Introducción

Los módulos HC-05 y HC-06 son módulos de Bluetooth que podemos usar para conectar Arduino por Bluetooth.

Mucha gente puede tener la impresión de que el Bluetooth es una tecnología anticuada, que se usaba para trasmitir datos entre dispositivos, y que actualmente está en desuso. Nada más lejos de la realidad.

Bluetooth tiene la enorme ventaja de estar integrado de fábrica en la mayoría de dispositivos. Portátiles, Tablets, y Smartphones llevan integrado Bluetooth. Además, su uso es independiente del sistema operativo (Windows, Linux, Mac o Android).

Esto convierte a la tecnología Bluetooth en uno de los mejores medios para comunicarnos de forma inalámbrica con Arduino. Por ejemplo, puede ser empleado para controlar un robot desde el móvil o Tablet, o para recibir mediciones en un ordenador para registrarlas en un servidor web.

Incluso es posible programar Arduino de forma inalámbrica a través de Bluetooth.

Los dos módulos, HC-05 y HC-06, nos permiten conectar de forma sencilla un Arduino por Bluetooth. La diferencia entre ambos módulos es que el HC-06 sólo permite recibir comunicaciones (slave) mientras que el HC-05 puede recibirlas e iniciarlas (master and server). Por tanto el módulo HC-05 es superior en características técnicas.

¿Cómo funcionan los Módulos HC-05 y HC-06?

La comunicación Bluetooth es similar al uso del puerto serie normal. Por tanto, resulta muy versátil y muy sencillo de usar.

La diferencia principal es que, en lugar de un conectar un cable, debe emparejarse el módulo con un dispositivo. El proceso de emparejado depende del sistema operativo (y la versión del mismo) pero es, en general, un proceso sencillo.

Para establecer la comunicación desde el dispositivo, puede usarse el propio Serial Monitor del Arduino IDE. También se encontraran en todos los sistemas (Windows, Linux, Mac, o Android) las aplicaciones para establecer la comunicación por el puerto serie.

Por último, resulta muy sencillo integrar el uso del puerto serie (y por tanto del Bluetooth) en una gran variedad de lenguajes de programación, incluidos Java, C#, VB .Net, o Python, que disponen de funciones específicas para ellos.

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Los puertos serie son la forma principal de comunicar una placa Arduino con un ordenador.

Gracias al puerto serie es posible, por ejemplo, mover el ratón o simular la escritura de un usuario en el teclado, enviar correos con alertas, controlar un robot realizando los cálculos en el ordenador, encender o apagar un dispositivo desde una página Web a través de Internet, o desde una aplicación móvil a través de Bluetooth.

Existen un sin fin de posibilidades en las que se requiere el empleo del puerto serie. Por tanto el puerto serie es un componente fundamental de una gran cantidad de proyectos de Arduino, y es uno de los elementos básicos que debemos aprender para poder sacar todo el potencial de Arduino.

¿Qué es el puerto serie?

Un puerto es el nombre genérico con que se denominan las interfaces, físicas o virtuales, que permiten la comunicación entre dos ordenadores o dispositivos.

Un puerto serie envía la información mediante una secuencia de bits. Para ello se necesitan al menos dos conectores para realizar la comunicación de datos, RX (recepción) y TX (transmisión). No obstante, pueden existir otros conductores para referencia de tensión, sincronismo de reloj, etc.

Por el contrario, un puerto paralelo envía la información mediante múltiples canales de forma simultánea. Para ello necesita un número superior de conductores de comunicación, que varían en función del tipo de puerto. Igualmente existe la posibilidad de conductores adicionales además de los de comunicación.

Históricamente ambos tipos de puertos han convivido en los ordenadores, empleándose los puertos paralelos en aquellas aplicaciones que requerían la transmisión de mayores volúmenes de datos. Sin embargo, a medida que los procesadores se hicieron más rápidos los puertos de serie fueron desplazando progresivamente a los puertos paralelos en la mayoría de aplicaciones.

Un ordenador convencional dispone de varios puertos de serie. Los más conocidos son el popular USB (universal serial port) y el ya casi olvidado RS-232 (el de los antiguos ratones). Sin embargo, dentro del ámbito de la informática y automatización existen una gran cantidad adicional de tipos de puertos serie, como por ejemplo el RS-485, I2C, SPI, Serial Ata, Pcie Express, Ethernet o FireWire, entre otros.

En ocasiones se refieren a los puertos de serie como UART. La UART (universally asynchronous receiver/transmitter) es una unidad que incorporan ciertos procesadores, encargada de realiza la conversión de los datos a una secuencia de bits y transmitirlos o recibirlos a una velocidad determinada.

Por otro lado, también es común escuchar el término TTL (transistor-transistor logic). Esto significa que la comunicación se realiza mediante variaciones en la señal entre 0V y Vcc (donde Vcc suele ser 3.3V o 5V). Por el contrario, otros sistemas de transmisión emplean variaciones de voltaje de -Vcc a +Vcc (por ejemplo, los puertos RS-232 típicamente varían entre -13V a 13V).

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Esta guía se abordará el sistema de comunicación bus I2C, el cual es utilizado por una gran cantidad de dispositivos, como acelerómetros, brújulas, displays, etc.

¿Qué es el bus I2C?

Abreviatura de Inter-IC (I²C) (inter integrated circuits), un tipo de bus diseñado por Philips Semiconductors a principios de los 80s, que se utiliza para conectar circuitos integrados (ICs).

Es un estándar que facilita la comunicación entre microcontroladores, memorias y otros dispositivos con cierto nivel de "inteligencia".

La metodología de comunicación de datos del bus I2C es en serie y sincrónica. Sólo requiere de dos líneas de señal y un común o masa, una de las señales marca el tiempo (pulsos de reloj) y la otra se utiliza para intercambiar datos.

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El protocolo de comunicación MQTT, se ha vuelto uno de los principales pilares del IoT por su sencillez y ligereza.

¿Qué es MQTT?

MQTT son las siglas MQ Telemetry Transport, aunque en primer lugar fue conocido como Message Queing Telemetry Transport.

Está basado en la pila TCP/IP como base para la comunicación.
En el caso de MQTT cada conexión se mantiene abierta y se «reutiliza» en cada comunicación. Es una diferencia, por ejemplo, a una petición HTTP 1.0 donde cada transmisión se realiza a través de conexión.

¿Cómo funciona el MQTT?

MQTT es un servicio de mensajería push con el modelo de publicador/suscriptor (pub-sub). En este tipo de arquitecturas los clientes (publicadores ó suscriptores) intercambia datos con un servidor centralizado o broker.

Para organizar las colas de envio y recepcion de datos estas se organizan por asuntos o topics.
Cada cliente puede publicar un mensaje en un determinado topic o recibir informacion de los topics a los que se encuentra suscripto.

Flujo de trabajo

Los clientes inician una conexión TCP/IP con el broker, el cual mantiene un registro de los clientes conectados. Esta conexión se mantiene abierta hasta que el cliente la finaliza.
Para ello el cliente envía un mensaje CONNECT que contiene información necesaria (nombre de usuario, contraseña, client-id…). El broker responde con un mensaje CONNACK, que contiene el resultado de la conexión (aceptada, rechazada, etc).
Por defecto, MQTT emplea el puerto 1883 y el 8883 cuando funciona sobre TLS.

QoS (Calidad del Servicio)

MQTT dispone de un mecanismo de calidad del servicio o QoS, entendido como la forma de gestionar la robustez del envío de mensajes al cliente ante fallos (por ejemplo, de conectividad).

Niveles QoS posibles

1. QoS 0 unacknowledged (at most one): El mensaje se envía una única vez. En caso de fallo puede que algun mensaje no se entregue.
2. QoS 1 acknowledged (at least one): El mensaje se envía hasta que se garantiza la entrega. En caso de fallo, el suscriptor puede recibir algún mensaje duplicados.
3. QoS 2 assured (exactly one): Se garantiza que cada mensaje se entrega al suscriptor, y únicamente una vez.

Usar un nivel u otro depende de las características y necesidades de fiabilidad de nuestro sistema.
Lógicamente, un nivel de QoS superior requiere un mayor intercambio mayor de mensajes de verificación con el cliente y, por tanto, mayor carga al sistema.

Ventajas del MQTT

Son varias las ventajas del protocolo MQTT como sistema de comunicación IoT.
Por un lado, tenemos todas las ventajas de la arquitectura publicador/suscriptor como son escalabilidad, asincronismo, desacomplamiento entre clientes.

Otra ventaja es su ligereza del protocolo MQTT es que requiere un ancho de banda mínimo, lo cual es importante en redes inalámbricas (3G), o conexiones con posibles problemas de calidad.