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TUTORIAL Shield Ethernet WIZnet-W5100

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Conceito:

Ethernet - é uma arquitetura de interconexão para redes locais LAN (Local Area Network ou Rede de Área Local), baseada no envio de pacotes. Ela define cabeamento e sinais elétricos para a camada física, e formato de pacotes e protocolos para a subcamada de controle de acesso ao meio (Media Access Control - MAC) do modelo OSI (Open

Systems Interconnection), ou Interconexão de Sistemas Abertos, que nada mais é do que um conjunto de padrões ISO relativo à comunicação de dados.

A Ethernet foi padronizada pelo Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE) como 802.3, que é uma coleção de padrões que especificam as camadas físicas e a sub-camada MAC da camada de ligação de dados do Modelo OSI para o protocolo Ethernet, tipicamente uma tecnologia LAN com algumas aplicações WAN (Wide Area Network ou Rede de Longa Distância). A partir dos anos 90, ela vem sendo a tecnologia LAN mais amplamente utilizada e tem tomado grande parte do espaço de outros padrões de rede como Token Ring, FDDI e ARCnet.

Token Ring - é um protocolo de redes que opera na camada física (ligação de dados) e de enlace do modelo OSI dependendo da sua aplicação;

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – o padrão FDDI foi estabelecido pelo ANSI (American National

Standards Institute) em 1987. Este abrange o nível físico e de ligação de dados (as primeiras duas camadas do modelo OSI);

ARCnet (Attached Resource Computer Network) - foi a primeira solução LAN à base de clustering, originalmente desenvolvida como uma alternativa a grandes e caros sistemas de computador.

Aplicação:

A Ethernet foi baseada na ideia de pontos da rede poder enviar mensagens, no que é essencialmente semelhante a um sistema de rádio, cativo entre um cabo comum ou canal, chamado de ether.

Tem sido observado que o tráfego Ethernet tem propriedades de auto similaridade, com importantes consequências para engenharia de tráfego nas telecomunicações, podendo também ser ideal para aplicações:

Industriais, como M2M (Machine to Machine), onde é possível transferir dados de controle entre duas máquinas localizadas em duas fábricas diferentes;

Automação e controle de aparelhos, onde através do envio de um comando seria possível ligar ou desligar um eletrodoméstico em casa;

Monitoramento através de uma Estação Meteorológica remota, onde uma rede de sensores sem fio seriam capazes de transferir dados como temperatura, umidade e pressão para um servidor web.

Protocolo:

Os padrões atuais do protocolo Ethernet são os seguintes: - 10 megabits/seg: 10Base-T Ethernet (IEEE 802.3) - 100 megabits/seg: Fast Ethernet (IEEE 802.3u) - 1 gigabits/seg: Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) - 10 gigabits/seg: 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae).

Como a ideia da Ethernet se baseia em pontos da rede enviando mensagens, então cada ponto tem uma chave de 48 bits globalmente única, conhecida como endereço MAC (Media Access Control), para assegurar que todos os sistemas tenham endereços distintos, facilitando assim a identificação de cada dispositivo/placa_de_rede presente na mesma rede Ethernet.




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Cada dispositivo na mesma rede deve ter um endereço MAC diferente, podendo ser criado endereços aleatórios como por exemplo {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED}, desde que ele seja único na sua rede.

Para que dois dispositivos se comuniquem pela Internet é necessário utilizar um protocolo específico chamado de Internet Protocol (IP). Esse protocolo é utilizado tanto no Modelo TCP/IP (Transmission Control Protocol ou Protocolo de Controle de Transmissão, que nada mais é do que um conjunto de protocolos de comunicação entre computadores

em rede), quanto no Modelo OSI. E esse importante protocolo da internet IP está na camada intitulada camada de rede.

Antes de um dispositivo iniciar sua comunicação na Internet é necessário que ele possua uma identificação única na rede local. E isso é feito através de um endereço IP, que é um número de 32 bits (IPv4). Como o endereço IP depende da sua rede local, então para identificar o IP da sua rede, basta digitar o comando: "ipconfig" na tela do seu sistema operacional (exemplo: DOS).

Após identificar seu IP na Internet, crie um novo IP para seu dispositivo modificando apenas os últimos dígitos do seu endereço, sendo aconselhável que ele seja maior que o número original e que não ultrapasse 254, além de ser único na sua rede também. Exemplo: se seu IP original for 192.168.0.5, o seu novo endereço pode ser de 192.168.0.6 até 192.168.0.254, escolha dentre eles um endereço vago, ou seja, que já não esteja sendo utilizado na sua rede.

Após definir o IP é necessário também definir uma Porta LAN para realizar a comunicação com a Internet, onde a porta 80 é normalmente utilizada como sendo a padrão para servidores Web - HTTP.

Shield ETHERNET WIZnet-W5100:

Esse shield integra um chip W5100 permitindo conectividade via Internet para projetos com Arduino. O controlador W5100 pode suportar até quatro conexões TCP e UDP simultâneas e possui um buffer com capacidade de 16K. Esse shield também está equipado com um soquete para cartão micro-SD, podendo ser utilizado para armazenar dados.

Vista de Frente

Vista do Verso




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O Shield Ethernet WIZnet-W5100 permite utilizar a comunicação com o Arduino através da interface SPI (Serial Peripheral Interface), utilizando os pinos digitais 11 (MOSI), 12 (MISO) e 13 (SCK) no Arduino Padrão e os pinos 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK) e 53 (SS) no Arduino Mega. Em ambas as placas o pino digital D10 do Arduino é utilizado como SS.

MOSI (Master Out Slave In): Linha do Servidor (mestre), para enviar dados aos periféricos;

MISO (Master In Slave Out): Linha do Cliente (escravo), para enviar dados ao mestre; SCK (Serial Clock): Pulsos de relógio (clock) que sincronizam a transmissão de dados gerados pelo mestre. E

para prover o sincronismo, o sinal de clock no pino SCK pode ser gerado somente pelo mestre, e este sinal controla quando os dados podem mudar e quando são válidos para leitura;

SS (Slave Select) ou CS (Chip Select): Existente em cada periférico, que pode ser usada pelo mestre para habilitá-los ou inibi-los, evitando transmissões falsas devido aos ruídos na linha. E por permitir vários escravos, a interface SPI precisa controlar qual deles está sendo acessado, e o faz com um sinal no pino SS, que não precisa ser conectado caso haja apenas um escravo. O pino SS precisa ser configurado no setup() do programa como saída digital (OUTPUT), do contrário a interface SPI irá por o microprocessador como escravo, ficando então inoperável.

A interface SPI (Serial Peripheral Interface) é um protocolo de dados seriais síncronos utilizado em microcontroladores

para comunicação (troca de dados em full-duplex) entre o microcontrolador e um ou mais periféricos. Também pode ser utilizado entre dois microcontroladores. Essa interface SPI permite que um dispositivo Servidor (mestre) inicie uma comunicação com um Cliente (escravo).

Informações úteis sobre o Shield Ethernet WIZnet-W5100:

Compatível com Arduino padrão e Arduino Mega; Compatível com a biblioteca do Arduino Ethernet; Conector padrão RJ45;

Soquete para cartão micro-SD; Protocolo 10Mb/100Mb Ethernet com soquete POE; Buffer interno de 16KB; Suporta até quatro conexões TCP/UDP simultâneas; Tensão: 3,5 a 5,5V; Corrente: 120 a 350mA; Dimensões: 72,6 x 53,4 x 23,2 mm; Peso Líquido: 23g.

Passo a passo para comunicação entre o Shield Ethernet WIZnet-W5100 + Arduino +

Computador (PC):

O Arduino foi construído originalmente para se comunicar de forma serial através de seus pinos digitais D0 (RX) e D1 (TX), que ao serem conectados a um computador através de um cabo USB (Universal Serial Bus), permite a transferência de dados pela chamada interface UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), mesmo enquanto trabalha em outras tarefas, desde que haja espaço disponível no buffer serial de 64 byte. Assim, no Arduino existe uma parte do hardware especifica para a conversão Serial/USB. Disso resulta a criação de uma porta COM virtual no computador para a comunicação com o Arduino.

Porém uma biblioteca denominada SPI foi desenvolvida para permitir a comunicação periférica serial de dispositivos com o Arduino como um mestre, utilizando os pinos digitais 11 (MOSI), 12 (MISO) e 13 (SCK) no Arduino Padrão e os pinos 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK) e 53 (SS) no Arduino Mega. Em ambas as placas o pino digital D10 do Arduino




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é utilizado como SS. Logo esses pinos mais o pino digital D4, que é responsável para controle do cartão micro-SD, não devem ser utilizados como entradas/saídas para seu projeto.

Outra biblioteca importante para execução desse projeto é a biblioteca Ethernet, pois ele permite que o Arduino se conecte à internet. Ela pode ser utilizada como um Servidor (mestre) para aceitar as conexões de entrada ou como um Cliente (escravo), fazendo as de saída. Essa biblioteca suporta até quatro conexões simultâneas de entrada ou

saída, ou ainda uma combinação.

Então os passos abaixo deverão ser seguidos exatamente na mesma sequência que forem apresentados, pois caso contrário correrá o risco de não funcionar:

1. Baixar as bibliotecas SPI e Ethernet da internet (http://arduino.cc/en/Reference/Libraries) e descompactá-

la na pasta libraries do Arduino. Caso a sua versão já possua essa biblioteca esse passo pode ser ignorado. Essa biblioteca não funcionará na IDE (Interface de Desenvolvimento Integrada) do Arduino com versões anteriores a 1.0;

2. Baixar o programa (código) de exemplo chamado Ethernet_Wiz5100_ControlaLED na aba DOWNLOAD do link

http://www.huinfinito.com.br/shields-placas-extensiveis/628-shield-ethernet-rede-wiznet-w5100.html;

3. Plugar o cabo USB no Arduino e conectar no seu computador;

http://arduino.cc/en/Reference/Libraries

http://www.huinfinito.com.br/shields-placas-extensiveis/628-shield-ethernet-rede-wiznet-w5100.html




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4. Abrir a IDE (Interface de Desenvolvimento Integrada) do Arduino clicando no aplicativo “arduino.exe”;

5. No menu da IDE selecione a opção “Ferramentas (Tools)”, “Placa (Board)” e escolha o tipo de Arduino que você está utilizando. No caso desse exemplo estamos utilizando o Arduino UNO;




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6. No menu da IDE selecione a opção “Ferramentas (Tools)”, “Porta Serial (Serial Port)” e defina qual porta COM (Communication) o Arduino está utilizando. No caso desse exemplo foi definida a COM13;




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7. Para abrir o programa Ethernet_Wiz5100_ControlaLED na IDE do Arduino, deve-se selecionar a opção “Abrir (Open)” no menu “Arquivo (Files)”;

8. Será aberta uma janela, onde você deverá navegar até o local onde baixou o arquivo Ethernet_Wiz5100_ControlaLED.ino. Ao encontra-lo selecione-o e pressione o botão “Abrir”;




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9. Após abrir o programa Ethernet_Wiz5100_ControlaLED.ino deve-se carrega-lo no Arduino, pressionando o botão “Carregar (Upload)” logo abaixo da barra de menu. Aguarde até uma mensagem de concluído (Done) ser exibida na IDE. Aconselhamos a fazer uma leitura dos comentários inseridos em cada linha do programa, pois isso facilitará o seu entendimento de como o programa funciona.

10. Finalizado o passo anterior deve-se desconectar o cabo USB do computador;

11. Plugar o Shield Ethernet WIZnet-W5100 no Arduino e conectar o conjunto Arduino + Shield Ethernet a uma fonte externa de 9V a 12V e em seguida conectar o plug RJ45 do cabo ethernet do seu modem (hub ou roteador) de Internet no Shield Ethernet, aguarde de 3 a 5 segundos para dar início ao processo de conexão. Passado esse tempo, caso os LEDs sinalizadores do Shield Ethernet WIZnet-W5100 não acenderem, reset o Arduino. Feito isso o LED sinalizador de alimentação do Shield deverá acender, indicando que ele está sendo alimentado pela fonte externa conectada ao Arduino. Os demais LEDs sinalizadores também devem acender

indicando a existência de um link, o que permitirá a transmissão (full-duplex) de dados.




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12. Para testar a comunicação dos dados entre o Arduino, o Shield e o PC, desconecte o Arduino da fonte externa e volte conectar o cabo USB ao computador e abra a tela Serial Monitor da IDE do Arduino para verificar o seguinte resultado;




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13. Com a comunicação estabelecida abra um navegador de Internet e digite na barra de endereço desse navegador o IP definido nesse programa, que no caso foi: http://192.168.0.177. Ao fazer isso abrirá uma página HTML, onde ao pressionar o botão "Ligar" acederá um LED, que você deverá conectar na portal digital D6 do Arduino.

Ao pressionar o botão "Desligar" apagará o LED, que você deverá conectar na portal digital D6 do Arduino.

http://192.168.0.177/




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Links úteis sobre o Shield Ethernet WIZnet-W5100:

Datasheet W5100

ATENÇÃO!

Esse Tutorial foi desenvolvido para acessar o Shield Ethernet WIZnet-W5100 dentro da sua rede local. Pois para

realizar um acesso fora da sua rede local será necessário fazer um redirecionamento no seu Modem/Roteador,

mas para isso é necessário saber a senha e o usuário de administrador do seu Modem/Roteador. Caso não tenha

conhecimento suficiente para realizar tal procedimento sugerimos acessar o suporte técnico do seu provedor, até

mesmo porque alguns provedores não permitem a realização de um redirecionamento por motivos de segurança.

http://www.wiznet.co.kr/UpLoad_Files/ReferenceFiles/W5100_Datasheet_v1.2.4.pdf

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