Hva er et ethernet shield

Et ethernet shield er et Arduino shield som git deg muligheten til å koble på et vanlig nettverk via kabel, og kommunisere med vanlige datamaskiner. Veldig ofte er nettverk koblet sammen med Internett. En Arduino tilkoblet et slikt nettverk kan gjøre som andre datamaskiner; delta i chat, lese internettsider og lignende.

...

Mer utfyllende kan finnes på Arduino sine sider, her og her. Det er også mange andre ressurser åpent på nett for den som har lyst til å lete.

Ulike bruksområder

Ganske mange av de ulike bruksområdene er godt dokumentert fra Arduino sin side.

...

For eksempler for ethernet delen, har Arduino et innebygd bibliotek for dette med medfølgende hjelpesider. Her vises det fram eksempler på blant annet hvordan en web klient kan lages, en chat server (og videre chat klienter), en veldig enkel Web server (som kun kan skrive ut en enkelt side) og fler. Det anbefales å se litt på de forskjellige eksemplene.

Raskt om teknologien bak Internett

Her beskriver vi veldig raskt og overfladisk noe av teknologien bak Internett. Denne introduksjonen er på ingen som helst måte fullstendig, NTNU tilbyr egne fag som går mer i dybden på de forskjellige teknologiene. Det er på ingen som helst måte nødvendig å ha full kontroll på dette for å bruke ethernet shieldet, men det kan være greit å vite litt om web teknologi. For den interesserte leser legger vi også inn noen linker til Wikipedia hvor du kan lese mer om de forskjellige temaene.

OSI modellen

OSI modellen (engelsk her) er en måte å beskrive nettverksprotokoller på. De nederste nivåene i denne stacken beskriver de fysiske tilkoblingene, eksempelvis ethernet og WiFi. Naturlig nok finnes det flere bunnlag enn disse, men i denne sammenhengen er lagene opp til hit ikke så viktige. Når vi ser på teknologiene fokuserer vi på ethernet siden av teknologien.

MAC adresse

For å unikt identifisere et nettverkskort, har alle nettverkskort en MAC adresse. Denne er på Arduino ethernet shield oppgitt som seks grupper á to siffer med heksadesimale tall, totalt 6 byte (eller 48 bit). Denne adressen brukes for å adressere beskjeder mellom enheten og den nærmeste ruteren. For å få Arduino shieldet til å virke, må du skrive inn denne adressen i koden din.

TCP/IP

I OSI modellen tilhører TCP (Transmission Control Protocol) transport laget, mens IP (Internet Protocol) tilhører nettverkslaget. Disse protokollene nevnes ofte sammen siden blant annet HTTP baserer seg på en stabil tilknytning (som TCP tilbyr). Alternativer til TCP inkluderer UDP, en protokoll som sender enkeltbeskjeder uten å gjøre noen sjekk på om de kommer fram.

...

En siste ting vi skal nevne i denne sammenhengen er porter. Siden en IP adresse kan brukes til forskjellige ting (hoste en web side, mail server, spillserver og lignende), trengs et system for å skille de ulike tjenestene som tilbys. Her kommer noe som heter porter inn. Du kan selv bestemme hvilken port som skal benyttes til hva, men vær klar over at ulike tjenester har ofte standardiserte porter. For eksempel er vanlige web sider å finne på port 80. Du kan legge en webserver på annen port, men da må du også spesifisere porten når du skriver inn adressen. Eksempelvis hvis du starter webserveren på port 8080, og IP adressen er 127.0.0.1, kan du finne siden ved å skrive inn 127.0.0.1:8080 i adressefeltet i nettleseren. Hadde den vært på port 80, hadde du sluppet kolonet og det som kom etter.

HTTP

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) er en tekstbasert overføringsprotokoll for Internett. Den har forespørsler (request) og svar (response), som består av en header og kropp.

...

Svaret består av en header som forteller om statusen til forespørselen, var den vellykket? Eventuelt: Hvilken feil oppstod? Disse statusene har tresifrede feilkoder, for eksempel 404 Not Found (ikke funnet). I tillegg finnes annen meta informasjon i headeren, som hvilken type data (MIME type) svaret inneholder. I kroppen til svaret finner vi dataene som ble etterspurt, som for eksempel en Internettside skrevet i HTML.

Web sider

For å vise web sider, trengs det en måte å beskrive dokumenter på som "alle" er enige om at er bra å bruke. Teknologiene blir standardisert av W3C. Det finnes et utall av tutorials for de forskjellige teknologiene ute på nettet, en av de som samler mange av de viktigste er W3Schools. Merk: W3Schools er ikke en del av W3C, så det kan være informasjon som er ikke i henhold til standarden der.

Følgende er noen av de viktigste teknologiene som brukes på nettet:

HTML

HTML (Hypertext Markup Language) brukes for å beskrive strukturen til en nettside. Dette brukes for å lage beholdere som tekst, bilder eller annet kan pakkes inn i. W3Schools har tutorial på denne teknologien.

CSS

CSS (Cascading Style Sheets) brukes for å beskrive design, layout (gjerne responsiv; reagerer på størrelsen på skjermen), farger, enkle animasjoner og lignende. W3Schools har tutorial på denne teknologien. Det finnes også en del rammeverk som kan gjøre forskjellige ting (som responsivt design) enklere.

Javascript

Javascript er et programmeringsspråk. Dette språket kan kjøres på nettsider for å kontrollere det aller meste som skjer i nettleseren. W3Schools har en tutorial på denne teknologien. I tillegg finnes det et utall av rammeverk som kan gjøre veldig mye enklere. Eksempler er JQuery, Bootstrap, AngularJS... Det finnes mange fler.

Et undersett av Javascript er JSON (Javascript Object Notation), en teknologi som brukes for lagring og overføring av data.

XML

XML (Extensible Markup Language) brukes for å beskrive data på en strukturert måte. HTML er i stor grad (men ikke fullstendig) en spesiell versjon av XML. XML brukes i stor grad av Web services for utveksling av informasjon. Eksempelvis tilbyr yr.no gratis værdata i XML format.

Web server

Web server er en tjener som behandler HTTP forespørsler. For å sette opp en ekstremt enkel web server på Arduino med ethernet shield, kan Arduinos WebServer eksempel brukes. Dette eksempelet svarer alle forespørsler med en fastprogrammert side. Mere avanserte tutorials som bruker SD kortet på ethernet shieldet eksisterer. Disse har dessverre en del begrensninger. Vi har hatt problemer med å finne kode som er veldig generell, gir feilmeldinger når filer ikke blir funnet og som tar nok høyde for Arduinos svært begrensede ressurser. Derfor har vi lagd ett bibliotek som gjør dette for deg!

Utfordringer på Arduino

Den største utfordringen for Arduino som web server er utvilsomt minnet. Arduino UNO har 2048 byte ram, noe som tilsvarer 2048 bokstaver (om alt minnet brukes til lagring av bokstaver). I tillegg til masser av tekst (HTTP headere og HTML kode for feilmeldinger) trengs det også en del ram for å lagre andre variabler. Det finnes flere metoder som kan lagre tekst som gjør at det ikke er i ram hele tiden. En metode er å lagre det i programminnet til vanlig, og overføre det til vanlig ram når det trengs. Dette er avansert, og brukes kun når du må. Det er denne metoden vi har brukt i biblioteket vårt, noe som gjør at du slipper.

Identifisering av MIME type og fortelle klienten om dette kan også være litt vrient. Vi har ikke funnet noen tutorials som gjør dette enkelt å forstå eller enkelt å reprodusere, derfor har vi bakt dette inn i biblioteket vårt, basert på filnavnet som etterspørres.

Biblioteket

Vi har lagt ut et bibliotek som skal gjøre det mye enklere å lage en web server som gir ut filer. Filene leses i utgangspunktet rett fra SD kortleseren, men vi har lagt med muligheten for å filtrere og endre forespørsler og svar. Vi har prøvd å minimere minnebruken til biblioteket, men bruker allikevel rundt 1300 byte. Dette gjør at du bare har 200-400 byte du kan bruke i tillegg til biblioteket. Brukes noe særlig mer enn dette blir Arduino ustabil, den henger, får uforklarlige omstarter eller lignende.

...