Mini réseau d'objets connectés

Ce document présente le projet de création d'un mini réseau d'objets connectés, réalisé dans le cadre d'un projet universitaire. L'objectif principal de ce projet est de démontrer la faisabilité et les fonctionnalités d'un tel réseau.

Sommaire

• Matériels utilisés
• Mise en œuvre des matériels

Matériels utilisés

Le mini réseau d'objets connectés a été mis en place en utilisant les composants matériels suivants :

Aperçu	Quantité	Matériel	Description
	1	RPI3	Ce mini ordinateur a été utilisé comme serveur central pour le projet. Il est équipé d’un processeur quad-core Cortex-A53 à 1,2 GHz, 1 Go de mémoire RAM et d’un slot pour carte SD. Il a été utilisé pour installer un serveur web, une base de données et un serveur MQTT.
	1	Carte micro SD 32Go	Cette carte SD a été utilisée pour stocker l’OS et les données du projet.
	2	ESP32 Wemos D1	Ces modules de communication sans fil ont été utilisés pour connecter les capteurs et les actionneurs au Raspberry PI. Ils disposent d’un processeur 32 bits, d’une mémoire flash intégrée et d’un module WiFi intégré. L’un des ESP a été programmé en utilisant microPython, l’autre en utilisant l’IDE Arduino.
	1	Capteur BME680	Ce capteur a été utilisé pour mesurer la température, l’humidité, la pression atmosphérique et la qualité de l’air. Il se connecte via liaison I2C et a une précision de ±1 % pour la température et l’humidité et de ±1 hPa pour la pression atmosphérique.
	1	Servo-moteur	Ce moteur a été utilisé pour être actionné. Il est capable de fonctionner dans une plage de tension de 4,8 à 6 V et peut être commandé avec une précision de 0,1 degré.
	2	1 écran SSD1306 + 1 écran LCD	Ces écrans ont été utilisés pour afficher des données captées par les capteurs et des informations supplémentaires. L’écran OLED SSD1306 est un mini écran OLED monochrome via liaison I2C, tandis que l’écran LCD est un écran à cristaux liquides de 2 lignes x 16 caractères et se faisant par liaison on série.
	2	Plaques d’essais	Ces plaques d’essais ont été utilisées pour connecter les composants électroniques pour les tests et pour l’assemblage de la maquette.
	2	Résistances	Ces résistances ont été utilisées pour protéger les composants électroniques contre les surintensités.
	1	LED	Cette LED a été utilisée pour indiquer l’état de certaines fonctions.

Mise en oeuvre des matériels

La mise en œuvre du mini réseau d'objets connectés comprend les étapes suivantes :

1. Configuration du Raspberry Pi : Le Raspberry Pi est configuré en tant que nœud central du réseau.
2. Installation et configuration de Node-RED : Node-RED est installé sur le Raspberry Pi pour faciliter la gestion des données captées par les capteurs.
3. Création du flux Node-RED : Un flux Node-RED est créé pour traiter les données captées par les capteurs.
4. Configuration des ESP32 : Les ESP32 sont configurés pour capturer les données environnementales à l'aide de capteurs connectés à eux. Cela est réalisé en utilisant des programmes écrits en langage C et MicroPython.

Maquette

Aperçu en vrai

Configuration de la box Wifi

Sur la face arrière de la box wifi qui nous a été fournie pour ce projet, nous avons découvert l’adresse IP de la box (192.168.1.50) ainsi que les identifiants de connections pour accéder à la page d’administration de cette box (identifiant : admin) et sans mots de passe. Étant donné que cette box avait une configuration par défaut assez complet pour un réseau, nous n’avions pas grand-chose à configurer. Ce que nous avons configuré était le mot de passe wifi du SSID ”PT4ObjConnect” que nous avons remplacé par ”Admin2022” et avons activé le DHCP avec une plage d’adresse allant de ”192.168.1.30” à ”192.168.1.200” qui était désactivé par défaut.

Configuration du Raspberry PI

Afin de configurer le Raspberry PI, nous avons utilisé l’OS DietPi dû à sa légèreté et sa simplicité d’utilisation. Pour installer Dietpi sur le RPI, il faut d’abord flasher l’OS sur une carte SD avec le logiciel RPI-Imager :

Avant de connecter le RPI au wifi de la box, nous avons créé un partage de connexion à l’aide d’un téléphone portable ayant accès à internet (étant donné que la box n’a pas accès à internet et que nous en avons besoin afin d’installer des logiciels sur le RPI). Nous avons également utilisé un PC portable (sous Linux) connecté au téléphone par Wifi afin de configurer le Raspberry PI par SSH. Sur le PC portable, pour connaitre la passerelle par défaut de ce réseau créé par le téléphone, nous avons relevé la passerelle par défaut avec la commande ”ip r” :

Pour commencer, avant de démarrer le RPI, nous avons créé un fichier ”ssh” vide dans la partition contenant la racine de l’OS afin d’activer le service ssh au démarrage du RPI.

Et dans la deuxième partition (en FAT) nous avons modifié le fichier dietpi.txt afin d’activer la carte wifi et configurer le Raspberry PI avec une adresse IP statique. Les lignes que nous avons modifiées dans le fichier dietpi.txt sont les suivantes :

AUTO_SETUP_NET_ETHERNET_ENABLED =0
AUTO_SETUP_NET_WIFI_ENABLED =1
AUTO_SETUP_NET_USESTATIC =1
AUTO_SETUP_NET_STATIC_IP =192.168.80.160
AUTO_SETUP_NET_STATIC_MASK =255.255.255.0
AUTO_SETUP_NET_STATIC_GATEWAY =192.168.80.153
AUTO_SETUP_DHCP_TO_STATIC =1

Ensuite, pour que le Raspberry PI se connecte au wifi du téléphone, nous avons modifié le fichier dietpi-wifi.txt avec les informations suivantes :

aWIFI_SSID [0]= ' WifiSAE '
aWIFI_KEY [0]= '12345678910 '

Une fois le Raspberry PI alimenté, il se connecte en quelques secondes au réseau wifi. Nous pouvons nous y connecter par ssh en utilisant la commande :

ssh dietpi@192.168.80.160

Avec le mot de passe par défaut ”dietpi”. Ce qui nous retourne cette interface une fois connecté :

Afin de mettre à jour le système, nous avons utilisé la commande :

sudo dietpi-update

Pour installer les différents services nécessaires pour ce projet sur le Raspberry PI, nous avons utilisé la commande :

sudo dietpi-software

Et avons sélectionné l’option ”search software” pour rechercher les logiciels MariaDB, Mosquitto et Node-RED, et les avons ensuite sélectionnés pour les installer :

Pour configurer le serveur MQTT, nous avons modifié le fichier ”/etc/mosquitto/mosquitto.conf” pour supprimer tout son contenu et le remplacer par :

allow_anonymous false
password_file /etc/ mosquitto /passwd
listener 1883

Nous avons ensuite ajouté un utilisateur en utilisant la commande ”sudo mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd patate” et avons redémarré le service MQTT avec ”sudo systemctl restart mosquitto”. Si jamais un utilisateur a été créer par erreur et que vous voulez le supprimer, par exemple l’utilisateur ”username” il suffit d’exécuter la commande suivante : ”sudo mosquitto_passwd -d /etc/mosquitto/passwd username”.

Afin de configurer la base de données MariaDB, nous avons utilisé la commande permettant de configurer l’utilisateur root et d’assurer la sécurité de la base de données :

sudo mysql_secure_installation

Pour se connecter à la base de données, nous avons en utilisé la commande ”mysql -u root -p” puis avons ajouté l’utilisateur ”patate” en utilisant la commande afin de lui donner tous les privilèges :

GRANT ALL PRIVILEGES ON . TO 'patate '@'localhost ' IDENTIFIED BY 'patate ';

Nous avons ensuite utilisé la commande ”FLUSH PRIVILEGES” pour prendre en compte les nouveaux privilèges.

Pour configurer Node-RED, nous avons dans un premier temps utilisé la commande ”sudo systemctl enable nodered.service” afin d’activer le service Node-RED au démarrage. À la suite de son installation, Node-RED était disponible à l’adresse IP de notre Raspberry

PI sur le port 1880. Concernant Node-RED, c’est un environnement de programmation visuel open-source basé sur Node.js qui permet de créer des flux de données et des applications IoT en utilisant des blocs graphiques. Il facilite la création de protocoles de communication, la manipulation de données et la création d’interfaces utilisateur en utilisant des nœuds prédéfinis ou personnalisés. Il est souvent utilisé pour connecter des périphériques IoT, des services en nuage et des applications web. Il est également possible d’ajouter des fonctionnalités supplémentaires en utilisant des modules additionnels.

Pour ajouter des fonctionnalités supplémentaires à Node-RED, nous avons installé les modules node-red-dashboard et node-red-node-mysql en utilisant le gestionnaire de paquets de Node-RED. Pour installer les modules Node-RED Dashboard et Node-RED Node-MySQL, nous avons utilisé les commandes suivantes dans le terminal de notre Raspberry PI :

cd /mnt/ dietpi_userdata /node -red/
npm install node -red - dashboard
npm install node -red -node -mysql

La première commande permet de se rendre dans le répertoire de Node-RED, et la seconde et la troisième commandes permettent respectivement d’installer les modules Node-RED Dashboard et Node-RED Node-MySQL. Une fois les modules installés, ils deviennent disponibles dans les palettes de nœuds de Node-RED et peuvent être utilisés pour créer des tableaux de bord et des requêtes SQL directement depuis Node-RED. Le module node-red- dashboard a été utilisé pour créer des tableaux de bord pour afficher les données des capteurs en temps réel. Le module node-red-node-mysql a été utilisé pour stocker les données des capteurs dans une base de données MySQL sur le Raspberry PI. Ces modules ont été installés en utilisant les commandes npm depuis le terminal.

En utilisant ces modules, nous avons pu créer des flux de données pour collecter les données des capteurs, les stocker dans une base de données MySQL et les afficher sur des tableaux de bord en utilisant Node-RED. Cela nous a permis de visualiser les données des capteurs en temps réel et de stocker les données pour une analyse ultérieure. Pour vous donner une idée de notre flux final sur Node-RED, voici une image de notre flow final :

Aperçu interface web généré par Node-RED

Une fois tous les services installés et configurés, nous avons connecté le Raspberry PI au réseau de la box ”PT4ObjConnect” en utilisant la commande

sudo dietpi-config

Et en spécifiant le mot de passe ”Admin2022”. Pour cela utiliser la commande

sudo dietpi-config

Puis aller dans ”Network Options” :

Ensuite choisir l’option :

WiFi : Available | [On] | Connected

Puis mettre l’adresse IP en DHCP avec l’option ”Change mode” afin que le RPI se connecte au réseau automatiquement.

Programmation des ESP32

Nous avions à notre disposition deux ESP32, l’un faisant tourner des programmes en Micropython à l’aide de l’IDE Thonny et l’autre faisant tourner des programmes en C à l’aide de l’IDE Arduino.

L’image ci-dessous montre les différents pins des deux ESP32 utilisés dans ce projet. Il est important de noter que certains des pins indiqués sur cette image ne correspondent pas exactement à leur emplacement réel sur le module ESP32 utilisé dans ce projet. Cependant, cette image fournit une vue d’ensemble des fonctions des différents pins et permet de comprendre comment ils ont été utilisés dans notre projet.

ESP32 Micropython

Sur l’ESP32 sous Micropython, nous avons utilisé les capteurs BME680, Oled, Servo FS90R ainsi qu’une LED. Nous avons utilisé l’IDE Thonny pour écrire et téléverser les codes sur l’ESP32. Pour configurer Thonny afin d’utiliser MicroPython sur l’ESP32, nous avons suivi les étapes suivantes :

• Aller dans le menu Outils > Options > Interpréteur
• Sélectionner MicroPython (ESP32)

Avant de pouvoir téléverser nos codes sur l’ESP32, il a fallu installer le firmware. Pour ce faire, nous avons utilisé les étapes suivantes :

• Sélectionner le port série connecté à l’ESP32
• Sélectionner le firmware approprié (dans notre cas, esp32-idf3-20191220-v1.12.bin)
• Cliquer sur installer pour téléverser le firmware sur l’ESP32

Une fois ces étapes effectuées, nous étions prêts à écrire et à téléverser notre code sur l’ESP32.

L’image ci-dessous est un schéma qui montre comment les différents composants utilisés dans le projet ont été connectés à l’ESP32 (fichier .fzz). On peut voir sur l’image comment les broches de l’ESP32 sont connectées aux broches des différents capteurs pour établir les communications I2C. Cette image donne une vue d’ensemble visuelle de la configuration des différents composants.

Le tableau suivant montre les connections des différents capteurs (BME280, LED, OLED et Servo FS90R) sur l’ESP32. Les broches GND et 3.3 V sont connectées respectivement aux broches GND et VCC des capteurs. Les broches SCL et SDA (GPIO22 et GPIO21) sont connectées respectivement aux broches SCL et SDA des capteurs pour la communication I2C. La broche GPIO14 est connectée à l’anode (+) de la LED. La broche VIN (5V) est connectée à la source d’alimentation. La broche RX2 (GPIO16) est connectée entre S et G pour le servo moteur.

ESP32	BME680	LED	Oled	Servo FS90R
GND	GND	Cathode (-)	GND	G
3.3V	VCC	X	VCC	X
SCL (GPIO22)	SCL	X	SCL	X
SDA (GPIO21)	SDA	X	SDA	X
GPIO14	X	Anode (+)	X	X
VIN (5V)	X	X	X	entre S et G
RX2 (GPIO16)	X	X	X	S

Codes utilisés pour programmer l’ESP32 en utilisant Thonny (MicroPython) :

Boot : boot.py Ce fichier est responsable de l'initialisation et de la configuration initiale de l'ESP32 au démarrage.

Librairies :

• bme680.py Cette bibliothèque contient les fonctions et les classes nécessaires pour interagir avec le capteur BME680.
• ssd1306.py Cette bibliothèque contient les fonctions et les classes nécessaires pour interagir avec l'écran OLED.

Connection WIFI :

• wifi.py Ce fichier gère la connexion à un réseau WiFi en configurant les paramètres de connexion.
• ssid_connect.py Ce fichier contient les identifiants (SSID et mot de passe) du réseau WiFi auquel l'ESP32 doit se connecter.

Main : main.py Ce fichier contient le code principal du programme, qui coordonne les différentes fonctionnalités et le comportement de l'ESP32.

Les librairies utilisées incluent ”Pin, SoftI2C, time, bme680, ssd1306, machine, network, umqtt.robust, sys” qui ont été utilisées pour gérer les capteurs, l’affichage, la communication réseau et la transmission de données via MQTT.

ESP32 en C

Sur l’ESP32 fonctionnant que nous avons configuré sur l’IDE d’Arduino, nous avons utilisé l’écran LCD qui se branche en série. Concernant la configuration de l’IDE d’Arduino, nous avons tout d’abord ajouté la prise en charge des cartes ESP32 sur Arduino. Pour cela, il faut se rendre dans les préférences du logiciel (Fichiers > Préférences) et dans la partie URL de gestionnaire des cartes supplémentaires, il faut ajouter l’URL qui correspond au gestionnaire de carte ESP32 « https ://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json ».

Ensuite, nous avons ajouté la libraire de l’ESP32 dans le gestionnaire de carte, pour cela aller dans (Outils > Cartes > Gestionnaire de carte). Puis rechercher et installer le gestionnaire de carte correspondant à ESP32.

Une fois l’installation terminée, les cartes ESP32 sont disponibles dans le gestionnaire de carte. Il reste donc à choisir la bonne carte correspondante à notre ESP32. Dans notre cas, nous avons une WEMOS D1 MINI ESP32.

L’image ci-dessous est un schéma qui montre comment l’écran LCD utilisés dans le projet a été connecté à l’ESP32. On peut voir sur l’image comment les broches de l’ESP32 sont connectées aux broches de l’écran pour établir une communication en série.

Concernant le branchage, nous avons utilisé une résistance afin de calibrer le contraste de l’écran LCD, ce qui permet de rendre le texte s’affichant sur l’écran visible. L’affichage sur écran LCD nécessite un voltage de 5 volts sur le PIN VDD qui est connecté au PIN VIN de l’ESP32. Enfin, les différents PIN de l’écran LCD sont branchés à l’ESP32 selon le tableau suivant :

ESP32	Ecran LCD
GND	VSS
5V(VIN)	VDD
4k7Ohm	V0
D19	RS
4k7Ohm/GND	RW
D23	D0
D19	D4
TX2	D5
RX2	D9
D15	D7
5V (VIN)	A
GND	K

Le code utilisé pour programmer l'ESP32 en utilisant l'IDE d'Arduino se trouve dans le fichier : main.ino

Pour faciliter la communication MQTT, la librairie PubSubClient a été utilisée. Elle permet à l'ESP32 d'établir une connexion avec un broker MQTT et de publier les données environnementales capturées.

De plus, la librairie LiquidCrystal a été utilisée pour faciliter l'utilisation d'un écran LCD. Cette librairie permet d'afficher les données capturées sur l'écran LCD connecté à l'ESP32, offrant ainsi une interface visuelle pour les utilisateurs.

En utilisant l'IDE d'Arduino et les librairies PubSubClient et LiquidCrystal, le code permet une configuration complète de l'ESP32 pour capturer les données environnementales, les publier via MQTT et les afficher sur un écran LCD.