Arduinoの基礎 - Ethernet
概要
EthernetシールドとDHCPの利用
ArduinoでEthernetシールド等を使用する場合、プログラムで明示的にIPアドレスを指定するのではなく、
DHCPで自動的にIPアドレスの割り当てを行う方法を記載する。
Arduinoの標準のEthernetライブラリを使用することで、簡単に実現できる。
これは、Ethernet.begin()を呼び出す時、MACアドレスのみを指定することで(IPアドレスは指定しない)、DHCPからIPアドレスを自動で取得できる。
ここでは、Arduino UnoにEthernetシールドを接続している。
以下の例では、シリアルポートに結果を出力するために、Serial.begin()やprintln()を呼び出している。
#include <Ethernet.h>
byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xF0, 0x0D };
void setup()
{
Serial.begin(9600);
Ethernet.begin(mac);
Serial.println(Ethernet.localIP());
}
void loop()
{
}
EthernetシールドとWebサーバの実装
このセクションでは、Arduinoの標準のEthernetライブラリを使用して、単純なWebサーバを実装する。
簡単なWebサーバの実装例はExampleに含まれている。
以下の例では、URIを確認して、HTTPステータスコード 200 OKおよび404 File Not Foundを返している。
Webサーバが必要な評価試験において、以下のようなサンプルコードを動作させるとよい。
IPアドレスはDHCPから自動で取得しており、手動で設定する場合は、Ethernet.begin()で指定する。
また、IPアドレスはシリアルポートに出力しており、
WebブラウザからこのWebサーバに接続する時は、シリアルモニタに表示されたIPアドレスへリクエストを送る。
リクエストラインのみを確認するので、その行だけ特別にバッファ(変数reqLine)にコピーしている。
クライアントからのリクエストを読み込みんだ後、バッファを確認してメソッドとURIを取得する。
もし、長いリクエストが来た場合、途中まで読み込む。
Content-Lenghをセットしない代わりに、データ区切りとしてConnection closeする。
効率は悪いが、単一クライアントのみ接続が可能なので、1つずつのリクエスト処理は短くする必要がある。
#include <Ethernet.h>
byte mac[] = { 0xDE,0xAD,0xBE,0xEF,0xF0,0x0D };
EthernetServer server(80);
void setup()
{
Serial.begin(9600);
Ethernet.begin(mac);
Serial.println(Ethernet.localIP());
server.begin();
}
void loop()
{
EthernetClient client = server.available();
if(client)
{
Serial.println("*** New Client ***");
boolean currentLineIsBlank = true;
boolean requestLineRead = false;
char reqLine[64] = {0};
char *p = reqLine;
char *method = NULL;
char *uri = NULL;
const char delims[2] = " ";
while(client.connected())
{
char c = client.read();
// Serial.write( c );
// Query
if(!requestLineRead && (p - reqLine ) < (sizeof(reqLine) - 1) && c != '\r' && c != '\n' )
{
*p = c;
p++;
}
if(c == '\n' && currentLineIsBlank)
{
// Parse Query
p = strtok(reqLine, delims);
while( p )
{
if(!method)
{
method = p;
}
else if(!uri)
{
uri = p;
}
p = strtok(NULL, delims);
}
// Send Response
if(!strcmp(method, "GET") && !strcmp(uri, "/pic"))
{
client.println("HTTP/1.1 200 OK");
client.println("Content-Type: text/plain");
client.println("Connection: close");
client.println();
client.println("OK!");
}
else
{
client.println("HTTP/1.1 404 Not Found");
client.println("Content-Type: text/plain");
client.println("Connection: close");
client.println();
client.println("File Not Found");
}
break;
}
if(c == '\n')
{
currentLineIsBlank = true;
if(!requestLineRead)
{
requestLineRead = true;
}
}
else if(c != '\r')
{
currentLineIsBlank = false;
}
}
delay( 10 );
client.stop();
Serial.println("Client disconnected");
}
}
EthernetシールドとArduinoの遠隔操作
Arduinoのメリットの1つに、各種シールドと開発環境における各種ライブラリの存在が挙げられる。
例えば、Arduino UnoをLANに接続するには、Ethernetシールドのみ準備することで、Arduino Unoにネットワーク機能を追加することができる。
そして、そのネットワーク機能はハードウェアの違いを意識せずに、Ethernetライブラリを使用することで実現できる。
さらに、プログラミングインターフェイスとして、ソケットよりも抽象化されたサーバオブジェクトとクライアントオブジェクトが用意されている。
このセクションでは、ArduinoとEthernetシールドを使用したLED遠隔操作ソフトウェアを作成する。
ホストPC上のソフトウェアONボタンまたはOFFボタンを押下することで、Arduinoに接続されたLEDを制御する。
また、ArduinoとホストPCは、有線LANケーブルを使用してルータまたはハブに接続する。
Arduinoのソースコードでは、TCP 50000番をリスニングしており、データS:1を受信するとLEDを点灯、データS:0を受信するとLEDを消す。
ホストPCのソフトウェアでは、ONボタンを押下した時はArduinoにデータS:1を送信、OFFボタンを押下した時はデータS:0を送信する。
このようなクライアントとサーバ間のデータ通信の取り決めのことを、プロトコルという。
次に、ArduinoにEthernetシールドを接続する。
下図に、Ethernetシールドの表面と裏面、接続図を示す。
下図に、ArduinoとLEDの接続を示す。
8番ピンのデジタル出力を使用している。
ここでは、抵抗は470[Ω]を使用しており、流れる電流はである。
![{\displaystyle I={\frac {5{\mbox{[V]}}-2.1{\mbox{[V]}}}{470[\Omega ]}}=6{\mbox{[mA]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7540f4a81c62bc82e1155dda9d7c07252bc814d2)
以下に、Arduino Unoのソースコードを記述する。
データS:1でLEDを点灯、データS:0でLEDを消す。その他のデータを受信した場合、クライアントがそのデータを捨てる。
1バイトずつにデータを取得するため、下図のような状態遷移となる。
MACアドレスは、一意性のある6バイトを設定する。(ここでは、0xDE 0xAD 0xBE 0xEF 0xF0 0x0Dとしている)
ネットワークアドレスは192.168.1.0/24、ArduinoのIPアドレスは192.168.1.10(固定)、ポート番号は、TCP 50000番とする。
#include <EthernetServer.h>
#include <Ethernet.h>
#include <EthernetClient.h>
#include <Dhcp.h>
#include <Dns.h>
#include <EthernetUdp.h>
byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xF0, 0x0D };
byte ip[] = { 192, 168, 1, 10 };
EthernetServer server(50000);
const int STATE_INIT = 0;
const int STATE_1 = 1;
const int STATE_2 = 2;
const int STATE_3 = 3;
const int PIN_LED = 8;
void setup()
{
Ethernet.begin( mac, ip );
server.begin();
pinMode( PIN_LED, OUTPUT );
digitalWrite( PIN_LED, LOW );
}
void loop()
{
EthernetClient client = server.available();
int state = STATE_INIT;
int i;
if(client)
{
while(client.connected())
{
while( ( i = client.read() ) != -1 )
{
if( state == STATE_INIT )
{
if( i == 'S' )
{
state = STATE_1;
}
else
{
client.stop();
break;
}
}
else if( state == STATE_1 )
{
if( i == ':' )
{
state = STATE_2;
}
else
{
state = STATE_INIT;
client.stop();
break;
}
}
else if( state == STATE_2 )
{
if( i == '1' )
{
switch_led(1);
client.print("OK");
}
else if( i == '0' )
{
switch_led(0);
client.print("OK");
}
state = STATE_INIT;
client.stop();
break;
}
}
}
}
}
void switch_led(int on)
{
digitalWrite( PIN_LED, on ? HIGH : LOW );
}
最後に、ホストOSのソフトウェア(.NET FrameworkのTcpClientクラスを使用)のソースコードを記述する。
ここでは、Windowsで利用可能なC#と.NET Frameworkを利用して、上述のプロトコルをサポートするTCPクライアントを作成する。
下図に示すソフトウェアのUIでは、ArduinoのIPアドレスとポート番号を指定できるようにしている。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
namespace LightApp
{
public partial class Form1 : Form
{
public Form1()
{
InitializeComponent();
}
private void button1_Click( object sender, EventArgs e )
{
SendCommand( true );
}
private void button2_Click( object sender, EventArgs e )
{
SendCommand( false );
}
void SendCommand( bool on )
{
try
{
var port = int.Parse(textBox2.Text);
using(var client = new TcpClient(textBox1.Text, port))
{
using(NetworkStream stream = client.GetStream())
{
// データの送信 "S:0" または "S:1"
Byte[] TxData = System.Text.Encoding.ASCII.GetBytes(string.Format("S:{0}", on ? "1" : "0"));
stream.Write(TxData, 0, TxData.Length);
// データの受信
var RxData = new Byte[256];
Int32 bytes = stream.Read(RxData, 0, RxData.Length);
String responseData = System.Text.Encoding.ASCII.GetString(RxData, 0, bytes);
}
}
}
catch(Exception ex)
{
MessageBox.Show(ex.Message, "Switch", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);
}
}
}
}