Падение цен и увеличение вычислительной мощности небольших микроконтроллеров положили начало бурному процессу подключения к локальным сетям Ethenet или даже глобальной сети Интернет маломощных устройств, в основном выполняющих функции контроля, управления и измерения. Более того, эти решения стали появляться и в профессиональных промышленных сетях, постепенно вытесняя старые системы на основе RS232 и его производных. Таким образом, в начале XXI века наступила эра так называемого Интернета вещей (англ. Internet of Things – IoT). Хотя в настоящее время на рынке IoT преобладают устройства, коммуницирующие между собой в основном с помощью беспроводных сетей и стандартов Wi-Fi, ZigBee, BLE или Z-Wave, по-прежнему во многих аппаратных решениях (в основном из т.н. сегмента IIoT – Industrial Internet of Things), требующих надежной передачи и безопасности данных, одним из самых популярных решений по-прежнему остается сеть Ethernet. Создатели платформы Arduino не оставили без ответа требование разработчиков устройств IIoT и расширили стандартное предложение модулей Arduino платами расширения типа Ethernet Shield 2, адресованными отдельным пользователям, или Arduino MKR ETH SHIELD для профессиональных решений на базе контроллеров WIZnet W5100/W5200/W5500 и интегральные схемы MAC и PHY в одной интегральной схеме. Это предложение было довольно быстро расширено независимыми производителями новыми и гораздо более дешевыми модулями на основе популярных схем ENC28J60. В этой статье дана краткая характеристика обоим решениям: официальному, основанному на схемах серии W5x00, а также разрабатываемым главным образом сообществом Open Source/Open Hardware решениям на основе модулей ENC28J60.

Несомненным преимуществом официальных модулей на основе схем серии W5x00 (в т.ч. их аппаратных аналогов, например, плат расширения OKYSTAR OKY2102 или DFROBOT DFR0125) является полная программная поддержка в виде библиотеки Ethernet, встроенной в стек Arduino. Тем самым, пользователь может приступить к созданию программы сразу после запуска Arduino IDE, без необходимости устанавливать дополнительные программные пакеты.

Рисунок 1. Модули OKY2102 (слева) и DFR0125 (справа), оснащенные контроллером WIZnet W5100

В зависимости от схемы WIZnet и объема доступной памяти RAM библиотека Ethernet поддерживает максимум четыре (для схемы W5100 и памяти RAM <= 2 кБ) или восемь (схемы W5200 и W5500) параллельных выходящих/входящих соединений. Программный интерфейс библиотеки разделен на пять классов, сгруппированных по отдельным функциональностям. За инициализацию библиотеки и настройку сетевых параметров (включая IP-адрес, адрес подсети или настройки шлюза доступа). Для нужд IP-адресации создан класс IPAddress. Чтобы запустить простое серверное приложение на стороне Arduino, необходимо будет использовать класс EthernetServer, который позволяет чтение и запись данных со всех подключенных устройств. Взаимодополняющим классом является класс EthernetClient, который позволяет с помощью нескольких простых вызовов подготовить функционального сетевого клиента, выполняющего операции записи и чтения данных с сервера. Для связи по протоколу UDP библиотека Ethernet предоставляет класс EthernetUDP. Полное описание классов и методов можно найти по адресу:

Перейти на сайт Arduino

Характерным для платформы Arduino способом все сложные программные операции реализованы непосредственно в предоставляемой библиотеке. В распоряжении программиста имеется ограниченный, но очень функциональный набор API, благодаря чему процесс разработки приложения проходит быстро и не требует детального знания сетевых стеков. Поэтому проанализируем строение простейшего серверного приложения, поставляемого с библиотекой Ethernet, задача которого состоит в прослушивании входящих соединений от клиента протокола Telnet.

Код серверного приложения начинает добавлять файлы заголовков, необходимые для установления связи SPI (модули WIZnet обмениваются данными с микроконтроллером, используя этот протокол), а также файлы заголовков библиотеки Ethernet:

#include <SPI.h>
#include <Ethernet.h>

Следующим шагом является настройка сетевых параметров (MAC-адрес контроллера, IP-адрес шлюза доступа и маски подсети), а также создание сервера для прослушивания порта номер 23 (порт по умолчанию для протокола Telnet):

byte mac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};

IPAddress ip(192,168,1, 177);
IPAddress gateway(192,168,1, 1);
IPAddress subnet(255, 255, 0, 0);

EthernetServer server(23);

В теле функции setup () необходимо инициализировать библиотеку Ethernet и запустить процесс прослушивания. Дополнительно также была помещена конфигурация последовательного порта, на котором будут отображаться сообщения об адресе сервера, подключении нового клиента и данных, полученных во время установленного сеанса:

void setup() {

  Ethernet.begin(mac, ip, gateway, subnet);
  server.begin();

  Serial.begin(9600);
   while (!Serial) {
  }

  Serial.print("Chat server address:");
  Serial.println(Ethernet.localIP());
}

Основной цикл loop() ожидает соединения от клиента и проверяет наличие данных для считывания. При получении данных он отправляет их без изменений клиенту, выполняя таким образом простую функцию echo:

void loop() {

  EthernetClient client = server.available();

  if (client) {
    if (!alreadyConnected) {
      client.flush();    
      Serial.println("We have a new client");
      client.println("Hello, client!"); 
      alreadyConnected = true;
    } 

    if (client.available() > 0) {

      char thisChar = client.read();

      server.write(thisChar);
      Serial.write(thisChar);
    }
  }
}

Правильность работы этого приложения можно протестировать, используя произвольного клиента протокола Telnet (например, программу Putty в системе Windows или команду telnet в системе Linux) или используя еще один комплект Arduino и классы EthernetClient.

Альтернативным решением для официально поддерживаемых схем WIZnet W5x00 являются модули на базе контроллера ENC28J60 (например, OKYSTAR OKY3486 или ETH CLICK). Благодаря более низкой цене и простоте ручного монтажа корпуса (в отличие от схем W5x00, содержащихся в 80-контактных корпусах LQFP, контроллер ENC28J60 предлагается в 28-контактных корпусах типа SSOP, SOIC, QFN, а также в предназначенном для сквозного монтажа корпусе SPDIP). Эта схема очень популярна среди электронщиков-любителей.

Рисунок 2. Модули OKY3486 (слева) и ETH CLICK (справа), оснащенные контроллером ENC28J60

Несмотря на отсутствие официальной поддержки со стороны Arduino в распоряжение программистов передано много библиотек типа open source, обеспечивающих быструю интеграцию схем ENC28J60 с программным обеспечением. Особое внимание следует уделить библиотеке UIPEthernet, а также предоставляемой по лицензии GPLv2 библиотеке EtherCard. Несомненным преимуществом первого из упомянутых проектов является совместимость интерфейса API с официальной библиотекой Arduino Ethernet, что позволяет сделать процесс разработки приложений независимым от выборов, сделанных между схемами W5x00 и схемой ENC28J60 на аппаратном уровне. Второй из проектов, EtherCard, реализует независимый программный интерфейс, который, в зависимости от предпочтений программиста, может оказаться интересной альтернативой. Как и в случае с библиотеки Arduino Ethernet, реализация довольно сложной функциональности (например, реализация DHCP-клиента) может быть выполнена в несколько строк кода:

#include <EtherCard.h>

static byte mymac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};

byte Ethernet::buffer[700];

void setup () {

  Serial.begin(57600);
  Serial.println(F("
[testDHCP]"));

  if (ether.begin(sizeof Ethernet::buffer, mymac, SS) == 0)
    Serial.println(F("Failed to access Ethernet controller"));

  Serial.println(F("Setting up DHCP"));
  if (!ether.dhcpSetup())
    Serial.println(F("DHCP failed"));

  ether.printIp("My IP: ", ether.myip);
  ether.printIp("Netmask: ", ether.netmask);
  ether.printIp("GW IP: ", ether.gwip);
  ether.printIp("DNS IP: ", ether.dnsip);
}

void loop () {
  ether.packetLoop(ether.packetReceive());
}

https://www.tme.eu/ru/news/library-articles/page/43654/Arduino-sviaz-s-ispolzovaniem-seti-Ethernet/