Wie man ein einfaches IoT-Anwendung mit dem Arduino Nano 33 IoT erstellt

Die Nutzung von Netzwerkmodulen wie dem Arduino Nano 33 IoT ermöglicht die einfache Erstellung von IoT-Anwendungen. In diesem Kapitel geht es darum, wie man mit einem einfachen Zeitserver über das NTP-Protokoll synchronisieren kann und wie man eine grundlegende IoT-Anwendung aufbaut, bei der LEDs über eine Webseite gesteuert werden.

Im Setup-Bereich des Programms wird zunächst die serielle Kommunikation initialisiert und die Verbindung zum Wi-Fi-Netzwerk hergestellt. Wenn die Verbindung erfolgreich ist, können wir den UDP-Protokollstack starten. Dies geschieht durch den Aufruf von Udp.begin(localPort);, wobei localPort den Port angibt, auf dem das Gerät auf eingehende NTP-Daten wartet. Das folgende Beispiel zeigt, wie die Verbindung zum Wi-Fi-Netzwerk überprüft wird:

cpp
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Serial.begin(9600);
while (!Serial) { ; }  // warten, bis die serielle Verbindung hergestellt ist
if (WiFi.status() == WL_NO_MODULE) {
    Serial.println("Kommunikation mit dem Wi-Fi-Modul fehlgeschlagen!");
    while (true);  // Halt bei Fehler
}

cpp
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if (Udp.parsePacket()) {
    Serial.println("Paket empfangen");
    Udp.read(packetBuffer, NTP_PACKET_SIZE);

    unsigned long highWord = word(packetBuffer[40], packetBuffer[41]);

    unsigned long lowWord = word(packetBuffer[42], packetBuffer[43]);
    unsigned long secsSince1900 = highWord << 16 | lowWord;
    Serial.print("Sekunden seit dem 1. Januar 1900 = ");
    Serial.println(secsSince1900);
}

cpp
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const unsigned long seventyYears = 2208988800UL;
unsigned long epoch = secsSince1900 - seventyYears;
Serial.println(epoch);

Anschließend wird die Zeit in Stunden, Minuten und Sekunden in einem für den Benutzer verständlichen Format auf der seriellen Schnittstelle ausgegeben. Dies ermöglicht die einfache Visualisierung der synchronisierten Zeit des Arduino-Boards.

cpp
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Serial.print("Die UTC-Zeit ist ");

Serial.print((epoch % 86400L) / 3600);
Serial.print(':');
if (((epoch % 3600) / 60) < 10) { Serial.print('0'); }
Serial.print((epoch % 3600) / 60);
Serial.print(':');

if ((epoch % 60) < 10) { Serial.print('0'); }

Serial.println(epoch % 60);

Mit dieser Synchronisierung des Arduino-Boards mit einem NTP-Server haben wir die Grundlage für weitere Anwendungen geschaffen. Beispielsweise kann dieses System in IoT-Projekten verwendet werden, bei denen Zeitstempel für Daten erfasst oder regelmäßige Aktionen zu einem bestimmten Zeitpunkt durchgeführt werden sollen.

cpp
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WiFiServer server(80);
void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(led1, OUTPUT);
    pinMode(led2, OUTPUT);
    pinMode(led3, OUTPUT);
    digitalWrite(led1, 0);
    digitalWrite(led2, 0);
    digitalWrite(led3, 0);
    while (status != WL_CONNECTED) {
        status = WiFi.begin(ssid, password);
        delay(10000);
    }
    server.begin();
}

Für die Steuerung der LEDs können dann einfache GET-Anfragen verwendet werden. So könnten etwa Anfragen wie http://<IP-Adresse>/gpio1/1 die LED 1 einschalten, während http://<IP-Adresse>/gpio1/0 sie ausschalten würde.

Wie richtet man die Entwicklungsumgebung für Arduino Nano 33 IoT mit dem Arduino Web Editor ein?

Um Programme für das Arduino Nano 33 IoT zu erstellen, ist es essenziell, eine geeignete Entwicklungsumgebung einzurichten, die eine Verbindung zwischen dem Gerät und dem Computer herstellt. Der Arduino Web Editor bietet eine plattformunabhängige Möglichkeit, Arduino-Sketches direkt im Browser zu programmieren, ohne eine lokale Softwareinstallation vornehmen zu müssen. Für die Nutzung dieses Editors muss zunächst ein Arduino-Konto registriert werden. Dieses Konto ähnelt dem, das für den Kauf von Arduino-Hardware im offiziellen Store verwendet wird und ermöglicht den Zugriff auf alle Funktionen des Web Editors sowie die Verwaltung eigener Projekte und Bibliotheken.

Ein zentraler Schritt bei der Vorbereitung ist die Installation eines Arduino Plug-ins. Dieses Plug-in fungiert als Kommunikationsbrücke zwischen dem lokalen Arduino Nano 33 IoT und dem Web Editor. Besonders unter Windows ist die Installation unerlässlich, um eine reibungslose Verbindung zu gewährleisten. Der Installationsprozess beginnt auf der offiziellen Arduino-Webseite, wo der Nutzer zunächst die Installationsdatei herunterlädt und anschließend die Installation durchführt. Nach erfolgreicher Installation erkennt der Browser automatisch das Plug-in und ermöglicht den direkten Zugriff auf den Web Editor.

Nachdem der passende Boardtyp ausgewählt wurde – in diesem Fall das Arduino Nano 33 IoT – kann der Code kompiliert und direkt über den Web Editor auf das Gerät hochgeladen werden. Die Nutzung von Beispielprojekten ermöglicht es, schnell erste Erfolgserlebnisse zu erzielen und die Funktionsweise von Arduino-Sketches kennenzulernen.

Wichtig ist, dass der Nutzer sich mit der Programmiersprache vertraut macht, die auf C++ basiert und eine eigene Dialektvariante namens Sketch nutzt. Kenntnisse in C++ erleichtern das Erlernen erheblich, jedoch sind grundlegende Syntax und Programmstrukturen auch für Einsteiger gut erlernbar. Die deklarative Art, Variablen zu definieren, Kontrollstrukturen wie Schleifen und Bedingungen zu verwenden, sowie der Umgang mit Ein- und Ausgabesignalen sind Grundlagen, die im weiteren Verlauf unverzichtbar sind.

Neben der reinen Installation und dem Aufbau einer ersten Programmlogik sollte der Nutzer auch die Kommunikationsschnittstellen des Arduino Nano 33 IoT verstehen. Die integrierten WiFi- und Bluetooth-Module eröffnen zahlreiche Möglichkeiten, das Board in Netzwerke einzubinden oder mit anderen Geräten drahtlos zu kommunizieren. Die Kenntnis dieser Schnittstellen erweitert die Anwendungsbereiche erheblich und ist ein Schlüssel zur Entwicklung komplexerer Projekte.

Darüber hinaus ist es wichtig, die verschiedenen Ein- und Ausgabemöglichkeiten des Boards zu kennen – digitale und analoge Pins, PWM, SPI und I2C. Diese Protokolle und Schnittstellen erlauben die Steuerung von Sensoren, Aktoren und anderen Per