Conforme vimos no artigo “Como utilizar o sensor de temperatura e umidade relativa DHT22 com o NodeMCU”, é possível utilizar o NodeMCU juntamente com o sensor DHT22 para obter informações de temperatura ambiente e umidade relativa do ar, bem como a temperatura máxima e mínima.
Neste artigo vamos expandir um pouco mais este projeto, onde será possível ver via Internet o resultado das informações coletadas pelos sensores. Neste projeto também aprenderemos como utilizar o protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) utilizando o Arduino IDE para programação.
Materiais necessários
Para reproduzir este projeto, iremos precisar dos seguintes materiais:
Um NodeMCU
Um sensor DHT22
Um resistor de 10k / 0,25W
Um protoboard (qualquer modelo de 400 pontos ou maior)
Alguns jumpers do tipo macho-macho
Um cabo micro-USB comum
É importante ressaltar que será necessário também possuir conectividade WI-FI (com acesso à Internet disponível) no local que o NodeMCU for ficar.
MQTT - informações gerais
O MQTT (Message Queue Telemetry Transport) é em um protocolo de mensagens leve / light-weight criado em 1999. O objetivo original dele era ser um protocolo adequado para comunicação entre máquinas em rede (tanto local como Internet). Este tipo de comunicação é referenciada na literatura técnica como M2M (Machine to Machine). Pelo fato de não utilizar alto poder computacional (processamento e uso de memória RAM), assim como não utilizar alta banda de Internet, o MQTT é um dos protocolos mais adequados para comunicação M2M e telemetria em dispositivos embarcados de forma geral. Justamente por isso, o MQTT é famoso no conceito IoT (Internet of Things).
Uma comunicação MQTT é composta das seguintes partes:
Publishers: o(s) dispositivo(s) que irá (irão) disponibilizar informações.
Subscribers: o(s) dispositivo(s) que irá (irão) receber as informações.
Broker: este é o servidor da comunicação MQTT. Ele fica “na nuvem” (é acessível de qualquer lugar do mundo com conexão com à Internet). Teoricamente, não há limites máximo e mínimo especificados de subscribers e publishers em uma mesma comunicação MQTT, portanto a escalabilidade de uma comunicação MQTT pode ser altíssima.
Dizendo em outras palavras: os dispositivos publishers enviam informações para o Broker. Por sua vez, os dispositivos subscribers recebem tais informações do Broker e ele gerencia a troca de mensagens. Ou seja, o “trabalho pesado” de sincronizar o envio e recebimento fica sob inteira responsabilidade do Broker, o que faz com que os sistemas embarcados (publishers e subscribers) fiquem livre para gerenciar outras coisas. Então além de utilizar poucos recursos computacionais, é possível afirmar que o MQTT leva a uma redução de consumo energético (se comparado a alguns outros protocolos de comunicação).
Observe o diagrama da comunicação MQTT mostrado na figura 1.
Sem entrar no mérito da especificação oficial do protocolo MQTT, uma mensagem MQTT publicada / enviada possui duas partes importantes:
Tópico: “chave” / identificação da informação publicada. É usado para direcionar a informação publicada / enviada a quem assina (quem “dá subscribe”) no tópico. O tópico consiste de uma string (por exemplo: MQTTTesteTopico)
Payload: informação que deseja enviar (propriamente dita).
Um publisher, conectado ao Broker (servidor MQTT) , envia/publica as informações em um dado momento. Os subscribers, assim como os publishers, também estão conectados aos brokers e “escutando” mensagens trafegadas com o tópico-alvo. Quando uma mensagem com o tópico alvo é publicada, automaticamente são direcionadas aos subscribers.
Em outras palavras: uma solução em IoT que usa MQTT possui somente um servidor (Broker), sendo todo o restante composto de clients MQTT.
Circuito esquemático
O circuito esquemático aqui é idêntico ao visto no artigo “Como utilizar o sensor de temperatura e umidade relativa DHT22 com o NodeMCU”. Veja-o na figura 2.
Instalação da biblioteca para comunicação MQTT
Agora chegou a hora de instalarmos a biblioteca PubSubClient, biblioteca na qual permitirá com que o NodeMCU se comunique com a Internet utilizando o protocolo MQTT. Tal biblioteca é open-source, podendo ser obtida gratuitamente em: https://github.com/knolleary/pubsubclient
Para instalar esta biblioteca, vamos seguir o procedimento abaixo:
1. Acesse o repositório da biblioteca (https://github.com/knolleary/pubsubclient) e baixe-a clicando em “Clone or Download” e depois em “Download ZIP” , conforme mostra a figura 3.
Guarde o arquivo ZIP baixado em uma pasta conhecida / de fácil acesso para você
2. Agora, na Arduino IDE, vamos instalar a biblioteca que acabamos de baixar. Para isso, vamos clicar no menu “Sketch”, depois em “Incluir Biblioteca” e, por fim, clicar em “Adicionar biblioteca .ZIP”, conforme a figura 4.
3. Na janela que abrir, procure pela arquivo da biblioteca que você baixou (conforme passo 1 deste procedimento) e clique em “Abrir”. Desta forma, concluímos a instalação da biblioteca PubSubClient!
Visão geral do projeto
Este projeto trata-se de uma extensão do projeto abordado no artigo “Como utilizar o sensor de temperatura e umidade relativa DHT22 com o NodeMCU”, a diferença deste aqui é que vamos disponibilizar os dados coletados pelos sensores na internet utilizando o protocolo MQTT.
Portanto, o algoritmo que usaremos para coletar instantaneamente os dados das medições de temperatura ambiente, é o mesmo para coletarmos os dados dos sensores de umidade relativa do ar, temperatura máxima e temperatura mínima, sendo assim o que mudará aqui será apenas a parte de publicar as informações via MQTT.
Sendo assim, as funcionalidades deste projeto são:
Medição da temperatura (ºC) e umidade relativa do ar a cada cinco segundos.
Em complemento, o projeto contabilizará a máxima e mínima temperatura medidas em todo o período de funcionamento.
As medições (temperatura e umidade relativa do ar atuais e máximas e mínimas registradas) serão formatadas em strings. Tais mensagens / strings com as medições poderão ser lidas pelo monitor serial da própria Arduino IDE. Ou seja, a mensagem será enviada pela USB (USB-CDC) do NodeMCU.
Disponibilização das medições de temperatura ambiente instantânea, umidade relativa do ar instantânea, temperatura máxima e temperatura mínima via MQTT.
Observações:
a) Será utilizado o Broker iot.eclipse.org, um Broker free disponível a todos que desejam fazer experimentos com MQTT.
b) As informações via MQTT poderão ser lidas utilizando um client MQTT qualquer. Uma sugestão de client MQTT é o MQTTLens, que pode ser obtido gratuitamente no endereço: https://chrome.google.com/webstore/detail/mqttlens/hemojaaeigabkbcookmlgmdigohjobjm?hl=pt-BR
Código-fonte do projeto
Abaixo, segue o código-fonte do projeto. Leia com atenção seus comentários para total compreensão do mesmo. Conforme explicado nos comentários, não se esqueça de colocar em SSID e PASSWORD o nome de sua rede WI-FI e a senha dela, respectivamente.
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Caso contrário, há grandes // chances de você controlar e monitorar o NodeMCU // de outra pessoa (pois o broker utilizado contém // dispositivos do mundo todo). Altere-o para algo // o mais único possível para você. #define ID_MQTT "INCBTempUmid" //id mqtt (para identificação de sessão) //IMPORTANTE: este deve ser único no broker (ou seja, // se um client MQTT tentar entrar com o mesmo // id de outro já conectado ao broker, o broker // irá fechar a conexão de um deles). Pelo fato // do broker utilizado conter dispositivos do mundo // todo, recomenda-se fortemente que seja alterado // para algo o mais único possível para você. #define TEMPO_MINIMO_ENTRE_LEITURAS_DHT22 5000 //tempo mínimo recomendado entre leituras do sensor SHT22 (em ms) /* * Variáveis, constantes e objetos globais */ //objeto para comunicação com sensor DHT22 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); //variáveis que armazenam os valores máximo e mínimo de temperatura registrados. float TemperaturaMax; float TemperaturaMin; // WIFI const char* SSID = " "; // coloque aqui o SSID / nome da rede WI-FI que deseja se conectar const char* PASSWORD = " "; // coloque aqui a senha da rede WI-FI que deseja se conectar // MQTT const char* BROKER_MQTT = "iot.eclipse.org"; //URL do broker MQTT que se deseja utilizar int BROKER_PORT = 1883; // Porta do Broker MQTT //Variáveis e objetos globais WiFiClient espClient; // Cria o objeto espClient PubSubClient MQTT(espClient); // Instancia o Cliente MQTT passando o objeto espClient /* * Prototypes */ void AtualizaTemperaturaMaxEMinima(float TempLida); void EnviaMedicoesParaSerial(float TempLida, float UmidLida, float TempMax, float TempMin); void initWiFi(void); void initMQTT(void); void reconectWiFi(void); void reconnectMQTT(void); void VerificaConexoesWiFIEMQTT(void); /* * Implementações */ //Função: inicializa e conecta-se na rede WI-FI desejada //Parâmetros: nenhum //Retorno: nenhum void initWiFi(void) { delay(10); Serial.println("------Conexao WI-FI------"); Serial.print("Conectando-se na rede: "); Serial.println(SSID); Serial.println("Aguarde"); reconectWiFi(); } //Função: inicializa parâmetros de conexão MQTT(endereço do broker e porta) //Parâmetros: nenhum //Retorno: nenhum void initMQTT(void) { //informa qual broker e porta deve ser conectado MQTT.setServer(BROKER_MQTT, BROKER_PORT); } //Função: reconecta-se ao broker MQTT (caso ainda não esteja conectado ou em caso de a conexão cair) // em caso de sucesso na conexão ou reconexão, o subscribe dos tópicos é refeito. //Parâmetros: nenhum //Retorno: nenhum void reconnectMQTT(void) { while (!MQTT.connected()) { Serial.print("* Tentando se conectar ao Broker MQTT: "); Serial.println(BROKER_MQTT); if (MQTT.connect(ID_MQTT)) Serial.println("Conectado com sucesso ao broker MQTT!"); else { Serial.println("Falha ao reconectar no broker."); Serial.println("Havera nova tentatica de conexao em 2s"); delay(2000); } } } //Função: reconecta-se ao WiFi //Parâmetros: nenhum //Retorno: nenhum void reconectWiFi(void) { //se já está conectado a rede WI-FI, nada é feito. //Caso contrário, são efetuadas tentativas de conexão if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) return; WiFi.begin(SSID, PASSWORD); // Conecta na rede WI-FI while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(100); Serial.print("."); } Serial.println(); Serial.print("Conectado com sucesso na rede "); Serial.print(SSID); Serial.println("IP obtido: "); Serial.println(WiFi.localIP()); } //Função: verifica o estado das conexões WiFI e ao broker MQTT. // Em caso de desconexão (qualquer uma das duas), a conexão // é refeita. //Parâmetros: nenhum //Retorno: nenhum void VerificaConexoesWiFIEMQTT(void) { reconectWiFi(); //se não há conexão com o WiFI, a conexão é refeita if (!MQTT.connected()) reconnectMQTT(); //se não há conexão com o Broker, a conexão é refeita } //Função: verifica se os valores de temperatura máxima e mínima devem ser atualizados //Parâmetros: temperatura lida //Retorno: nenhum void AtualizaTemperaturaMaxEMinima(float TempLida) { if (TempLida > TemperaturaMax) TemperaturaMax = TempLida; if (TempLida < TemperaturaMin) TemperaturaMin = TempLida; } //Função: envia, na forma de mensagens textuais, as medições para a serial e broker MQTT //Parâmetros: - Temperatura lida // - Umidade relativa do ar lida // - Máxima temperatura registrada // - Mínima temperatura registrada //Retorno: nenhum void EnviaMedicoesParaSerialEBrokerMQTT(float TempLida, float UmidLida, float TempMax, float TempMin) { char Mensagem[50]; char MensagemMQTT[200]; char i; //pula 80 linhas, de forma que no monitor serial seja exibida somente as mensagens atuais (impressao de refresh de tela) for(i=0; i<80; i++) Serial.println(" "); //limpa mensagem as er enviada via MQTT memset(MensagemMQTT,0,sizeof(MensagemMQTT)); //constrói mensagens e as envia //- temperatura atual memset(Mensagem,0,sizeof(Mensagem)); sprintf(Mensagem,"Temperatura: %d C",(int)TempLida); Serial.println(Mensagem); strcat(MensagemMQTT,Mensagem); strcat(MensagemMQTT,", "); //- umidade relativa do ar atual memset(Mensagem,0,sizeof(Mensagem)); sprintf(Mensagem,"Umidade atual: %d \%",(int)UmidLida); Serial.println(Mensagem); strcat(MensagemMQTT,Mensagem); strcat(MensagemMQTT,", "); //- temperatura maxima memset(Mensagem,0,sizeof(Mensagem)); sprintf(Mensagem,"Temperatura maxima: %d C",(int)TempMax); Serial.println(Mensagem); strcat(MensagemMQTT,Mensagem); strcat(MensagemMQTT,", "); //- temperatura minima memset(Mensagem,0,sizeof(Mensagem)); sprintf(Mensagem,"Temperatura minima: %d C", (int)TempMin); Serial.println(Mensagem); strcat(MensagemMQTT,Mensagem); MQTT.publish(TOPICO_PUBLISH, MensagemMQTT); } void setup() { //configura como saída o GPIO do LED do soldado no NodeMCU pinMode(D0, OUTPUT); digitalWrite(D0, HIGH); //configura comunicação serial (para enviar mensgens com as medições) //e inicializa comunicação com o sensor. Serial.begin(115200); dht.begin(); //inicializa temperaturas máxima e mínima com a leitura inicial do sensor TemperaturaMax = dht.readTemperature(); TemperaturaMin = TemperaturaMax; //inicializações do WI-FI e MQTT initWiFi(); initMQTT(); } /* * Programa principal */ void loop() { float TemperaturaLida; float UmidadeLida; //garante funcionamento das conexões WiFi e ao broker MQTT VerificaConexoesWiFIEMQTT(); //Faz a leitura de temperatura e umidade do sensor TemperaturaLida = dht.readTemperature(); UmidadeLida = dht.readHumidity(); //se houve falha na leitura do sensor, escreve mensagem de erro na serial if ( isnan(TemperaturaLida) || isnan(UmidadeLida) ) Serial.println("Erro ao ler sensor DHT22!"); else { //Se a leitura foi bem sucedida, ocorre o seguinte: // - Os valores mínimos e máximos são verificados e comparados à medição atual de temperatura // se a temperatura atual for menor que a mínima ou maior que a máxima até então // registrada, os limites máximo ou mínimo são atualizados. // - As medições (temperatura, umidade, máxima temperatura e mínima temperatura) são // enviados pela serial na forma de mensagem textual e via MQTT para o Broker na Internet. // Tais mensagens podem ser vistas também no monitor serial. AtualizaTemperaturaMaxEMinima(TemperaturaLida); EnviaMedicoesParaSerialEBrokerMQTT(TemperaturaLida, UmidadeLida, TemperaturaMax, TemperaturaMin); //pisca o LED rapidamente (sinalizando que a informação foi enviada por MQTT) digitalWrite(D0, HIGH); delay(200); digitalWrite(D0, LOW); delay(200); digitalWrite(D0, HIGH); } //keep-alive da comunicação com broker MQTT MQTT.loop(); //espera tempo minimo recomendado entre leituras do sensor delay(TEMPO_MINIMO_ENTRE_LEITURAS_DHT22); } |
Para compilar, enviar o software compilado ao NodeMCU e começar sua execução, basta seguirmos os mesmos passos de artigo NodeMCU – primeiros passos (MIC160) - http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/microcontrolador/143-tecnologia/14268-nodemcu-primeiros-passos-mic160.
Assim que o Upload for feito para o NodeMCU, siga o passo-a-passo abaixo para ver o projeto funcionar.
1. Na Arduino IDE, clique em “Ferramentas” e depois em “Monitor serial”, conforme ilustra a figura 5. Se preferir, pode utilizar o atalho de teclado Ctrl + Shift + M.
2. Na janela do monitor serial, vamos ajustar a velocidade em 115200bps, conforme mostra a figura 6.
3. Podemos observar as mensagens com as medições aparecendo de cinco em cinco segundos no monitor serial, conforme ilustrado na figura 7
4. Assumindo que vamos utilizar o MQTTLens como cliente de MQTT, abra-o e clique em “Connections +”.
5. Agora, vamos preencher os campos “Connection name” e “Hostname” da janela “Add a new Connection” conforme a figura 8. Deixe os demais campos como estão.
6. No final da tela “Add a new Connection”, devemos agora clicar em “CREATE CONNECTION”.
7. Automaticamente, o cliente MQTTLens irá se conectar ao broker. No campo Subscribe, vamos preencher com o TOPICO_PUBLISH utilizado no código-fonte do projeto (para o exemplo dado: MQTTINCBTempUmid). Em seguida, clicaremos no botão SUBSCRIBE (em verde, à direita do campo).
8. Se o NodeMCU estiver funcionando / ligado, iremos ver as mensagens com as medições, conforme mostra a figura 9.
9. Pronto! Agora de qualquer lugar do mundo é possível saber quais são as medições feitas pelo projeto!!
Conclusão
Neste artigo, vimos como incrementar o projeto “Como utilizar o sensor de temperatura e umidade relativa DHT22 com o NodeMCU”, acrescentando a ele a funcionalidade de publicar as medições na Internet via MQTT. Tal funcionalidade permitirá que sejam vistas as medições feitas em qualquer lugar do planeta, desde que haja conexão à Internet disponível.
Tal projeto pode ser usado como base para qualquer projeto que requer algum tipo de telemetria pela Internet.
Referências / artigos relacionados
https://www.filipeflop.com/blog/controle-monitoramento-iot-nodemcu-e-mqtt/
http://www.dobitaobyte.com.br/como-usar-mqtt-com-arduino/
https://www.filipeflop.com/blog/planta-iot-com-esp8266-nodemcu/
