【Maker 實戰】實作 Arduino Ethernet Shield 應用，透過網路監控居家亮度

我們在家居生活中，亮度是保護我們眼睛最重要的靈藥，家中許多高齡長者、幼童等在房間裡面，如果亮度不足，不但沒有安全感，對視力的保健，更是一大殺手。如果我們如果在家裡看到這樣的情形，當然可以馬上調整光線，但是如果我們在外面上班，就不太容易查覺到這樣隱藏的問題。

（本文由\曹永忠、許智誠、蔡英德共同撰寫）

因此，如果我們用Arduino來照顧我們的眼睛，可以透過手機上網，直接使用瀏覽器可以監控我們家的亮度或許是個可行的應用，所以我們想到使用Arduiono，透過簡單的上網擴充卡，瞬間就讓我們的家庭進化成先進的智慧家庭。所以本文就要告訴讀者，如何簡單、快速、有效的建立一個居家亮度監控的物聯網。

Arduino Ethernet Shield 簡介

Ethernet Shield（W5100）主要特色是把 TCP/IP Protocols (TCP, UDP, ICMP, IPv4 ARP, IGMP, PPPoE, Ethernet) 做在硬體電路上，減輕了單晶片(MCU )的負擔 (也就是 Arduino 開發板的負擔)。

Arduino 程式只要使用 Ethernet Library 便可以輕易完成連至網際網路的動作，不過 W5100 也不是沒有缺點，因為它有一個限制，就是最多只允許同時 4 個 socket 連線。

（Ethernet Library 可到Arduino.cc的官網：，下載函式庫與相關範例。）

Arduino Ethernet Shield 使用加長型的 Pin header (如下圖.(a)、下圖.(b))，可以直接插到 Arduino 控制板上 (如下圖.(c)、下圖.(d) 、下圖.(e))，而且原封不動地保留了 Arduino 控制板的 Pin Layout，讓使用者可以在它上面疊其它的擴充板(如下圖.(c) 、下圖.(d) 、下圖.(e))。

▼ Ethernet Shield(W5100)

比較新的 Ethernet Shield 增加了 micro-SD card 插槽，可以用來儲存檔案，你可以用 Arduino 內建的 SD library 來存取板子上的 SD card。此外，Ethernet Shield 相容於 UNO 和 Mega 2560 控制板。

Arduino 開發板跟 W5100 以及 SD card 之間的通訊都是透過 SPI bus (通過 ICSP header)。

以 UNO開發板而言，SPI bus 腳位位於 pins 11, 12 和 13，而 Mega 2560開發板則是 pins 50, 51 和 52。UNO 和 Mega 2560 都一樣，pin 10 是用來選擇 W5100，而 pin 4 則是用來選擇 SD card。這邊提到的這幾支腳位都不能拿來當 GPIO 使用，請讀者勿必避開這兩個GPIO腳位。

另外，在 Arduino Mega 2560 開發板上，pin 53 是 hardware SS pin，這支腳位也必須保持為 OUTPUT，不然 SPI bus 就不能動作。

在使用的時候要注意一件事，因為 W5100 和 SD card 共享 SPI bus，所以在同一個時間只能使用其中一個設備。如果你程式裏會用到 W5100 和 SD card 兩種設備，那在使用對應的 library 時就要特別留意，要避免搶 SPI bus 資源的情形。

假如你確定不會用到其中一個設備的話，你可以在程式裏明白地指示 Arduino開發板，方法是: 如果不會用到 SD card，那就把 pin 4 設置成 OUTPUT並把狀態改為 high，如果不會用到 W5100，那麼便把 pin 10 設置成 OUTPUT並把狀態改為 high。

如下圖所示，Ethernet Shield狀態指示燈 (LEDs)功能列舉如下:

PWR: 表示 Arduino 控制板和 Ethernet Shield 已經上電
LINK: 網路指示燈，當燈號閃爍時代表正在傳送或接收資料
FULLD: 代表網路連線是全雙工
100M: 表示網路是 100 MB/s (相對於 10 Mb/s)
RX: 接收資料時閃爍
TX: 傳送資料時閃爍
COLL: 閃爍時代表網路上發生封包碰撞的情形 (network collisions are detected)

資料來源：

▲ W5100指示燈

實做亮度監控網站

首先，組立W5100 以太網路模組是非常容易的一件事，如下圖所示，只要將W5100 以太網路模組堆疊到任何Arduino開發板之上就可以了。

▲3 將Arduino開發板與W5100 以太網路模組堆疊組立

之後，再將組立好的W5100 以太網路模組，如下圖所示，只要將USB線差到Arduino開發板，再將RJ 45的網路線一端插到W5100 以太網路模組，另一端插到可以上網的集線器(Switch HUB)的任何一個區域網路接口(Lan Port)就可以了。

▲ 接上電源與網路線的W5100 以太網路模組堆疊卡

將Arduino 開發板的驅動程式安裝好之後，我們打開Arduino 開發板的開發工具：Sketch IDE整合開發軟體，攥寫一段程式，如下表所示之實做亮度監控網站測試程式，我們就可以讓W5100 以太網路模組堆疊卡變成一台簡易的實做亮度監控伺服器運作了。

表 1實做亮度監控網站測試程式

實做亮度監控網站測試程式(LightMonitorServer)

Web Server

A simple web server that shows the value of the analog input pins.

using an Arduino Wiznet Ethernet shield.

Circuit:

* Ethernet shield attached to pins 10, 11, 12, 13

* Analog inputs attached to pins A0 through A5 (optional)

created 18 Dec 2009

by David A. Mellis

modified 9 Apr 2012

by Tom Igoe

#include <SPI.h>

#include <Ethernet.h>

#include <Wire.h>

#include <BH1750.h>

// Enter a MAC address and IP address for your controller below.

// The IP address will be dependent on your local network:

byte mac[] = {

0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF

};

IPAddress ip(192, 168, 30, 200);

IPAddress dnServer(168, 95, 1, 1);

// the router's gateway address:

IPAddress gateway(192, 168, 30, 254);

// the subnet:

IPAddress subnet(255, 255, 255, 0);

// Initialize the Ethernet server library

// with the IP address and port you want to use

// (port 80 is default for HTTP):

EthernetServer server(80);

BH1750 lightMeter;

void setup() {

lightMeter.begin();

// Open serial communications and wait for port to open:

Serial.begin(9600);

while (!Serial) {

; // wait for serial port to connect. Needed for Leonardo only

}

// start the Ethernet connection and the server:

Ethernet.begin(mac, ip, dnServer, gateway, subnet);

server.begin();

Serial.print("server is at ");

Serial.println(Ethernet.localIP());

}

void loop() {

uint16_t lux = lightMeter.readLightLevel();

// listen for incoming clients

EthernetClient client = server.available();

if (client) {

Serial.println("new client");

// an http request ends with a blank line

boolean currentLineIsBlank = true;

while (client.connected()) {

if (client.available()) {

char c = client.read();

Serial.write(c);

// if you've gotten to the end of the line (received a newline

// character) and the line is blank, the http request has ended,

// so you can send a reply

if (c == '\n' && currentLineIsBlank) {

// send a standard http response header

client.println("HTTP/1.1 200 OK");

client.println("Content-Type: text/html");

client.println("Connection: close"); // the connection will be closed after completion of the response

client.println("Refresh: 5"); // refresh the page automatically every 5 sec

client.println();

client.println("<!DOCTYPE HTML>");

client.println("<html>");

// output the value of each analog input pin

for (int analogChannel = 0; analogChannel < 6; analogChannel++) {

int sensorReading = analogRead(analogChannel);

client.print("analog input ");

client.print(analogChannel);

client.print(" is ");

client.print(sensorReading);

client.println("<br />");

}

client.print("Light: ");

client.print(lux);

client.println(" lx");

client.println("</html>");

break;

}

if (c == '\n') {

// you're starting a new line

currentLineIsBlank = true;

}

else if (c != '\r') {

// you've gotten a character on the current line

currentLineIsBlank = false;

}

// give the web browser time to receive the data

delay(1);

// close the connection:

client.stop();

Serial.println("client disconnected");

}

範例原始碼網址：https://github.com/brucetsao/arduino_RFProgramming

如下圖所示，讀者可以看到本次實驗- 實做亮度監控網站測試程式結果畫面。

▲實做亮度監控網站測試程式結果畫面

最後，讀者可以將家中的虛擬IP透過分享器(NAT)，將192.168.30.200轉成真時IP，那麼所有在網際網路上的使用者，都可以輕易使用任何裝置，手機、平板、筆電....等等上網，使用瀏覽器查看到我們家裡的亮度了。

作者介紹

曹永忠 (Yung-Chung Tsao)：目前為自由作家、台灣資訊傳播學會秘書長，專研於軟體工程、軟體開發與設計、物件導向程式設計，商品攝影及人像攝影。長期投入資訊系統設計與開發、企業應用系統開發、軟體工程、新產品開發管理、商品及人像攝影等領域，並持續發表作品及相關專業著作。

Email: ，Line ID：dr.brucetsao

Arduino部落格：

範例原始碼網址：https://github.com/brucetsao/arduino_RFProgramming

臉書社群(Arduino.Taiwan)：https://www.facebook.com/groups/Arduino.Taiwan/

Arduino活動官網：

Youtube：https://www.youtube.com/channel/UCcYG2yY_u0m1aotcA4hrRgQ