Programación concurrente orientada a eventos en Arduino para IoT v8

99 Pages·2017·3.19 MB·Spanish

by  Aitor Cantero

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE
MADRID

ESCUELA UNIVERSITARIA
DE INGENIERÍA TÉCNICA
DE TELECOMUNICACIÓN

PROYECTO DE FIN DE CARRERA

PROGRAMACIÓN CONCURRENTE
ORIENTADA A EVENTOS EN ARDUINO PARA
EL INTERNET DE LAS COSAS

AITOR CANTERO ROMERO
SEPTIEMBRE 2017
!

Resumen

Este
 proyecto
 fin
 de
 carrera
 propone
 enmarcar
 en
 un
 contexto
 tecnológico

el
 desarrollo
 de
 una
 aplicación
 para
 Internet
 de
 las
 Cosas,
 desde
 una
 línea
 de

trabajo
 concreta,
 en
 la
 que
 se
 incluye
 el
 paradigma
 de
 la
 programación
 dirigida
 por

eventos
 y
 una
 plataforma
 hardware
 y
 software
 libre
 como
 Arduino.

Para
 ello
 se
 incluye
 el
 estudio
 y
 la
 comparativa
 de
 las
 diferentes
 opciones

existentes
 para
 cada
 uno
 de
 los
 elementos
 constituyentes
 del
 sistema
 completo,
 así

como
 la
 realización
 de
 un
 caso
 práctico,
 particularizado
 en
 un
 sistema
 de
 control

de
 congestión
 de
 tráfico
 mediante
 semáforos
 inteligentes.
Abstract

This
  final
  project
  aims
  to
  frame
  an
  Internet
  of
  Things

application
 development
 in
 a
 technological
 context,
 from
 a
 concrete
 line
 of
 work,

which
 includes
 event-­‐driven
 programming
 paradigm
 and
 free
 hardware-­‐software

platform
 as
 Arduino.

This
 includes
 the
 study
 and
 comparison
 of
 the
 different
 available
 options

for
 each
 constituent
 element
 of
 the
 entire
 system.

It
 wraps
 up
 with
 the
 realization
 of
 a
 practical
 case,
 particularized
 in
 a
 traffic

congestion
 control
 system
 using
 smart
 traffic
 lights.
Aitor&Cantero&Romero&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Programación&concurrente&orientada&a&eventos&en&
Arduino&para&el&Internet&de&las&Cosas&&
Índice!
Capitulo!1:!Introducción!y!objetivos!.........................................................................................!9!
1.1! Introducción!.........................................................................................................................!9!
1.2! Objetivos!..............................................................................................................................!10!
Capítulo!2:!Definiciones!previas!................................................................................................!11!
2.1!Computadora!.........................................................................................................................!11!
2.2!Procesador!..............................................................................................................................!14!
2.3!Núcleo,!multiprocesador,!multinúcleo!y!computación!distribuida!...............!14!
2.3!Microcontrolador.!................................................................................................................!15!
2.4!Sistema!Operativo!...............................................................................................................!16!
2.6!Procesos!e!hilos!....................................................................................................................!20!
2.7!Programación!concurrente!.............................................................................................!22!
2.8!Programación!dirigida!por!eventos!.............................................................................!24!
2.9!Internet!de!las!cosas!...........................................................................................................!25!
Capítulo!3:!Hardware!.....................................................................................................................!29!
3.1!Arduino!....................................................................................................................................!29!
3.2!Comparativa!frente!a!la!competencia.!Arduino!vs!PIC!........................................!31!
Capitulo!4:!Software!.......................................................................................................................!33!
4.1!Estado!del!arte.!Estudio!de!las!diferentes!opciones!.............................................!33!
4.2!Basadas!en!Sistemas!Operativos!...................................................................................!33!
4.2.1!QPTMWnano!......................................................................................................................!33!
4.2.2!RTuinOS!..........................................................................................................................!36!
4.2.3!Contiki!OS!.......................................................................................................................!40!
4.3!Basadas!en!lenguaje!de!programación!.......................................................................!43!
4.3.1!OccamW!π!.........................................................................................................................!43!
4.3.2!Protothreads!.................................................................................................................!46!
Capitulo!5.!Conectividad!...............................................................................................................!51!
5.1!Consideraciones!previas!...................................................................................................!51!
5.1.1!Modelo!OSI!.....................................................................................................................!51!
5.1.2!Modelo!TCP/IP!.............................................................................................................!53!
5.1.3!Internet.!IPv4!e!IPv6.!.................................................................................................!54!
5.1.4!Conceptos!de!IPv6!......................................................................................................!56!
5.1.5!Autoconfiguración!de!dirección!IPv6.!SLAAC!.................................................!59!
! 7!
Aitor&Cantero&Romero&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Programación&concurrente&orientada&a&eventos&en&
Arduino&para&el&Internet&de&las&Cosas&&
5.1.6!Topologías!de!Red!.......................................................................................................!61!
5.2!Tecnologías!de!red!local!inalámbrica!.........................................................................!64!
5.2.1!WiWFi!.................................................................................................................................!64!
5.2.2!Bluetooth!4.0!.................................................................................................................!66!
5.2.3!ZigBee!...............................................................................................................................!67!
5.2.4!ANT!....................................................................................................................................!69!
5.2.5!Comparativa!entre!WiWFi,!Bluetooth!4.0,!ZigBee!y!ANT!.............................!71!
Capitulo!6.!!Caso!práctico.!Aplicación!Semáforo!Conectado!..........................................!75!
6.1!Automaton!framework!......................................................................................................!75!
6.1.1!“Hola!mundo”!en!Automaton!.................................................................................!77!
6.1.2!¿Cómo!funciona?!..........................................................................................................!78!
6.1.2.1!La!clase!Machine!.................................................................................................!78!
6.1.2.2!La!clase!Automaton!...........................................................................................!82!
6.1.2.3!La!comunicación!entre!máquinas!................................................................!82!
6.1.3!Creación!de!componentes!propios!......................................................................!84!
6.2!Microcontrolador!ESP8266!.............................................................................................!87!
6.3!Diseño!.......................................................................................................................................!88!
6.4!Protocolo!de!comunicaciones!de!red.!REST!.............................................................!90!
6.5!Implementación!...................................................................................................................!92!
Capítulo!8.!Conclusiones!............................................................................................................!105!
Capítulo!9.!Bibliografía!...............................................................................................................!107!
!
! !
!8!
Aitor&Cantero&Romero&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Programación&concurrente&orientada&a&eventos&en&
Arduino&para&el&Internet&de&las&Cosas&&
Capitulo&1:&Introducción&y&objetivos&
1.1 Introducción&
Actualmente!y!debido!al!auge!principalmente!de!Internet!de!las!Cosas!(IoT,!
Internet!of!Things)!el!paradigma!de!la!programación!orientada!a!eventos!es!cada!
vez!más!popular.!La!esencia!de!este!modelo!de!programación!en!lugar!de!tratar!los!
procesos!secuencialmente,!los!formula!como!procesos!aislados,!independientes,!
que!son!lanzados!en!el!momento!en!que!se!requieran.!En!definitiva,!es!un!modelo!
orientado! a! sistemas! reactivos:! sistemas! que! hacen! algo! (reaccionan)! cuando!
ocurre!algo!(un!evento).!Esta!filosofía!se!puede!resumir!en!una!frase:!
!
Esto sucede cuando eso sucede
!
Esto! es! la! reacción! (ubicada! en! el! futuro! inmediato).! Eso! es! el! evento!
(ubicado!en!el!pasado!inmediato).!Cuando!es!la!asociación!evento–reacción.!Esta!
relación!puede!o!no!estar!restringida!a!un!intervalo!de!tiempo!crítico!(como!es!el!
caso!de!los!sistemas!de!tiempo!real).!De!esta!manera!se!forman!redes!de!acción–
reacción! que! regulan! el! comportamiento! del! sistema! (como! es! el! caso! de! las!
máquinas!de!estado!finito)!pero!que!cada!esto!funciona!independientemente!del!
resto.!
En! el! ámbito! de! Internet! de! las! Cosas,! las! cosas, son! heterogéneas! e!
interconectadas.! Una! cosa! es! algo! que! puede! hacer! algo.! Un! sistema! de!
computación! (grande! o! pequeño)! con! capacidad! de! procesar! y! transmitir!
información.!!
En!este!proyecto!se!desarrolla!el!concepto!de!la!programación!orientada!a!
eventos,!las!diferentes!iniciativas!posibles!y!se!implementa,!a!modo!de!ejemplo,!
una!estrategia!particular!de!este!paradigma!basada!en!máquinas!de!estado!sobre!la!
plataforma! de! desarrollo! de! prototipos! Arduino! (un! proyecto! de! software! y!
hardware!de!libre!distribución!barato!y!simple).!
El!desarrollo!final,!es!un!mero!ejemplo!de!las!tecnologías,!métodos!y!vías!de!
programación!que!permiten!conseguir!un!proyecto!de!esta!índole,!con!la!idea!de!
que!pueda!ser!tenida!en!consideración!y/o!aplicada!por!siguientes!desarrolladores.!
! !
! 9!
Aitor&Cantero&Romero&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Programación&concurrente&orientada&a&eventos&en&
Arduino&para&el&Internet&de&las&Cosas&&
1.2 Objetivos&
El!objetivo!de!este!proyecto!es!realizar!un!estudio!sobre!las!vías!posibles!
para!programar!de!manera!concurrente!y!orientada!a!eventos!en!general,!en!un!
microcontrolador! Arduino! en! particular,! utilizando! los! protocolos! de!
comunicación!necesarios,!para!el!Internet!de!las!Cosas.!
A!lo!largo!de!este!proyecto!se!presentan!una!serie!de!conceptos!previos!
necesarios!para!enmarcar!el!problema!que!se!afronta.!!También!se!va!a!sondear!el!
estado!actual!de!la!tecnología,!tanto!física!como!lógica,!para!justificar!la!elección!de!
la!propuesta!adoptada.!
Para!concluir,!se!documenta!un!ejemplo!de!un!proyecto!completo!a!modo!
de!demostración,!comprendiendo!en!la!medida!de!lo!posible,!la!modularidad!y!
heterogeneidad!que!el!Internet!de!las!Cosas!admite.!
Dado! el! carácter! abierto! del! estudio! realizado,! se! puede! utilizar! la!
experiencia!documentada!en!esta!memoria!como!guía!para!un!proyecto!donde!
encajen!mejor!otras!vías!no!elegidas!por!su!autor.!
! &
!10!
Aitor&Cantero&Romero&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Programación&concurrente&orientada&a&eventos&en&
Arduino&para&el&Internet&de&las&Cosas&&
Capítulo&2:&Definiciones&previas&
2.1&Computadora&
“La! computadora! (del! inglés:! computer;! y! este! del! latín:! computare,!
'calcular'),! también! denominada! computador! y! ordenador,! es! una! máquina!
electrónica! que! recibe! y! procesa! datos,! para! convertirlos! en! información!
conveniente!y!útil,!que!pueda!ser!analizada!y!utilizada!por!humanos.!Un!ordenador!
está! formado! físicamente! por! numerosos! circuitos! integrados! y! muchos!
componentes!de!apoyo,!extensión!y!accesorios,!que!en!conjunto!pueden!ejecutar!
tareas!diversas!con!suma!rapidez!y!bajo!el!control!de!un!programa!(software).”!!
Las!partes!que!componen!un!ordenador!apenas!han!variado!desde!que!se!
construyese!la!primera!computadora!digital!en!1946,!llamada!ENIAC.!Estas!partes,!
como!mínimo,!son:!procesador,!memoria!principal,!periféricos!de!entrada/salida!y!
sus!interconexiones.!
!
Figura&2.1!IBM!PC!5150.!El!primer!ordenador!personal!PC,!del!año!1981.&&
!
Un!funcionamiento!básico!completo!de!una!computadora,!se!puede!resumir!
como!sigue:!una!lista!de!instrucciones!colocadas!en!la!memoria!principal!con!cierto!
propósito,! son! interpretadas! y! resueltas! secuencialmente! por! el! procesador,!
colocando!los!resultados!de!dichos!cálculos!en!una!parte!de!la!memoria,!para!
posteriormente!mostrarlos!por!algún!dispositivo!de!salida,!como!un!monitor!o!una!
impresora!o!ser!transmitido!a!través!de!algún!enlace!o!módem.!
! 11!
Aitor&Cantero&Romero&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Programación&concurrente&orientada&a&eventos&en&
Arduino&para&el&Internet&de&las&Cosas&&
Este!funcionamiento!es!similar!a!la!preparación!de!una!receta!por!parte!de!
un!cocinero.!La!receta!es!la!lista!de!instrucciones,!a!la!que!llamamos!programa,!que!
hemos! colocado! en! la! memoria.! El! cocinero! es! en! este! caso! el! procesador,!
encargado!de!asimilar!secuencialmente!todos!los!pasos!enumerados!en!la!receta:!
poner!un!litro!de!agua!con!sal!en!una!cacerola!a!fuego!lento,!añadir!300!gramos!de!
pasta!cuando!el!agua!hierva,!remover!durante!12!minutos!el!contenido!de!la!olla,!
para! retirarlo! más! tarde,! escurriéndolo! y! añadiendo! una! salsa! de! tomate,!
finalizando!con!la!colocación!en!el!plato.!El!cocinero!solo!sabe!interpretar!ciertas!
instrucciones!pactadas!previamente.!No!es!posible!pedirle!al!cocinero!que!sepa!
tocar!el!piano.!Para!que!la!receta!(programa)!se!cocine,!se!necesita!hacer!uso!de!los!
fogones,!la!nevera,!un!reloj,!etc.!(dispositivos!o!periféricos),!hasta!obtener,!por!
ejemplo,!un!plato!de!pasta!(resultado!final).!
Cuando! se! construyeron! las! primeras! computadoras,! del! tamaño! de! un!
edificio,! se! programaban! mecánicamente! sus! conexiones! para! poder! variar! el!
comportamiento!de!sus!instrucciones!y!obtener!el!resultado!final,!que!podía!ser!
impreso,!visualmente!mediante!una!serie!de!bombillas!o!emitiendo!ciertos!pitidos.!
Según!se!ha!ido!desarrollando!la!computación,!se!pasó!de!la!programación!tan!
tediosa!por!parte!de!un!operador!mediante!infinidad!de!cables,!a!hacerlo!mediante!
instrucciones! en! tarjetas! perforadas,! para! más! tarde! tomar! esas! órdenes! de!
dispositivos! electromagnéticos.! En! paralelo,! la! evolución! de! los! componentes!
electrónicos,! transistores! basados! en! semiconductores! como! el! silicio,! su!
producción!en!serie,!los!circuitos!impresos!integrados!y!la!miniaturización!de!los!
componentes!dieron!lugar!a!la!computadora!personal!a!principios!de!la!década!de!
los!80.!Todo!esto!constituye!la!parte!tangible!del!ordenador:!el! hardware.!En!
cuanto!a!la!parte!intangible!de!un!ordenador,!el!software.!En!origen,!el!procesador!
recibía!estímulos!eléctricos!gracias!al!conexionado!de!cables.!Más!tarde!recibía!las!
instrucciones!tras!leer!una!cinta!con!perforaciones!binarias!de!una!longitud!fija!
(siendo!0!la!región!sin!perforar!y!1!la!perforada,!por!ejemplo)!con!la!que!se!
formaban!palabras!de!código!binario.!Después,!las!tarjetas!perforadas!dieron!paso!
a!las!cintas!perforadas,!cintas!y!discos!electromagnéticos!y!memorias!basadas!en!
chips!electrónicos!como!en!nuestros!días.!Es!crucial,!que!para!la!composición!de!
las!instrucciones!en!dicha!memoria,!haya!habido!una!evolución!comparable!a!la!de!
la!parte!física!de!la!computadora.!Para!programas!sencillos,!con!unas!cuantas!
!12!