll Messwerte werden in Fixpunkt-darstellung mit einer Nachkommastelle übertragen Adafruit LoRaWing Ein ggf. im RX-Slot empfangenes Payload kann ausgewertet werden

26 Klaus-Uwe Gollmer und Guido Burger