Comunicação IoT Com a Dragonboard 410C

About: Hi! I'm Chris, software engenieer and technology enthusiast.

É bastante comum desenvolver ou, até mesmo, comprar um produto IoT para a sua casa. Abrir uma cortina, ligar uma tomada, ajustar a temperatura de um ambiente, monitoramento de segurança, entre outros benefícios de equipamentos IoT.

Agora, seria interessante transformar esses alertas das "coisas" da sua casa, em solicitações de serviço, e ainda melhor, em serviços que você conhece e que já está acostumado. O comerciante "zé da água" não tem condições de entrar num grande marketplace para vender a sua água e tão pouco ter recursos para adquirir e manter um sistema de pedidos.

Para que você use serviços como o do seu 'Zé da água', que você sempre confiou, será mostrado como montar a base de uma plataforma IoT com a dragonboard, para resolver essa comunicação.

Step 1: Prepare a Sua Dragonboard 410C

Neste passo vamos prepara a nossa Drabonboard 410C para se tornar o gateway da nossa estrutura IoT dentro da sua casa.

Primeiramente, vamos instalar um sistema operacional na placa.
Caso você opte por utilizar localização GPS, que ajudará muito o cliente no momento de registro, sugerimos que instale o sistema operacional Linaro 17.04.1, caso contrário, veja as opções de na página da Dragonboard 410C da 96boards, neste link.

Após a instalação do seu sistema operacional, instale a biblioteca libmraa para a utilização das GPIOs, da Dragonboard 410C. Para isso, você deve seguir os passos abaixo (abra o console do seu sistema operacional para executar os comandos):

Pré requisitos libmraa

  • sudo apt-get update
  • sudo apt-cache search pcre
  • sudo apt-get install libpcre3-dev
  • sudo apt-get install git
  • sudo apt-get install cmake
  • sudo apt-get install python-dev
  • sudo apt-get install swig

Instalação mraa

Para utilizar a biblioteca com Python, que é o caso deste instructable, vamos adicionar o export da nossa variavel de ambiente do Python para a biblioteca. Para isso, utilize o editor de texto de sua preferência para seguir os passos abaixo, vamos utilziar o VIM:

  • sudo vim ~/.bashrc
  • pressione a teclar i, para iniciar a edição do arquivo
  • adicionar a linha seguinte no final do arquivo: export PYTHONPATH=$PYTHONPATH:$(dirname $(find /usr/local -name mraa.py))
  • pressione ESC para sair da edição do arquivo e digite ':x!' e enter para salvar e sair do arquivo.

Com isso já conseguimos utilizar a biblioteca mraa com Pyhton.

Agora, vamos instalar os softwares para facilitar a leitura do GPS (lembrnado que para a utilização dessa parte, recomendamos o uso do sistema operacional Linaro 17.04.1).
No seu console, execute o comando abaixo:

  • sudo apt-get install gnss-gpsd gpsd gpsd-clients

Para testar, execute o código abaixo, também no seu console:

  • gpsmon –n

OBS: A antena interna da Drabonboard é para ser utilizada fora de cases e em locais mais abertos. Até mesmo em locais abertos, a leitura pode demorar de 5 a 10 minutos, então não fique preocupado se não exibir as informações prontamente.

Pensando no projeto, com certeza iremos encapsular o(s) hardware(s) num case, e no menor dos cenários, este case estará dentro de uma casa ou apartamento. Para resolver, podemos utilizar antenas externas, tanto para wi-fi, quanto para o GPS.

OBS: A instalação da antena externa não é um procedimento tão simples para quem não tem familiaridade com procedimentos de soldagem com SMD, portanto, procure um serviço especializado se necessário.

Para realizar o switch do das antenas internas para externas, será necessário seguir os procedimentos que a Qualcomm disponibilizou no documento deste link.

OBS: É muito mais fácil de encontrar os componentes (capacitores, resistores e indutores) na internet do que em loja física. O mesmo para antenas, que sugerimos a compra no site da SmartCore.

Para que nosso gateway não fique dependente de uma configuração e conexão wifi, com a internet, iremos utilzar um módulo GSM. Os módulos GSM externos, geralmente necessitam de uma tensão estável e específica, então vamos criar uma saída de alimentação diretamente da entrada de alimentação da Dragonboard 410C.

Na imagem de capa deste step, estão destacados os pontos de saída que deverá ser utilizado para a soldagem dos cabos para a alimentação do modulo GSM (ATENÇÃO COM A POLARIDADE).

Para realizar a comunicação interna, iremos utilizar o protocolo MQTT, e definir a Dragonboard 410C como hotspot. Vamos instalar o software Mosquitto para tornar a nossa placa um broker mqtt, com a execução da linha abaixo no seu console:

  • sudo apt-get install mosquitto

Com isso o software já estará instalado e ativo.

Para definir a sua Dragonboard 410C como um hotspot, siga os passos:

  • Clique no icone de redes no canto inferior direito
  • Clique em 'Edit connections'
  • Após abrir a tela 'Network connections', clique em 'Add'
  • Selecione a opção Wi-fi, e clique em 'Create'
  • Ao abrir a tela de configuração da rede, insira um nome em SSID
  • Na mesma tela mude para 'Hotspot' no campo 'Mode'
  • Caso queira incluir uma senha para a rede, configure-a na aba 'Wi-fi Security'
  • Para finalizar clique em 'Save'

Agora qualquer dispositivo pode se conectar à rede exclusiva da Dragonboard 410C, e utilizar o seu broker para publicar e subscrever.

Com estes preparos acima, estamos prontos para seguir com o desenvolvimento.

Step 2: Prepare a Sua Cloud API

Este passo é algo que depende muito de projeto para projeto. Pode ser que precise ser feita do zero, ou o cloud já existe com a necessidade de criar o mecanismo de API, ou até mesmo já ter uma API pronta para utilizar.

Vamos descrever um passo a passo para iniciar uma API básica, pelo menos para o teste deste instructable. Caso queira seguir um tutorial mais completo, sugiro ver o artigo deste link. Em todo caso, sugiro desenvolver algo mais estruturado, caso a finalidade do projeto seja comercial.

Primeiramente, precisamos de um lugar para colocarmos a nossa API, e para não termos gastos com estes testes, iremos utilizar a plataforma Heroku. Siga os passos para iniciar a sua aplicação:

  • Acesse o site da Heroku, por este link
  • Clique em 'Sign Up', no canto superior dieito, para iniciar o seu registro
  • Após o registro, em sua dashboard, clique em 'New' e escolha a opção 'Create New App'
  • Insira um nome para a sua aplicação
  • Em seguida, clique em 'Create App'
  • Seu app está pronto, podendo ver seu funcionamento clicando em 'Open App', no canto superior dirento
  • Instale o Heroku Cli, para fazer os deploys para a sua aplicação, seguindo a instrução para seu sistema operacional, de acordo com a documentação deste link
  • Agora você deverá seguir as instruções de deploy para começar o desenvolvimento da sua API, disponível em https://dashboard.heroku.com/apps/__NOME_DA_SEU_A...

Seguindo os passos acima, já temos a pasta na sua máquina, para desenvolver a sua API. Agora vamos instalar o NodeJS e a framework Express, seguindo os passos abaixo:

  • curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_11.x | sudo -E bash -
  • sudo apt-get install -y nodejs
  • sudo apt-get install npm
  • Caso não esteja utilizando uma distribuição Linux que utilize o Advanced Packaging Tool (APT), ou outro sistema operacional, consulte o link
  • Agora execute npm install express-generator -g
  • Acesse o diretório que foi realizado os procedimentos da aplicação da Heroku com 'cd __PASTA_SEU_APP__'
  • Inicie a aplicação node com 'npm init', e os outros comandos abaixo
  • cd ../
  • express __PASTA_SEU_APP__
  • cd __PASTA_SEU_APP__
  • npm install

Para deixar dois endpoints preparados, um de GET e um de POST, siga os passo abaixo:

  • Acesse a pasta 'routes'
  • abra o arquivo 'index.js'
  • Inclua o trecho de código abaixo, que irá adicionar as rotas na raiz da sua aplicação para os dois métidos (GET e POST):

router.get('/', function(req, res, next) {
res.setHeader('Content-Type', 'application/json');
res.send(JSON.stringify({ msg: 'Hello API'}, null, 3));
});
router.post('/', function(req, res, next) {
var msg = 'empty';
if(typeof req.body.msg != 'undefined')
msg = req.body.msg;
res.setHeader('Content-Type', 'application/json');
res.send(JSON.stringify({ msg: msg}, null, 3));
});

Agora você realize o deploy do seu app para a Heroku:

  • heroku login
  • git add .
  • git commit -am "initial commit"
  • git push heroku master

Com isso você já tem seus endpoints de testes prontos. Para testar os endpoints sugerimos instalar o software Postman, neste link. Insira a url da seu app (Ex: https://__SEU_APP__.herokuapp.com/) e selecione o método GET ou POST, e clique em 'SEND'. Para o método POST, siga os passos:

  • Clique na aba 'Body'
  • Selecione a opção 'x-www-form-urlencoded
  • Insira o key 'msg'
  • Em Value, pode inserir qualquer mensagem

Com essas instruções temos a nossa API de testes pronta para o uso.

Step 3: Instalando E Manipulando O Modulo GSM

Para não dependermos de uma conexão Wifi, vamos utilizar a comunicação GSM para abrir caminho de dados para utilizarmos a nossa API, configurada no step anterior.

É aconselhável a utilização de modulos GSM homologados, mas para os testes do nosso protótipo iremos utilizar um módulo simples e que atende a nossa demanda do momento, o modulo SIM800L. Este modulo foi produzido e distribuído em massa pelo fabricando, mas sem qualquer homologação, tanto que não está disponível no site do fabricando.

Vamos às conexões físicas, entre o modulo GSM e a nossa Dragonboard 410C.

Como mencionado no step 'Prepare a sua Dragonboard', teremos que regular a tensão para utilizar o modulo. Para isso utilizaremos um regulador de tensão step down, para diminuir a tensão de entrada. Utilizamos o Regulador De Tensão Stepdown Buck Conversor Dc Lm2596 3a Nf, para este teste

Siga os passos abaixo para realizar as conexões físicas:

  • Conecte a saída positiva da Dragonboard, como ilustrado no step 'Prepare a sua Dragonboard', e conecte na entrada 'IN +' do regulador de tensão
  • Conecte a saída negativa da Dragonboard, como ilustrado no step 'Prepare a sua Dragonboard', e conecte na entrada 'IN -' do regulador de tensão
  • IMPORTANTE: Ligue a Dragonboard, e regule com o auxilio de uma chave de fenda, regule o trimpot para que a saída (OUT + e OUT -) tenha 4.2V. Siga adiante apenas se a saída estiver com esse valor. Caso seja utilizado outro modulo GSM, verifique a tensão adequada. Este passo deve ser repetido, sempre que houver inclusão de um hardware, pois pode haver variação.
  • Conecte a saída do regulador de tensão 'OUT +' no pino VCC, indicado na imagem de capa deste step
  • Conecte a saída do regulador de tensão 'OUT -' no pino GND, indicado na imagem de capa deste step
  • Conecte o pino RXD do modulo GSM no pino 5 UART 0 TX da Dragonboard, ambos indicados nas imagens de capa deste step
  • Conecte o pino TXD do modulo GSM no pino 7 UART 0 RX da Dragonboard, ambos indicados nas imagens de capa deste step
  • Conecte o pino GND do modulo GSM no pino 1, 2, 39 OU 40 GND da Dragonboard, ambos indicados nas imagens de capa deste step. Isto é fundmental para estabilizar o tráfego de dados pelo RX TX

OBS: Não se esqueça de conectar uma antena no modulo GSM, pelos pinos NET ou IPX ANT, indicados na imagem de capa deste step.

Agora vamos ao software. Vamos utilizar a biblioteca mraa que instalamos anteriormente, para realizar a comunicação serial entre o modulo GSM e a Dragonboard 410C.

Siga os passos para importar a biblioteca e testar a comunicação com o módulo:

  • Crie um arquivo com a extensão .py, como sugestão 'gsm.py'
  • No arquivo, inicie importando a biblioteca mrra, e também a biblioteca time para definir delays

import mraa

  • Defina uma variável para o caminho da UART que conectamos o modulo GSM

port = '/dev/tty96B0'

  • Instancie a UART com ajuda da biblioteca mraa

uart = mraa.Uart(port)

  • Crie uma função para enviar para os comando AT para o modulo GSM

def write(msg):

uart.write(bytearray(str(msg)+'\n','utf-8'))

  • Crie um loop para fazer a leitura do modulo GSM

while True:
r = uart.read(128)
if r != '':
print(r.decode('UTF-8'))
i = str(input())
write(i)
time.sleep(0.5)

  • Salve o arquivo e volte para o console
  • Execute o arquivo

python gsm.py

  • Digite 'AT', e se tudo conectado corretamente, você irá receber na tela a mensgem 'OK'

Para que nosso módulo não dependa de digitarmos cada comando AT - encontrados neste link - faremos duas funções, uma que irá realizar a conexão com a APN e outra que irá consumir a nossa API.

A primeira função será de conexão:

def connect():

time.sleep(0.5)
write("AT")
time.sleep(0.5)
write('AT+CREG=1')
time.sleep(0.5)
write('AT+COPS=2')
time.sleep(0.5)
write('AT+SAPBR=3,1,"Contype","GPRS"')
time.sleep(0.5)
write('AT+SAPBR=3,1,"APN","*****"')
time.sleep(0.5)
write('AT+SAPBR=3,1,"USER","*****"')
time.sleep(0.5)
write('AT+SAPBR=3,1,"PWD","*****"')
time.sleep(0.5)
write('AT+SAPBR=1,1')
time.sleep(0.5)
write('AT+SAPBR=2,1')
time.sleep(6)

Sugiro que rode cada comanda antes de utilizar esta função. Segue algumas observações sobre estes comandos:

  • Para definir corretamente o valor do comando AT+COPS, que serve para selecionar a sua rede, primeiro execute AT+COPS=?, aguarde que apareça as redes disponíveis, e altere o valor na função connect() para o indexador da sua rede exibida após o comando AT_COPS=?
  • Os comandos de definição da APN estão com asteriscos pois depende de cada operadora do SIM Card, procure se informar com a operador para saber qual o endereço da APN, usuário e senha.
  • Repare que a cada

Agora vamos implementar a função que irá enviar consumir a nossa API:

def send(p,m,d=''):

write('AT+HTTPINIT')
time.sleep(0.5)
write('AT+HTTPSSL=1')
time.sleep(0.5)
write('AT+HTTPPARA="CID",1')
time.sleep(0.5)
write('AT+HTTPPARA="URL","__URL_APP_HEROKU__/'+p+'"')
time.sleep(0.5)
write('AT+HTTPPARA="USERDATA","Authorization: Bearer *****************\\r\\n"')
time.sleep(0.5)
if m == 'GET':
write('AT+HTTPACTION=0')
else:
write('AT+HTTPPARA="CONTENT","application/x-www-form-urlencoded"')
time.sleep(0.5)
write('AT+HTTPDATA='+str(len(d))+',10000')
time.sleep(0.5)
write(str(t))
time.sleep(10)
write('AT+HTTPACTION=1')
time.sleep(6)
write('AT+HTTPTERM')

Segue algumas observações para estes comandos:

  • A função recebe 3 parametros. 'p' para o path que será executado da sua API, 'm' para o método que você irá utilizar da sua api (GET/POST/...), e 'd' para os dados enviados em caso do método não for GET
  • O comando 'AT+HTTPS' é opcional, no caso da sua api utilizar SSL
  • O argumento 'm' deverá ser enviado no formato querystring (Ex: msg=ola+dragonboard&arg2=teste&...)
  • O comando 'AT+HTTPPARA="USERDATA...' é opcional, apenas se houver a necessidade de definir algum header no request

Mais uma vez sugiro rodar cada comando, individualmente e em ordem, antes da utilização.

Antes de adquirir seu SIM Card, consulte se a operadora trabalha com a mesma tecnologia que o modulo GSM que você estiver utilizando, mas é aconselhável utilizar o SIM Card de empresas especializadas em comunicação IoT, por questões de compatibilidade, custos e praticidade.

Com as configurações e implementações acima, estamos prontos para nos comunicarmos com a nuvem através da nossa Dragonboard 410C.

Step 4: Preparando Dispositivos Para Se Comunicar Com a Dragonboard

Neste passo, iremos utilizar a placa de prototipagem NODEMCU ESP8266 ESP-12, como exemplo. Esta e qualquer outra placa de prototipagem, como o nome já diz, é ótima para protótipos, mas no momento em que o hardware for definido como produto, deve ser desenvolvido um complexo dedicado. Este módulo já possui WiFi, então irá facilitar a comunicação.

Para nos comunicarmos com a nossa Dragonboard 410C, precisamos de 2 bibliotecas:

  • ESP8266WiFi > biblioteca para ativar a conexão da placa
  • PubSubClient > biblioteca para realizar a comunicação com o broker MQTT

Defina como variáveis globais, as definições da rede Wi-fi e do broker, ambos da nossa Dragonboard 410C:

  • const char* SSID = "__REDE_DRAGONBOARD__"; // Nome da rede definida como Hotspot na Dragonboard
  • const char* PASSWORD = ""; // Insira o valor da senha se houver definido na configuração do Hotspot
  • const char* BROKER = "__IP_DRAGONBOARD__"; // Execute 'ip a' na sua Dragonboard para descobrir o ip da rede interna

Crie o objeto de rede Wi-fi da placa e instancie o client MQTT com este objeto:

  • WiFiClient espWIFI;
  • PubSubClient MQTT(espWIFI);

Na função de setup, inicie a conexão WIFI e a comunicação MQTT:

  • WiFi.begin(SSID, PASSWORD);
  • MQTT.setServer(BROKER, 1883);
  • MQTT.setCallback(callback_mqtt); // Caso você faça subscribe em algum tópico

No sua função de loop, adicione a linha abaixo para que o MQTT entre em loop:

  • MQTT.loop();

Você pode criar uma função de verificação de conexão de WIFI e do broker, para não ter problemas com intermitência. Para isso crie um função com as linhas abaixo, e chame-a na função de loop:

void checkConnections(){

if (!MQTT.connected())
while (!MQTT.connected());

if (WiFi.status() != WL_CONNECTED){
WiFi.begin(SSID, PASSWORD);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED);
}

}

E finalmente, iremos enviar algum dado para a Drabonboard 410C, com o seguinte comando:

  • MQTT.publish('__NOME_DO_TOPICO__', "Ola Dragonboard");


Não vou entrar em detalhes para exemplificar a leitura de sensores e etc, pois vai variar muito de projeto para projeto e de hardware para hardware. Basta incluir esta linha onde necessário, que os dados serão enviados para a seu broker.

Voltando para a nossa Dragonboard410C, vamos criar um arquivo teste em python, para checarmos os dados recebidos pelo broker, mas antes, vamos instalar uma biblioteca que nos auxiliará na conexão do broker. Para isso execute as linhas abaixo no console da Dragonboard 410C:

  • sudo apt-get install python pip
  • pip install paho-mqtt

Agora vamos criar um arquivo python com o nome, como exemplo, mqtt.py. Nele vamos definir algumas funções que serão explicadas a seguir:

import paho.mqtt.client as mqtt
import sys

Broker = "__IP_DRAGONBOARD__"
port = 1883
timeout = 60
TopicSubscribe = "__MESMO_TOPICO_DISPOSITIVO_EXTERNO__"

def onConnect(client, userdata, flags, rc):
client.subscribe(TopicSubscribe)

def onMessage(client, userdata, msg):
message = str(msg.payload)
print(message)

try:
client = mqtt.Client()
client.on_connect = onConnect
client.on_message = onMessage
client.connect(Broker, port, timeout)
client.loop_forever()
except:
sys.exit(0)

Neste arquivo vamos definimos duas funções, a 'onConnect' que será chamada no momento em que houver conexão com o broker, e a função 'onMessage' que será executada quando houver mensagem recebida nos subscribes definidos na função 'onConnect'.

Execute o arquivo com 'python mqtt.py', e se todas as conexões anteriores estiverem sido realizadas com sucesso, você receberá na sua tela os dados que estão sendo enviados pelo seu dispositivo externo, no caso deste exemplo, pelo NODEMCU.

Note que é na função onMessage, que recebemos a informação e exibimos nos seu console. Então é neste ponto que você tratará os dados recebidos e no momento certo, enviará via GSM para a sua API, pela função 'send' do seu arquivo de teste gsm.py, que criamos no passo 'Instalando e manipulando o modulo GSM'.

Uma observação importante: Para realizar a alimentação da placa NODEMCU ESP8266 ESP-12, em especifico, sugiro que consultem o documento deste link. Muito cuidado neste momento, pois uma simples falha de inversão de polos pode queimar a placa, mas caso isso aconteça a boa noticia é que tem um preço que facilita a troca rapidamente.

Step 5: Considerações Finais

Se estiver tudo configurado como descritos nos steps anteriores, você já está comunicando o seu dispositivo IoT com o mundo, com auxilio da sua Dragonboard 410C.
É importante ressaltar que neste instructable foram mencionados vários hardwares e softwares, mas apenas para fins de exemplificar a comunicação. Os sensores e outros recursos que serão utilizados no dispositivo externo, todo o preparo e implementação da sua API Cloud, os recursos de hardware ligados à Dragonboard, e também a forma com que os dados são tratados, fica a critério de quem for executar o projeto. Para definir como produto final, sugerimos apĺicar as tecnologias e procedimentos adequados para tal

O uso de apps e aplicações de gestão, para os comerciantes ligados aos serviços, deixamos em aberto também, bastando trabalhar bem a sua API, e a consumindo através destas frentes.

Espero que tenham gostado deste instructable, que mostra através dos steps e exemplos, um pouco do trabalho que foi realizado na prototipagem do projeto Hubee, criado para o Programa de Parcerias em IoT 2018 da Embarcados com parceria com a Qualcomm.

Integrantes do projeto:

Christopher Villagra
chris@dvillagra.com.br
https://www.linkedin.com/in/cdvillagra/

Vinicius Fiorentino
vfiorentino@gmail.com
https://www.linkedin.com/in/vfiorentino/

Apoie o projeto Hubee nos enviando um e-mail.

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