w5500 – relè controllato da Internet

aggiornato il 19 Mar 2017 – finito!
Correva l’anno 1997. In Ottobre decisi di fare un contratto con il locale provider di Internet. Nella mia cittadina di 19mila abitanti (allora), il provider (l’unico) aveva 3 (dico tre) modem, e quindi il massimo numero di connessioni contemporanee era… tre. E bastavano ! Sì, a qualsiasi ora si riusciva a trovare un modem libero. Si pagavano sia l’abbonamento al provider, sia la telefonata. Eravamo in pochi, davvero.

Durante le prime navigazioni, finii sul sito di una università in Australia. Il sito aveva tre telecamere (B/N) che inquadravano un piano di lavoro a tre assi X,Y, Z con un braccio che poteva essere comandato via web (a linea di comando) per muoversi e afferrare dei pezzi (costruzioni per bambini) per costruire qualcosa. Ne rimasi affascinato e mi meravigliai di cosa si potesse fare così, da una parte all’altra del mondo. Fu una rivelazione e decisi che mi sarei messo a studiare come fare anch’io qualcosa del genere. Ammiravo quelle persone che erano così competenti da aver realizzato questa cosa fantastica, mentre io non sapevo ancora niente di Internet e dei vari protocolli coinvolti. Mi misi quindi a studiare e dopo qualche mese, nella primavera del 1998, realizzai il mio primo “rover” controllato via Internet tramite un web browser (c’era Internet Explorer 3 e prima bisognava lanciare lo stack TCP con Trumpet). Il mio rover aveva a bordo una telecamera B/N del Game Boy, collegata ad un microcontrollore Mitsubishi (ora Renesas) M16C che aveva ben 20KB di RAM interna ! L’immagine, da 128×128 pixel, veniva inviata dal rover al PC (su cui girava il mio piccolo web server elementare) tramite un modulino RTX a 866 MHz. Funzionava ! Era primitivo, goffo, lento, rispondeva con una decina di secondi di ritardo, ma funzionava !

My first Rover, built in 1998, controllable via a standard browser on the Internet.

Oggi abbiamo una situazione leggermente diversa. Si parla sempre di IoT e io pensavo che fosse “Internet of Thieves” perché come clicchi il bottone sbagliato ti svuotano la carta di credito. Invece NO, pare che tutti i dispositivi di casa vogliano davvero collegarsi a Internet, per darvi una vita migliore (???).

Bene, a prescindere dalle considerazioni filosofiche, abbiamo molte diverse possibilità per controllare un relè in casa tramite Internet. Ci sono apparecchi professionali o anche da hobbisti che fanno già questa cosa ; se non avete tempo da perdere, compratevi uno di questi dispositivi già pronti e via…

Per comandare un relè da remoto, dobbiamo creare una connessione Internet tra il ricevitore (il dispositivo con il relè) e il trasmettitore (un PC o un Tablet o uno Smartphone). Possiamo creare una connessione Server-Client HTTP, ma dovremo fare un abbonamento ad un servizio tipo dyndns, per avere un “nome” con un IP “statico” a cui collegarci. Dovremo inoltre programmare il nostro modem / router in modo che vada ogni tanto ad aggiornare il servizio dyndns. Inoltre, sarà necessario aprire una “porta” che lasci passare, sul firewall incorporato nel modem / router, il traffico “in-going” verso il server.

Se non vogliamo fare tutto questo, potremmo creare un dispositivo che si comporta da MQTT subscriber, cioè mettere un client MQTT sul nostro dispositivo ed utilizzare un “broker” pubblico per fare la connessione. Però i broker pubblici e gratuiti non sono garantiti per funzionare sempre e poi dovremo comunque usare un client MQTT anche sul dispositivo di comando (PC, Tablet, Smartphone) per modificare lo stato del nostro relè. Il vantaggio di questa soluzione è che non dobbiamo eseguire alcun settaggio sul modem / router e l’attivazione / disattivazione del relè è praticamente immediata dopo aver azionato il comando “Publish” su PC / Tablet / Smartphone.

Poi, c’è la soluzione che ho deciso di adottare per questo esperimento. Non dovremo aprire porte sul router o fare un abbonamento a dyndns, ma ci serve un nostro sito web personale, in grado di eseguire scripts PHP.

I siti web gratuiti sono molto diffusi. Questo articolo che state leggendo è pubblicato su un hosting gratuito. Se andate su: https://it.altervista.org/ potete farvi un sito gratis, con un ottimo servizio e molti tools. Nella descrizione di questo esperimento, però, farò riferimento ad un altro web hosting gratuito che è: http://www.freewebhostingarea.com/ . Cercate on-line la soluzione che più vi aggrada. L’unica cosa importante è che ci sia la possibilità di far girare scripts PHP. Quindi, il prerequisito per andare avanti è quello di avere lo spazio web. Preso lo spazio, ci dobbiamo mettere dentro un po’ di cose. Useremo un client FTP per accedere ai nostri files, con le credenziali che ci saranno fornite dal web hosting. Di solito, come client FTP, io uso WinSCP (sotto Windows) e quindi gli esempi che seguiranno si basano su questo tool.

Sì, ma come funziona ?

Il funzionamento è veramente semplice. Il nostro relè-box, con il chip w5500, andrà ogni 3 minuti a caricare dal nostro sito un file che si chiama cmd.htm ; il contenuto (minimale) di questo file è una semplice stringa di testo che può essere #On oppure #Off. In funzione di questo valore, il relè si accenderà o si spegnerà. Più facile di così…

Dato che il nostro relè-box va a fare il “polling” ogni 3 minuti, avremo un certo tempo di latenza, cioè, nel caso peggiore, dovremo aspettare 3 minuti perché il nostro comando ON o OFF venga recepito e quindi il relè assuma lo stato desiderato. Questo è uno dei limiti del sistema, ma per un’applicazione generica, tipo quella di accendere le luci di casa per scoraggiare i ladri, è accettabile.

Ora, chi è che modifica il file cmd.htm in modo da far cambiare stato al relè ? Ci pensa uno script PHP che risiede sul nostro sito. Con un qualsiasi browser, su un qualsiasi dispositivo connesso ad Internet, inseriamo l’indirizzo del nostro sito e navighiamo. Facciamo un esempio:  abbiamo creato il nostro sito come ilmiosito.eu5.org ed abbiamo salvato sulla root tutti i files necessari (li trovate più avanti). Ora, avviamo il browser sul nostro dispositivo e scriviamo nella barra degli indirizzi : http://ilmiosito.eu5.org/remote e diamo l’invio. Ci troveremo su una pagina di accesso protetta da password.

A sinistra vediamo la schermata di accesso. Dovremo inserire il nostro nome utente e password, così come sono stati salvati sul file .htpasswd . Una volta inserite le credenziali ci troveremo con la schermata a destra. Toccando l’icona #On vedremo il menù di selezione con le due opzioni possibili:

Selezioniamo, ad esempio, #Off e quindi premiamo “invio”. Se tutto è a posto, il file cmd.htm sarà modificato e vedremo la schermata a destra che ci conferma che non ci sono stati errori. Vediamo quindi la struttura del nostro sito web :

Non c’è molta roba… Abbiamo una sottocartella chiamata “remote” e due files. La pagina web index.htm è semplicemente quella principale del sito “in costruzione”, mentre cmd.htm è quella che sarà richiamata dal nostro relè-box per sapere quale stato deve assumere il relè. A seconda del web hosting utilizzato, potremmo avere un errore di scrittura quando cerchiamo di modificare lo stato del relè. Ciò è dovuto ai permessi di scrittura del file cmd.htm sul server. Per modificare tali permessi, usando WinSCP, basta cliccare sul file cmd.htm (nella cartella remota) con il tasto destro del mouse e poi su properties, come nell’immagine (a seconda del server, sarà 644, 664 o 666) :

I files che ci permettono di fare l’accesso con password sono due: .htaccess e .htpasswd. Il primo informa il server sul fatto che la directory dove esso stesso è contenuto ha l’accesso limitato. Il suo formato sarà questo:

E’ importante dare il percorso completo (path) giusto per il file .htpasswd, quello che contiene la lista di utenti / passwords autorizzati all’accesso. Se il percorso non è corretto, riceveremo un errore dal server, tipicamente il #500. La riga evidenziata di giallo andrà modificata con il percorso completo del vostro sito, naturalmente. Per l’editing di tutti i files di testo, io uso il programma Geany, che è gratuito e fondamentale anche per programmare in diversi linguaggi.

Il secondo file, quello chiamato .htpasswd, contiene, come detto, username e password per i vari utenti abilitati, uno per linea. Nella figura sotto vediamo il file di default che ha l’utente: user e la password: password (che fantasia !)

La password non è “in chiaro”. Per creare le password con la cifratura standard, possiamo usare vari tools presenti su internet. Ne ho uno anche io sul mio sito a questo link : http://robotop.eu5.org/php/pswmaker.php. Inserendo user e password e cliccando Encrypt si otterrà la linea da inserire, con copia-incolla, nel proprio file .htpasswd.

Il file index.php nella cartella remote è quello che fornisce la pagina di accesso, con la lista #On / #Off e il pulsante Invio. La destinazione del form è lo script PHP chiamato write.php, che si occupa di modificare il file cmd.htm sulla cartella principale. E’ tutto qui. Se ogni cosa è stata fatta bene, potremo testare il corretto funzionamento del sito e osservare se puntando con il browser sul file cmd.htm leggiamo #On o #Off in seguito alle nostre operazioni. Se tutto è OK, possiamo passare all’elettronica e alla scatoletta relè-box con il w5500.

I files per realizzare il sito web “minimalistico” sono in uno zip scaricabile dal link che trovate qui sotto.

Clausola di non assunzione di responsabilità:
Il programma o software descritto, liberamente prelevabile dal sito, è da considerarsi una “demo” gratuita e pertanto l’autore Emilio P.G. Ficara non fornirà alcun supporto, né si assumerà alcuna responsabilità per ogni eventuale problema, danno o conseguenza che dovesse presentarsi nel download o nell’esecuzione dell’applicazione.
Cliccando questo link per effettuare il download del file ilmiosito.zip implicitamente dichiarate di aver letto e capito la clausola di non assunzione di responsabilità e di accettarla.

Verificate sempre il checksum MD5 dei files che scaricate ! In questo caso deve essere: 7C5D035C9EDE39827ED747E5DBCE5895 ; se è diverso, il file è corrotto o non è quello originale, quindi non scompattatelo e buttatelo via ! Se invece è tutto ok, potete scompattarlo (usate il programma 7Z e la password: eficara).

Hardware e firmware

Veniamo ora al circuito e al firmware di quello che da ora in poi chiameremo, per brevità, RBox (Relay Box). Dallo schema si nota che è del tutto simile a quello presentato nel precedente articolo Esperimenti con W5500 con la sola aggiunta del relè e di un diodo di protezione.

Per una visione più dettagliata, è possibile scaricare il file in formato PDF da questo link. Qui sotto c’è una foto del prototipo modificato con il relè. Ho usato un relè a 5V con una bobina da 167 Ohm, preso da un vecchio circuito telefonico.

Come nei precedenti esperimenti con il chip W5500, sarà possibile personalizzare il firmware mediante un programma su PC (Windows) che modifica il file HEX usato per programmare il microcontrollore ATmega88. Rispetto a prima, sono stati aggiunti dei nuovi parametri, come si vede dalla figura:

Il microcontrollore usato è un ATmega88, ma se si eliminasse la sezione di firmware che fa da debug / monitor (sulla seriale), si potrebbe tranquillamente utilizzare un ATmega48, con la metà di memoria Flash e Ram ; per quanto riguarda la EEprom, questa non è usata affatto. Per l’utilizzo del programma di personalizzazione, rimando a quanto scritto nel precedente articolo (Esperimenti con W5500). A parte i campi in più, il funzionamento è identico.

Il flusso di programma

Il programma è molto semplice. Vediamolo nelle sue fasi successive :

:: al reset il micro legge i parametri dalla memoria flash e li scrive nel chip W5500 e nei buffers di Ram che saranno utilizzati nei comandi successivi, quindi avvia la procedura principale, programmando il primo evento temporizzato dopo 5 secondi. Durante tutti i tempi di attesa, il led lampeggia con cadenza di circa un secondo..

:: appena il contatore del tempo arriva al valore impostato per l’evento temporizzato, parte la prima fase di connessione ad Internet, che consiste nell’interrogazione del server DNS il cui IP è stato impostato nei parametri programmabili. Di default questo IP è 8.8.8.8 che è il DNS server di Google. Viene quindi aperto un socket UDP sulla porta 53 e viene inviata la richiesta con la URL del nostro sito web, quella impostata nei parametri programmabili. Se tutto va bene, riceviamo l’IP del web server e questo viene salvato in un buffer in Ram che costituisce l’indirizzo IP di destinazione per le operazioni successive. Se invece ci sono problemi, il programma riparte dalla fase iniziale.

:: una volta ottenuto l’IP del nostro web server, il programma inizia una connessione HTTP GET a tale indirizzo IP, usando nello header (come Host:) l’URL del server e come PATH la restante parte dell’indirizzo. Ad esempio, l’URL sarà ilmiosito.eu5.org e come PATH ci sarà /cmd.htm. La porta di destinazione sarà ovviamente la 80, dato che facciamo una connessione a un server web. Se tutto va bene, riceveremo un pacchetto di dati che contiene la pagina web a cui abbiamo fatto riferimento ; verrà quindi analizzato il testo tra i tag <html> e </html> per vedere se c’è il comando #On oppure #Off. Se tutto va bene, il relè sara impostato di conseguenza ; se invece ci sono errori, il ciclo comincerà di nuovo. In caso di esito positivo, tutto il ciclo sarà riavviato, ma con il tempo del prossimo evento settato a 3 minuti. Nel frattempo, il led continuerà a lampeggiare.

Durante tutte le fasi, sulla porta seriale (con protocollo 9600,N,8,1), viene prodotto il log delle operazioni eseguite. Collegando alla porta di debug una interfaccia USB-TTL e avviando un programma di terminale seriale (se volete, ce n’è uno di mia creazione nel file di download), sarà possibile effettuare un efficiente debug ed eventualmente intervenire per modificare alcuni valori.

I comandi da seriale sono aumentati, rispetto alla versione precedente (Esperimenti con W5500). I nuovi comandi sono:

: : (trattino) ferma l’applicazione che effettua automaticamente la richiesta DNS e l’HTTP GET e quindi il sistema rimane in attesa di comandi da seriale.

: 1 : (cifra 1) accende il relè

: 0 : (cifra 0) spegne il relè

Download

Tutti i files necessari per programmare il microcontrollore sono contenuti in uno zip che potete scaricare liberamente. Il contenuto della cartella è questo:

Analizziamo i vari files:

1_wrFlash.bat è un file batch per lanciare l’applicazione avrdude per programmare la memoria Flash del micro. Le impostazioni per il mio programmatore sono: porta=Com14 e tipo=STK500. Modificate i valori per le vostre esigenze.

2_wrFuses è il batch per programmare i “fuses” del micro.

com3-9600.bat è il batch per avviare il terminale seriale miterm sulla Com3 a 9600 BPS. Modificatelo per le vostre impostazioni.

miterm.exe è l’eseguibile che fa da terminale seriale. L’ho scritto in FreeBasic e gira anche su una chiavetta USB, non serve installazione.

rbox.hex è il file originale in formato intel-hex che viene usato come base di partenza dal programma di personalizzazione.

rbox-mf.hex è il file in formato intel-hex che è stato modificato tramite il programma di personalizzazione. Sarà utilizzato per programmare il microcontrollore.

RBoxprog.exe è l’applicazione per Windows che consente di modificare i parametri del firmware per personalizzarlo secondo le proprie esigenze. Anche questo l’ho scritto in FreeBasic e gira anche su una chiavetta USB, senza installazione.

Clausola di non assunzione di responsabilità:
Il programma o software descritto, liberamente prelevabile dal sito, è da considerarsi una “demo” gratuita e pertanto l’autore Emilio P.G. Ficara non fornirà alcun supporto, né si assumerà alcuna responsabilità per ogni eventuale problema, danno o conseguenza che dovesse presentarsi nel download o nell’esecuzione dell’applicazione.
Cliccando questo link per effettuare il download del file implicitamente dichiarate di aver letto e capito la clausola di non assunzione di responsabilità e di accettarla.

Verificate sempre il checksum MD5 del file scaricato ! Questo deve essere: 632CA2A7244552F141384D70A6975971 ; se è diverso, il file è corrotto o non è quello originale. In questo caso, non scompattatelo e buttatelo via !
Se invece è tutto ok, potete scompattarlo (è richiesta una password che è: eficara).

Considerazioni finali

Alcune cose importanti da considerare : il dispositivo è “sicuro” ? NO! E’ possibile intercettare i dati (user e password) quando date il comando sul sito web, dato che non si effettua una connessione sicura HTTPS. Inoltre, ci sono altri metodi per dirottare le richieste DNS in modo da andare a prendere la pagina web cmd.htm da un’altra parte (un sito fittizio). Questo è un esperimento, un esercizio e perciò la sicurezza è limitata. Tenete presente, però, che anche i sistemi “professionali” hanno le loro vulnerabilità. Ricordate che anche i server dei BIG dell’informatica vengono attaccati con successo dagli hackers “cattivi”, così come i siti istituzionali di potenti Nazioni. Un vecchio detto dell’informatica afferma: “un computer sicuro è un computer con la spina staccata, chiuso in una cassaforte di cui si sono perse le chiavi“. E’ la pura verità. Un altro detto che fa parte della mia filosofia di vita (e di progettazione) è “non usare un cannone per sparare alle zanzare” e quindi usate gli strumenti adeguati in funzione dello scopo da raggiungere. Se avete in casa gioielli per 5mila euro, non comprate un impianto antifurto da 50mila euro, tanto per intenderci. In questo caso, per accendere e spegnere da remoto le luci di casa, mentre siamo fuori per il week-end, il circuito proposto va più che bene. Ricordate che la migliore sicurezza si ottiene con… la segretezza! Non fate pubblicità ai vostri controlli remoti, non parlatene con gli amici al bar, non date username e password ad altri, non usate il WiFi pubblico per inviare informazioni personali e… forse sarete al sicuro!

Il sistema descritto in questo esperimento può essere usato, naturalmente, anche per conoscere da remoto lo stato di uno switch, la temperatura di un ambiente o qualsiasi altro valore. Se continuerò a fare esperimenti, pubblicherò un nuovo articolo a questo proposito. Al momento, penso di non farlo perché sto dedicando tutte le mie energie alla ricerca di un nuovo lavoro. E’ complicato, sia in Italia che all’estero. Incrocio le dita…

Esperimenti con W5500

aggiornato il 7 Mar 2017- Finito !
Dopo aver progettato alcuni dispositivi con i modulini WiFi basati sul componente ESP8266, ho deciso di passare in modalità “wired”, perché mi hanno fatto notare che molte persone spengono la sezione WiFi del modem / router quando non serve loro per “navigare” e quindi gli eventuali dispositivi di domotica basati su wireless diventano inutilizzabili !

A questo punto, ho deciso di realizzare una versione dei miei dispositivi anche su wired LAN e ho quindi cercato un componente adatto. Ci sono diverse opzioni, ma dopo alcune considerazioni su costi e reperibilità ho deciso di puntare sul chip W5500.

Il sito del produttore mette a disposizione una vasta e accurata documentazione, sia per l’hardware che per il software. Ci sono librerie software aggiornate e molti esempi relativi alla gestione dei vari protocolli, ma (come sempre) io ho deciso di studiare il datasheet del componente e scrivere i miei programmi di test a partire da zero.

Per cominciare a fare delle prove pratiche, ho comprato on-line un modulino che ospita il componente, con il minimo essenziale di hardware per la connessione al microcontrollore esterno e alla rete LAN.

A destra il modulo collegato con un flat-cable al micro; a sinistra il dettaglio del pinout

Purtroppo, non ho potuto riutilizzare nulla del software scritto per i moduli ESP-01, ESP-07 eccetera, perché il W5500 ha un’architettura e una modalità di pilotaggio completamente diversi. Intanto, dal punto di vista hardware, la connessione avviene tramite SPI (quindi una seriale sincrona) e non tramite UART ; poi, lo stack TCP embedded richiede una programmazione a un livello più basso, una gestione dei “socket” un po’ più complessa.

Per questa prima parte dell’esperimento ho riciclato una mia vecchia scheda, basata sul microcontrollore Atmel ATmega88, che avevo realizzato in passato per pilotare il noto ENC28J60 della Microchip. Dato che anche quel chip si pilotava tramite SPI, ho rimosso l’integrato (che era in versione DIP e montato su zoccolo) e ho collegato i vari segnali della seriale sincrona al connettore del modulino W5500. Ho così potuto riutilizzare anche la parte di software che gestiva la comunicazione SPI. Il circuito di prova si presenta così :

Il primo prototipo: scheda con micro ATmega88, modulo W5500 e interfaccia USB-TTL per il debug del programma.

Lo schema elettrico della scheda a microcontrollore, modificato e semplificato dalla versione originale con il chip ENC28J60, è questo:

Per una visione più dettagliata, è possibile prelevare il file in formato PDF da questo link.

Come si vede dalla nota sullo schema, al momento attuale le linee di I/O del micro che non sono state utilizzate sono “floating”, in attesa di definire un hardware aggiuntivo, ma a progetto finito ogni linea non usata deve essere opportunamente collegata ad un riferimento. Tipicamente, dato che il micro al reset pone tutto l’I/O in condizioni di Input (alta impedenza), è possibile collegare tra loro tutti i pin inutilizzati ed usare una resistenza sola per collegarli tutti a GND. Ovviamente, nella fase di inizializzazione delle linee di I/O del firmware, bisogna tenere conto di questa soluzione circuitale.

Breve descrizione del componente

L’integrato mette a disposizione del progettista un completo stack TCP, con 8 sockets indipendenti e un’area di memoria RAM dedicata. Il controllo del funzionamento avviene scrivendo o leggendo alcuni registri e aree di memoria tramite interfaccia seriale sincrona SPI. I blocchi di memoria sono tre:

Common Register Block, dove troviamo i registri di controllo
Socket Register Block, dove troviamo i registri relativi agli 8 Sockets
Memory, dove troviamo i buffers di lettura / scrittura degli 8 Sockets

La seriale SPI può essere usata in modo da leggere / scrivere una quantità fissa (1,2,4 bytes – FDM) o variabile (n Bytes – VDM) di dati. Per utilizzare quest’ultima modalità, è necessario pilotare la linea /CS (Chip Select) per informare il chip dell’inizio e fine di uno stream di dati. Nel mio progetto ho usato esclusivamente questa modalità. Uno stream di scrittura / lettura è costituito da tre fasi: Address Phase, Control Phase, Data Phase.

Nella Address Phase vengono inviati 2 bytes che costituiscono l’indirizzo di offset rispetto all’origine del blocco di memoria selezionato ; nella Control Phase viene inviato un singolo byte che indica il blocco di memoria che si vuole selezionare, il modo RD / WR e la modalità FDM / VDM ;   infine, nella Data Phase vengono scritti o letti i dati (quindi, in caso di modo VDM questa fase ha un numero variabile di bytes).

Per poter effettuare una qualsiasi operazione è necessario inizializzare alcuni registri principali. Al reset il chip assegna dei valori di default ; molti di questi non avranno bisogno di essere modificati, perché sono i più adatti ad un funzionamento normale. Per esempio, i registri che determinano la quantità di memoria RAM assegnata agli 8 sockets vengono inizializzati con il valore di 2K Bytes. Così facendo, avremo lo spazio di memoria uniformemente distribuito tra gli 8 sockets, per un totale di 16K Bytes in scrittura e altrettanti in lettura. Naturalmente lo spazio di memoria può essere distribuito in modo differente, purché si rispetti la quantità massima di RAM disponibile che è, appunto, di 16K Bytes per i buffers di TX e 16K Bytes per quelli di RX.

L’accendiamo ? Sì, l’accendiamo !

Bene, il circuito c’è, partiamo con il primo step: colleghiamo il nostro dispositivo alla LAN e proviamo a vedere se risponde al “ping”. Come al solito, non ho utilizzato “librerie precotte”, ma ho scritto il programma a partire dallo studio di ciò che mi serve, riflettendo bene sul minimo indispensabile per raggiungere lo scopo. Non mi piace l’approccio che (purtroppo) ha preso piede negli ultimi anni, cioè quello di fare strutture di software immense e poi definirle “scalabili”. Questo “scalabile” spesso significa che se a me serve solo una minima parte, devo prendere un grosso blocco e poi togliere quello che è in eccesso. Nella mia lunga esperienza ho potuto appurare che si fa molto prima a scrivere da zero l’essenziale che non a togliere il 90% dell’inutile ; è come costruire una  tazzina da caffè partendo da un blocco di marmo di due metri di lato, con grande fatica di scalpello e martello. Io, preferisco usare una “stampante 3D” e creare ciò che mi serve usando solo il materiale necessario.

Il nostro dispositivo si collega ad una rete LAN, tipicamente fornita dal modem / router che ci connette al provider. Teniamo presente che il chip w5500 non ha protocolli già pronti, ma ci mette a disposizione alcuni sockets TCP / UDP e poi… il protocollo lo dobbiamo scrivere noi ! Dunque, non c’è un DHCP pronto all’uso e quindi programmeremo nei registri interni del chip un IP statico, che sarà quello che poi proveremo a “pingare”. Un altro importantissimo dato da scrivere nei registri è l’indirizzo fisico del nostro dispositivo, comunemente chiamato MAC address. Il MAC address è costituito da 6 bytes; i primi tre identificano il produttore dell’hardware ed i secondi tre sono a discrezione del produttore, che li codifica nel modo che più gli aggrada, mantenendo però l’univocità della terzina. Particolarmente importante è il primo byte della prima terzina e in particolare, di questo, il secondo bit meno significativo. Questo bit, infatti, determina se il MAC address è OUI (Organizationally Unique Identifier) oppure se è “locally administered”. In pratica, se il primo byte del MAC è xxxxxx1x, il dispositivo non appartiene ad una delle industrie registrate come produttori, ma è amministrato localmente. L’ultimo bit (il meno significativo) del primo byte determina se la connessione è multicast o unicast. Noi useremo solo unicast e quindi questo bit sarà sempre a zero.

Un trucco per creare un indirizzo fisico OUI, che ho visto usare nei tablets cinesi “very cheap” di prima generazione (nel 2011), è quello di utilizzare come MAC del tablet quello del router a cui ci si collega, modificando l’ultimo byte di +1 o -1. Ingegnoso, ma non si dovrebbe fare ! Se volete sapere qual è il MAC del vostro router e usare lo stesso trucco, potete usare il comando ARP da finestra DOS di Windows.

Questo comando chiede al sistema di restituire il MAC address (attraverso il protocollo ARP) del dispositivo che ha IP 192.168.1.1 (tipicamente il router di casa). Gli altri due dati essenziali da programmare nei registri del W5500 saranno l’IP del Gateway (il nostro modem / router) e la Network Mask. Tutti questi dati risiedono nella memoria flash del micro ATmega88, allocati in modo statico con questa assegnazione:

Come si vede in figura, alla locazione 0x0EC0 troviamo 64 bytes di memoria flash riservati ai dati per la personalizzazione del dispositivo. Si noti che c’è un solo byte definito nel sorgente in ‘C‘ ! Questo serve unicamente a far generare dal compilatore una linea nel file di uscita raslan.hex con il riferimento all’indirizzo 0x0EC0. Poi, sarà un’applicazione su PC ad aggiungere al file .hex i dati personalizzati. Ecco come si presenta la schermata iniziale di tale applicazione:

Nella finestra in alto a destra potremo scrivere, un dato per riga, i valori corretti per personalizzare il nostro dispositivo in funzione della rete a cui dovremo collegarlo. Il programma, quando si clicca il pulsante [ Modify HEX file ], genera un nuovo file chiamato raslan-mf.hex che contiene, nell’area flash dedicata, i parametri personalizzati. A questo punto potremo usare tale file per effettuare la programmazione del microcontrollore.

In questa prima versione di programma, il micro invia su porta seriale (9600, N,8,1) i parametri letti dalla propria memoria flash. Dopo aver trasmesso ogni messaggio,  il micro scrive i medesimi dati nei relativi registri del w5500 e quindi resta in attesa di comandi da seriale o di richieste ICMP Ping.

Come si vede nel listato, la prima operazione che viene effettuata sui registri è la lettura della versione del chip. Il w5500 risponde con il valore 04. Questa lettura è utile anche per verificare che le routines di lettura/scrittura tramite SPI siano efficaci. Di seguito, troviamo la scrittura dei vari parametri di cui abbiamo parlato.

Colleghiamo ora un convertitore USB-Seriale al circuito e lanciamo un programma di terminale seriale. Nel file zip messo a disposizione per il download troverete anche un mio piccolo programma di terminale, che potrete utilizzare per visualizzare l’output del micro e per inviare comandi. In questa primissima release del software, l’unico comando accettato da seriale è il carattere ‘+’ che provoca un reset da watchdog del micro, facendo quindi ripetere la procedura di inizializzazione. Ecco cosa leggiamo sulla finestra del terminale:

A questo punto vedremo il led rosso del circuito mandare un piccolo lampeggio ogni 3 secondi, segno che tutto gira regolarmente. Dall’immagine precedente vediamo che il Device IP è settato a 192.168.0.123 e quindi proviamo a fare un ping da un computer collegato sulla stessa sottorete. Il risultato sarà questo:

BENE ! Il circuito risponde al Ping ! Il primo passo è fatto ! I registri sono stati inizializzati correttamente. Possiamo ora, per prova, lanciare di nuovo il programma w5500prog.exe per modificare i parametri e riprogrammare il micro con un altro Device IP. Quindi, possiamo provare a “pingare” il nuovo IP e vedere se ci risponde (lo farà).

Nota importante: quando si programma la memoria flash del micro, si devono anche settare i “fuses” secondo questa configurazione: Hfuse: 0xCD Lfuse: 0xFC Efuse: 0xF9.

Nel file w5500-v1.zip messo a disposizione per il download troverete questi elementi:
miterm.exe – il terminale seriale
raslan.hex – il file hex di base, senza parametri
raslan-mf.hex – il file hex con i parametri, da usare per programmare il micro
w5500prog.exe – l’applicazione per modificare i parametri

La prova del Socket

Finita questa primissima prova, cominciamo la seconda e ultima parte dell’esperimento: la prova di un “socket” TCP. Per dare un po’ di flessibilità al programma, ho aggiunto una serie di comandi che possono essere inviati da porta seriale. Il primo di questi permette di inserire un IP al quale ci si vuole collegare. Da seriale scriveremo ” i ” e comparirà un ” ? “, quindi scriveremo l’ IP che ci interessa. Dato che ancora non abbiamo programmato un client DNS sul micro, useremo un terminale cmd di Windows e il comando nslookup per ottenere l’ IP del server a cui collegarci. Ecco un esempio:

Con questo nslookup chiediamo al server DNS 8.8.8.8 (quello di Google) l’attuale IP del sito robotop.eu5.org, che è un mio sito di test ospitato su uno spazio web gratuito.

Un altro comando da seriale permette di settare la Porta a cui ci si vuole collegare. Sul terminale seriale scriveremo ” p ” e verrà mostrato il carattere ” ? ” e quindi inseriremo il numero della Porta, in questo caso 80 perché vogliamo collegarci a un server web che ci restituirà una pagina HTML.

Vediamo ora il comando che ci permette di selezionare il percorso della pagina a cui vogliamo accedere, sul sito di cui abbiamo ottenuto l’ IP . Sul terminale seriale scriveremo ” s ” e riceveremo il solito ” ? ” e a questo punto scriveremo il percorso, ad esempio: /php/ipget.php. La lunghezza massima accettata per la stringa, come in tutti gli altri comandi, è di 31 caratteri.

Ora abbiamo il comando per inserire l’URL del sito. Scriveremo da terminale seriale ” u ” e ci verrà mostrato il solito ” ? ” ; a questo punto, inseriremo la stringa, per esempio robotop.eu5.org. Qualcuno si chiederà perché inseriamo l’URL del sito, dato che ne abbiamo già ricavato l’IP con nslookup. La ragione è che lo stesso host contiene molti siti (è un hosting gratuito) e quindi nella richiesta GET HTTP che faremo, dovremo aggiungere il campo “Host: ” che specificherà a quale sito vogliamo accedere, sul server che gira a quell’indirizzo IP.

L’ultimo comando che possiamo dare da seriale è: ” g “. Questo comando avvia una richiesta GET HTTP con i parametri impostati da seriale e quelli programmati nella flash. I dati ricevuti (se la richiesta va a buon fine) sono limitati a 255 bytes. Gli eventuali dati in eccesso vengono troncati.

Vediamo un esempio sul terminale seriale:

Ho utilizzato il comando ctrl-r del terminale seriale per registrare tutta la procedura, a partire dal reset del circuito effettuato inviando il carattere ” + “. Eccolo di seguito:

> Boot
> Chip version: 04
> Device MAC: 02-00-00-00-00-01
> Device IP: 192.168.0.100
> Gateway IP: 192.168.0.1
> Network Mask: 255.255.255.0

> i ? 5.9.82.16 err: editing not allowed !
> i ? 5.9.82.18
> Destination IP: 5.9.82.18
> p ? 80
> Destination PORT: 80
> s ? /php/ipget.php
> Server's path: /php/ipget.php
> u ? robotop.eu5.org
> Server's URL: robotop.eu5.org
> g
# socket open; src port:1326
# socket initialized OK
# connect socket to server...
# [3] status=15
# socket connected
# sending data...
# data received on socket - bytes:00AD
HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 07 Mar 2017 16:33:20 GMT
Server: Apache
X-Powered-By: PHP/5.4.17
Content-Length: 11
Connection: close
Content-Type: text/html

5.170.76.79
# closing socket...
# closed
>

Ecco cosa abbiamo fatto: ci siamo connessi a http://robotop.eu5.org/php/ipget.php ed abbiamo ricevuto una risposta. La risposta è… il nostro IP pubblico, quello con il quale il nostro router viene visto dalla rete. Il contenuto del file ipget.php è veramente minimale.. eccolo qui: <?php echo $_SERVER[REMOTE_ADDR]; ?> .

L’esperimento è concluso. Nel nuovo file w5500-v2.zip troverete i programmi aggiornati.

Nel prossimo articolo descriverò un’applicazione pratica di quanto sperimentato fin qui. Sarà un relè che potremo accendere / spegnere via Internet, usando come comando remoto un qualsiasi dispositivo mobile provvisto di connessione ad internet (con il browser di serie). Non dovremo abilitare particolari porte sul modem / router e potremo usare anche un router 3G/4G (come quello che sto usando adesso) che non ha un IP pubblico (fa parte di una sottorete del provider). Noi riusciremo ugualmente a comandare il nostro relè (con qualche minuto di latenza), grazie a un paio di scripts PHP che scriveremo su un hosting gratuito qualsiasi, dopo aver fatto la nostra registrazione.

Provare per credere ! Arrivederci…

Clausola di non assunzione di responsabilità:
Il programma o software descritto, liberamente prelevabile dal sito, è da considerarsi una “demo” gratuita e pertanto l’autore Emilio P.G. Ficara non fornirà alcun supporto, né si assumerà alcuna responsabilità per ogni eventuale problema, danno o conseguenza che dovesse presentarsi nel download o nell’esecuzione dell’applicazione.
Cliccando questo link per effettuare il download del file implicitamente dichiarate di aver letto e capito la clausola di non assunzione di responsabilità e di accettarla.

Verificate il checksum MD5 del file w5500-v2.zip scaricato ! Questo deve essere: E71F4C2707932F8A2EBCC8C5815D109B ; se è diverso, il file è corrotto o non è quello originale. In questo caso, non scompattatelo e buttatelo via ! Se invece è tutto ok, potete scompattarlo (usate il programma 7Z e la password: eficara). Potete usare i programmi anche su una chiavetta di memoria USB, in quanto non hanno bisogno di installazione, essendo eseguibili puri.