Unidad 1: presentación

Sesión 1

En esta sesión vamos a presentarnos, presentar el curso, la comunidad IoT y algunas plataformas para la creación de aplicaciones embebidas en proyectos de IoT.

¿Nos presentamos todos?

Mi nombre es Juan Franco. Estudié Ingeniería electrónica en la UPB, una especialización en automatización en la UPB y una Maestría en Ingeniería con énfasis en sistemas embebidos en la Universidad de Antioquia.

Llevo más de 20 años trabajando con sistemas embebidos.

Comunidad IoT Discord

Para el curso he creado una comunidad en Discord con 3 canales, por ahora, donde realizaremos las sesiones sincrónicas semanales y tendremos un par de foros para preguntas y anuncios en general.

Una vez ingreses al servidor debes esperar a que te asigne un rol. En ese momento tendrás acceso a los canales.

Presentación general del curso

La presentación del curso la encuentras en la Unidad Introducción al curso.

Alternativas para la construcción de aplicaciones

En este curso hemos tomado varias decisiones relativas al hardware y al software que utilizaremos para la construcción del software embebido para las aplicaciones de IoT.

Hemos seleccionado el microcontrolador ESP32 de la empresa Espressif. Este microcontrolador soporta varias plataformas de software:

• Arduino.

• Micropython.

• Zerynth.

• Mongoose OS.

• esp-idf.

De estas, utilizaremos la plataforma esp-idf que es mantenida directamente por el fabricante del microcontrolador. Cabe anotar que las otras plataformas se basan en la esp-idf.

Hay otra plataforma de hardware/software que te quiero recomendar. De varias propuestas que he conocido, la de la empresa Particle es una de las más completas y robustas para realizar aplicaciones comerciales. Es fácil el prototipado y luego el paso a producción también.

Te estarás preguntando ¿Por qué se seleccionó para el curso la opción ESP32/esp-idf?

Algunas razones (que podemos discutir):

• Costo (aunque esto es relativo: tiempo de desarrollo, tiempo al mercado, etc).

• Flexibilidad

• Plataformas probadas y de producción.

Ejercicios

En esta sección te voy a dejar ejercicios para que trabajes esta semana y en la sesión del viernes los revisemos y discutamos entre todos.

Ejercicio 1: reflexión sobre herramientas profesionales

Como ya hemos discutido, este curso se estructura alrededor de un proyecto de PRODUCCIÓN. Aquí la palabra PRODUCCIÓN es clave. En Internet vas a encontrar MUCHOS recursos relacionados con la programación de sistemas embebidos y aplicaciones para IoT; sin embargo, es difícil encontrar información de calidad que te sirva como referencia para producir aplicaciones comerciales.

Son varias las consideraciones que debes tener a la hora de diseñar un sistema embebido para uso comercial, entre ellas, las más importantes en relación al software son:

• Usar frameworks IoT de producción, probados para aplicaciones comerciales y con buen soporte por parte del fabricante. ¿Qué es un framework? son el conjunto de drivers para los periféricos del microcontrolador, el sistema operativo y los componentes de software necesarios para construir aplicaciones IoT completas.

• Es ideal que el framework sea open source. No hay sistemas perfectos y siempre es bueno que tengas la posibilidad de resolver problemas tu mismo.

• Debes considerar que la configuración (provisioning) del dispositivo sea escalable. Por ejemplo, ¿Cómo vas a configurar las credenciales de la red WiFi? ¿Con una aplicación móvil? ¿Vas a utilizar bluetooth? ¿Vas a utilizar un SoftAP y un portal de configuración?

• Debes tener la posibilidad de almacenar fácilmente información que permita identificar de manera única al dispositivo.

• ¿Cómo vas a gestionar el almacenamiento de los certificados de seguridad?

• ¿Vas a encriptar tu programa? ¿Vas a encriptar los datos?

• ¿Las comunicaciones entre tu dispositivo y la nube son seguras?

• ¿Cómo devolver tu dispositivo a su configuración inicial de fábrica?

• Y una de las más importantes: ¿Cómo vas a actualizar de manera escalable y en el campo el software del dispositivo?

¿Ves por qué no es tan fácil hacer un producto IoT comercial?

Ejercicio 2: hardware a comprar para el curso

¿Qué necesitas comprar para realizar el curso?

Ahora lee aquí de qué se trata el proyecto que vamos a construir.

En la siguiente imagen puedes ver un diagrama del proyecto:

No es necesario que prepares un hardware exactamente igual a ese. En nuestro caso podemos simular la entrada y la salida. Por tanto, vamos a necesitar:

• Un sistema de desarrollo para el ESP32. Aquí te dejo varias opciones:

  • Yo tengo este, pero vas a necesitar soldar los terminales o pedir que te lo vendan con los terminales soldados.

  • Este otro viene listo, pero no tiene el conector para la batería externa. Este conectar no lo necesitamos para el curso, pero puede servirte más adelante.

  • Este lo consigues en Bogotá.

  • En este enlace puedes buscar uno similar en mercado libre.

• Cable USB de buena calidad para conectar tu sistema de desarrollo al computador. ESTE requisito es crítico para garantizar el bueno funcionamiento del proyecto. Personalmente yo tengo este que lo venden en la papelería panamericana, pero también lo he visto en Ktronix.

• Proboard

• Pulsador para insertar en el protoboard. Ten presente que tu sistema de desarrollo puede tenerlo. Por ejemplo, este kit ya tiene el pulsador (marcado con la etiqueta Boot en el silkscreen del circuito impreso).

• LED de cualquier color para insertar en el protoboard. Ten presente que tu sistema de desarrollo puede tener el LED. Este, kit lo tiene en el puerto 5.

• Resistencia de 330 ohm para limitar la corriente que le entregaremos al LED. De nuevo, siempre que no tengas el LED en el sistema de desarrollo.

• El pulsador no requiere resistencia de pull-up porque vamos a utilizar la resistencia de pull-up interna y programable del ESP32.

• Cables para conectar todo lo anterior al sistema de desarrollo.

En mi caso te dejo un ejemplo de cómo quedó el montaje con mi sistema de desarrollo:

Ejercicio 3: instalación del software

Ahora que ya tienes el hardware para trabajar, el paso siguiente es que instales las herramientas de software para programar el microcontrolador. Ten en presente que las herramientas funcionan en Windows, MacOS y Linux.

Hay varias versiones de las herramientas y el framework; sin embargo, la versión estable es la recomendada para producción: VERSIÓN 4.2 (no lo olvides).

La documentación que seguiremos para el curso está en este sitio

Sigue los 10 pasos que encontrarás aquí. para la instalación de la herramientas. Recuerda que hay instrucciones para cada sistema operativo.

Ejercicio 4: editor de código

En el ejercicio anterior instalaste dos cosas: el framework esp-idf y las herramientas para generar los programas ejecutables que correrá el ESP32. En este ejercicio vas a instalar un editor de código.

• Descarga e instala en tu sistemas operativo Visual Studio Code. Esta será la herramienta en la cual vas a escribir el código.

• Luego instala la extensión C/C++ que observas la siguiente imagen para mejorar la experiencia de escritura de código C gracias a la característica de IntelliSense.

Ejercicio 5: programa de prueba

En este ejercicio vas a crear una aplicación simple para probar la integración de todas las herramientas que hemos instalada hasta ahora.

• Copia el proyecto esp-idf/examples/get-started/hello_world en una carpeta donde tendrás los proyectos del curso.

• Abre la carpeta del proyecto usando Visual Studio Code.

• Crea en la carpeta raíz del proyecto la carpeta .vscode y dentro de esa carpeta el archivo c_cpp_properties.json. Este último archivo te permitirá autocompletar el código, navegarlo, etc. Debes ver algo similar a esto:

  

  En cuanto al archivo c_cpp_properties.json:

    {
      "env":{
        "IDF_TOOLS":"/home/juanfranco/.espressif/tools",
        "IDF_PATH":"/home/juanfranco/esp-idf-course/esp-idf"
      },
  
      "configurations": [
        {
          "name": "Linux",
          "cStandard": "c11",
          "cppStandard": "c++17",
          "includePath": [
            "${IDF_PATH}/components/**",
            "${IDF_TOOLS}/xtensa-esp32-elf/esp-2020r3-8.4.0/xtensa-esp32-elf/**",
            "${workspaceFolder}/**"
          ],
  
          "browse": {
            "path": [
              "${IDF_PATH}/components",
              "${IDF_TOOLS}/xtensa-esp32-elf/esp-2020r3-8.4.0/xtensa-esp32-elf",
              "${workspaceFolder}"
            ],
          "limitSymbolsToIncludedHeaders": false
          }
        }
      ],
      "version": 4
    }
  

• En el archivo c_cpp_properties.json debes ajustar unas rutas para que queden acordes a tu computador:

    "env":{
        "IDF_TOOLS":"/home/juanfranco/.espressif/tools",
        "IDF_PATH":"/home/juanfranco/esp-idf-course/esp-idf"
    }
  

• Ahora abre el archivo hello_world_main.c y reemplaza el código por este otro:

  #include <stdio.h>
  #include "freertos/FreeRTOS.h"
  #include "freertos/task.h"
  
  void app_main(void)
  {
      for(uint8_t i = 0; i < 10; i++){
          printf("Counter: %d\n", i);
          vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
      }
  }
  

• Abre la terminal:

  • Si estás trabajando en Windows, recuerda que el instalador creó por ti un acceso directo llamado ESP-IDF Command Prompt. Usa ese acceso directo para abrir la terminal en Windows.

  • Si estás trabajando en Linux:

    • Si no instalaste las herramientas en el directorio $HOME/.espressif, define la variable de entorno IDF_TOOLS_PATH para que apunte al directorio donde las tienes:

      export IDF_TOOLS_PATH = .espressif_PATH
      

    • Ejecuta el comando (no olvides escribir el . y luego la ruta.

      . $HOME/esp/esp-idf/export.sh
      

      Si creaste un alias para este comando en el archivo .bashrc ejecútalo:

      get_idf
      

• Cámbiate al directorio donde está el proyecto y ejecuta los comandos:

  idf.py build
  idf.py -p /dev/ttyUSB0 -b 921600 flash monitor
  

  Si todo sale bien deberías ver algo así:

  

• Para terminar el programa monitor presiona CRTL + }.

Ejercicio 6: anexo-hardware

En este curso estamos enfocados en los aspectos de programación de una aplicación embebida para IoT; sin embargo, si te queda tiempo y estás interesado en la parte de hardware, Te voy a invitar a que SIEMPRE, SIEMPRE despliegues una aplicación comercial con un Watchdog Timer externo. Déjame insistir por favor: SIEMPRE.

Te voy a dejar algunos enlaces para que revises luego, PERO por favor, míralos:

• El concepto de Watchdog Timer en general.

• Un ejemplo de uso de un Watchdog Timer externo

• Un ejemplo de un producto comercial que podrías utilizar para aplicaciones de tracking.

Sesión 2

En esta sesión vamos a responder dudas que tengas sobre los ejercicios de esta semana y a discutir algunos conceptos clave del lenguaje de programación C que necesitarás para el proyecto del curso.