Подключаем новенький чип от WIZnet: W5500. IP для маленьких вещей

Рассмотрим управление устройствами на расстоянии на базе Arduino Ethernet Shield, какие бывают, преимущества и недостатки.

Веб-сервер на Ардуино

Как уже понятно, для связи Ардуино по LAN сети нужна специальная плата расширения.

Так выглядит шилд Ethernet Shield w5100:

Работа с этим сетевым шилдом проще всего осуществляется с платы Arduino UNO R3. Безусловно, вы можете использовать её и с другими платами, на фото изображено подключение на примере самой распространённой версии. При использовании с другими вариантами, например, Nano нужно соединить соответствующие выводы на плате и шилде с помощью перемычек.

Ардуино выступает в роли сервера, поэтому нужно обеспечить подключение к сети, для этого используется Ethernet кабель. Сразу стоит отметить, что при подключении витой пары, кабеля RJ-45, непосредственно к плате, а не через роутер, вы должны использовать вариант обжимки «Crossover».

Работает плата расширения на скоростях 10 или 100 мбит/с, при работе на высшей скорости вы можете видеть уведомление – об этом сигнализирует светодиод «100M». Он расположен ниже сетевого разъёма.

На шилде расположен слот для SD-карты – вы можете получить доступ к данным через сеть. Таким образом, вы получите домашнее облако на Arduino.

С картой памяти микроконтроллер работает по той же SPI шине, что и с шилдом. Определите, какие выводы на вашей плате работают с этим интерфейсом, и не забудьте о том, что их нельзя задействовать при разработке вашей умной системы. Например, для платы Arduino Mega выводы: 50, 51, 52, а для Duemilanove: 12, 12, 13.

Модуль может вызывать прерывания в Ардуино. Это нужно для уведомления микроконтроллера о разного рода событиях, что очень полезно.

Миниатюрные системы для сетевого доступа и беспроводной доступ по GSM

Шилд W5100 довольно громоздкий, и в связке с миниатюрными pro mini и nano выглядит нелепо, да и далеко не всегда нужна на шилде карта памяти.

Вы можете обратить свое внимание на модель arduino Ethernet модуля W5500, тоже на базе чипа WIZnet, как и предыдущий вариант.

Связь с микроконтроллером осуществляется по тому же SPI интерфейсу, а сам чип построен на Cortex M0. Чип W5500 меньше греется и имеет большую мощность, нежели у W5100 (значительно сильнее грелся).

В отличие от младших чипов, добавлен режим параллельной 8 битной шины. Но и ток потребления 160 мА при работе на полной скорости – 100 м/бит.

Другой вариант миниатюрного шилда – это arduino enc28j60. Главное его преимущество – это то, что он дешевле в 2-3 раза, чем W5500, например.

Я сделал акцент на том, что это главное преимущество, потому что в целом, если есть возможность, лучше использовать W5500, т. к. на них в сети больше информации по работе и настройке, а также есть различные проекты.

28J60 отлично подойдёт для интернета, для простейших мелких задач, типа Ethernet термометра. Микросхема произведена компанией Microchip, работает по тому же SPI интерфейсу, что и предыдущие. Библиотеки для работы с ней отлично подходят для Ардуино на 168/328 ATmega, в их числе Uno, Nano, Pro Mini. Для Mega нужно правильно назначить пины.

Но еще более интересный вопрос – это беспроводная связь с Ардуино. Это стало возможно благодаря GSM модулям, а с помощью w5500 вы можете осуществлять связь только по сети. В шилд или модуль для Ардуино вставляешь sim-карту, и вы можете управлять своей автоматизацией с помощью SMS или вызова.

Рассмотрим модуль Neoway M590E, рассчитанный на два диапазона (900/1800 мГц) – голосовую связь он не поддерживает. Работает в сети GPRS с максимальной скоростью в 48 кбит/с, способен принимать и передавать SMS сообщения. Модуль стоит около 1-2х долларов. Для своей цены он более чем универсален.

Этого набора функций достаточно как для мониторинга чего-либо, так и для управления умным домом на расстоянии, но о сферах применения будет расписано позже.

Питание M590E может осуществляться от li-ion аккумулятора или любого другого источника на 3,3 — 4,8 В с током порядка 1 ампера (номинальным 0.6 А).

Сфера применения и проекты с сетевыми шилдами

Ардуино – одна из самых дешевых основ для проекта умного дома. Кроме домашнего облака и доступа к файлам можно реализовать удаленное управление исполнительными механизмами любых типов.

К таким проектам можно отнести и другую автоматизацию, например, управление поливом, освещением и проветриванием в теплице.

Одно дело, когда вы находитесь в непосредственной близости к управляемой системе, но что делать, если ваша теплица находится на участке загородного дома?

Если есть интернет связь за городом – Ethernet технологии придут на помощь, на фото ниже вы видите окно HTML страницы, находящейся на сервере на базе W5500.

В таком виде представлено управление группой из 4-х реле с отслеживанием их активности, по нажатию кнопки refresh.

А подключается всё по такой схеме:

Это на примере модуля w5500. Схема не сложная, но функциональная – вы можете сделать вот такую мульти задачную реле-станцию.

Только использовать вместо MEGA младшие платы Ардуино.

Что касается мобильной передачи данных, то M590E предназначен для так называемых M2M приложений.

С Ардуино он может взаимодействовать и передавать как сообщения от неё в виде SMS, так и команды к микроконтроллеру после принятия сообщения от вас. Команды очень просты, например:

AT+CMGS=»+79123456789″;

Команда выше отправит СМС на указанный номер, точка с запятой обязательны.

Это незаменимо в проектировании охранных комплексов и устройств.

В современном мире нельзя недооценивать важность устройств автоматического управления домом, различными бытовыми сферами и охраной вашего имущества. Связь с окружающим миром нужна для наглядности в плане контроля и слежения за состоянием всех узлов вашей системы.

Модули Arduino Ethernet и GSM помогут добиться этого, а в комбинации представляют собой практически бесперебойную систему удаленного управления и контроля. Комбинировать разные способы передачи информации, безусловно, нужно для повышения надежности связи и универсальности всей конструкции.

Похоже, что Etherent и TCP/IP — все ещё самый распространенных способ связи самых разных устройств. Хотя WiFi в последнее время потихоньку вытесняет проводной «медный» Etherent, тем не менее, найти порт и «воткнуться в локалку» — до сих пор самый простой способ подключения. Такая доступность Ethernet не обошла стороной и самые маленькие железки: контроллеры, датчики, счетчики потребления и т.д. которые нынче называются модным маркетинговым словом «Интернет вещей*» (Internet Of Things, IoT). И тут нам могут здорово помочь корейские микросхемки от WIZnet. Компания WIZnet — это довольно активный производитель чипов класса IOcP (Internet Offload co-Processor). Что это? Говоря человеческим языком — это такой чип, который: с одной стороны имеет Etherent, внутри содержит собственный крошечный процессор для обработки TCP/IP, а с другой стороны — простой интерфейс для связи с нашей маленькой железкой. В первой части будет небольшой теоретический обзор подключения «маленьких железок» и куча ссылок на разные чипы. Но сразу возникает вопрос: ЗАЧЕМ вводить в систему еще один процессор, если всё можно обработать на основном? Давайте попробуем ответить. Давайте попробуем уйти «вниз» по шкале стоимости (до единиц долларов и даже ниже) и рассмотрим различные способы включения «мелочи» в сеть. Самый-самый простой способ «выхода в сеть» для микроконтроллеров — это разного рода преобразователи COMпорт-в-Telnet, Serial2Ethernet иногда называемые еще Реверсивный Telnet. В этом случае преобразователь «ловит» telnet сессию и «загоняет» ее в обычный COM-порт микроконтроллера. Далее оператор попадает в обычный диалог, только по сети. Ну что тут сказать? Во первых, там тоже стоит отдельный микроконтроллер и устройства получаются совсем не дешевые (Статьи про самодельный модуль и про модуль Tibbo). Для простенькой задачи «поменять/прочитать один параметр» этого может и вполне хватит. Минусов тоже много — единственная сессия, фиксированный протокол — трудно, например, прикрутить SSL если его нет, сложности конфигурирования самого преобразователя, например сменить ему IP адрес или порт и т.д. Другой вариант — это микроконтроллеры с настоящим Etherent на борту, но они как правило, имеют только MAC уровень и требуют внешнего чипа PHY (KS8721BL, DM9161A, RTL8201). Соединение с таким чипом, MII или RMII как минимум требует внешних пинов. Для соединения PHY с LAN требуется еще впаять трансформатор или MagJack. Таким образом, по «числу компонентов» выигрыша тут не получается. Удивительно, но внешние Etherent PHY — довольно дорогие чипы, несколько долларов за корпус. Но примерно столько же стоит весь чип от WIZnet целиком, кремний-то в массовом производстве стоит копейки. Да, трансформатор для WIZnet тоже потребуется, но значительного выигрыша от встроенного MAC-контроллера по цене не получится. Второе: программная поддержка MAC/PHY довольно сложна и объёмна. Например, для STM32Fxx7 исходные коды Ethernet драйвера занимают примерно 100К текста на C. (статья про PIC-и с Ether). Кроме драйвера Etherent нужен еще сам стек TCP/IP (LwIP или uIP). Кроме размера не стоит забывать и о скорости исполнения (хотя… STM32 уже по скорости превышает первый Pentium и про ограничение производительности можно забыть). Но если ли преимущества «полного» программного IP-стека на микроконтроллере? Конечно есть. Рассмотрим их потом, а пока продолжим. Третий вариант — это глубоко любимый «эмбеддерщиками» чип SPI Ethernet контроллера Microchip ENC28J60 (и чуть менее известный Silabs CP2200). Обратите внимание, это именно настоящие контроллеры Ethernet, а не TCP/IP сопроцессоры. Все что умеет чип — принимать и получать Etherent фреймы. То есть, стек TCP/IP все равно придется делать самим. Да, стеков есть несколько готовых, от замечательных небольших до классических LwIP и uIP. Но все же, такое решение скорее напрямую конкурирует со встроенным MAC контроллером, да и цена на чип — те же несколько долларов и около 5..7$ за готовый модуль (плата с чипом, трансформатором и гнездом RJ45) на ebay/aliexpress. Так что вернемся к продуктам фирмы WIZnet. Первое устройство W3100 было выпущено довольно давно, в 2001 году. Это был полноценный TCP/IP IOcP (сопроцессор), который предлагал некий средний путь между COM-портом и MAC-контроллером, реализуя идею TCP/UDP «сокетов» внутри чипа. Физически же W3100 был не очень удобный двухчиповый набор MAС/PHY и настоящая популярность в среде «ардуинщиков» (AVR) и «пиководов» пришла к устройству W5100. Достаточно сказать, что «официальный» Arduino Ethernet Shield собран именно на W5100. С тех пор прошло немало времени и стали заметны недостатки W5100: чип довольно сильно греется, скорость сети всего 10Mbit/s, чип имеет несколько (документированных в Errata) глюков, корпус довольно большой из за наличия параллельной шины, несколько нетривиальная реализация SPI. Неудивительно, что вскоре WIZnet представила следующую модель: W5200. Этот чип научился работать на 100Mbit, засыпать и экономить электричество, лишился параллельного подключения, в нем остался чисто SPI, что резко уменьшило число ног. (Для поддержки параллельной шины у него есть «братик» W5300). Внедрение и освоение W5200 пошло на ура! и продолжается до сих пор, выпускаются модули (начиная от «родного» WizNET WIZ820io) и кончая различными ардуиновскими шилдами, желающие могут легко их найти. Например, чуть менее «официальный» Ethernet Shield V2.0 из проекта Seeeduino или Ethernet Shield for Arduino от Dfrobot. А тут большой список других модулей (список реально большой, мотаем вниз). И вот наконец, в октябре 2013 WIZnet анонсировала новый W5500 о котором собственно и планировалось рассказать в этой статье (извините за такое затянувшееся предисловие). Чип получил чуть более удобный для ЛУТ-самодельщиков корпус 48LQFN, быстрый «пакетный» SPI и Cortex M0 внутри, что позволило уменьшить техпроцесс и потребляемую мощность. В целом же чип выглядит как «W5200 на стероидах». Сравнение W5200 и W5500. Следом WizNET выпустила модуль WIZ550io (там же есть и схема), а чтобы не остаться в стороне от «ардуиномании» вскоре сама же WIZnet выпустила еще и Arduino Shield (это просто пассивный переходник с Arduino на WIZ550io). Но давайте не будем рассматривать Arduino, это сделают и без нас (например прямо тут, на Хабре: Ethernet термометр на основе Arduino и т.д.) а попробуем прикрутить W5500 к какому-нибудь популярному микроконтроллеру, например к тому же STM32. Даже сама компания WizNET в курсе этого замечательного семейства и выпускала модуль W5200E01-M3 на предыдущем W5200 ( STM32F103C8 и FT232RQ для USB2Serial). Вскоре вышел и модуль на STM32 + W5500: WIZ550web. Кстати, в марте 2014 на Circuitcellar был объявлен конкурс Connect The Magic (до августа 2014) на разработку с использованием W5500, а WIZnet скинула цены на чипы и модули (купить). В конкурсе можно было выиграть до 15.000$. Подробности на сайте, там же есть отличная статья. Во второй части (если я её допишу…) мы попробуем прикрутить W5500 (а точнее WIZ550io) к маленькой отладочной плате от компании Shenzhen LC Technology Co.,Ltd. и выиграть 15.000$. Платки продаются на Aliexpress по 7.99$ и даже упоминались несколько раз на Хабре. P.S. Автор не имеет никакого отношения к уважаемой фирме WIZnet, но постепенно список ссылок по W5500 разросся и превратился в такой вот хабрапост.Используемые источники:

• https://arduinoplus.ru/arduino-ethernet-upravlyaem-platoj-na-rasstoyanii/
• https://habr.com/post/220723/