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Librería que consolida varias necesidades comunes a todos los proyectos basados en YUBOX ESP32 para IoT.

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YUBOX Framework

Librería que consolida varias necesidades comunes a todos los proyectos basados en YUBOX ESP32 para IoT.

Tabla de contenido

Requerimientos del framework

A partir de la historia de proyectos de IoT de YUBOX se ha notado que las implementaciones entregadas a los clientes tienen características en común que fue necesario implementar, o que hubiese sido de mucha ayuda haber llegado a implementar. Una lista, no exhaustiva, de tales características se muestra a continuación:

  • Configuración del dispositivo a través de una interfaz Web
  • Protección contra acceso no autorizado a la configuración del dispositivo mediante contraseña
  • Almacenamiento de configuración en NVRAM en oposición a valores incrustados en el código fuente
  • Descubrimiento y configuración in situ de redes WiFi para conectividad a Internet. Esto necesariamente implica el uso de la interfaz softAP del ESP32 para tener acceso al dispositivo antes de configurar credenciales WiFi.
  • Configuración de servidor de hora (NTP) personalizado dentro de redes aisladas del exterior
  • Descubrimiento de la existencia del dispositivo en una red local
  • Configuración estandar de acceso a un servidor MQTT
  • Actualización OTA (Over The Air) del firmware del dispositivo con uso del rollback disponible en el ESP32

La biblioteca de YUBOX Framework es un proyecto en desarrollo que implementa las funcionalidades descritas arriba y presenta una interfaz web estandarizada usando Bootstrap 4 para disponer de widgets estándar. Se debe hacer notar que la porción C++ que se ejecuta en el ESP32 usa AJAX para su comunicación y no depende estrictamente de Bootstrap. Sin embargo, cualquier intento de migrar la interfaz para usar otra biblioteca de interfaz web cliente, requiere una reescritura de todas las porciones HTML y Javascript del framework, y está más allá del alcance de esta documentación.

Instalación

Para poder construir un proyecto que use el Yubox Framework, se debe preparar la PC de desarrollo con los requisitos descritos a continuación:

Requisitos en PC de desarrollo

Esta guía ha sido construida desde el punto de vista de un desarrollo en una PC con una distro Linux. Consecuentemente todos los comandos y utilidades indicados a continuación son presentados como los ejecutaría un usuario de Linux. El desarrollo con YUBOX Framework en un sistema operativo distinto (MacOS o Windows) puede requerir pasos adicionales. Además se asume que el usuario Linux tiene conocimiento de línea de comando básica (shell), y que tiene permisos para instalar paquetes adicionales en caso necesario, tanto localmente como a nivel global del sistema.

Se requieren los siguientes paquetes y componentes en la PC de desarrollo:

  • Arduino IDE, en su versión 1.8 o superior (pero NO 2.0.0, véase más abajo). No está soportado el desarrollo usando versiones anteriores de Arduino IDE. En particular, las distros basadas en Ubuntu podrían tener un paquete arduino que es una versión muy vieja para funcionar correctamente con el resto de paquetes. Si la versión instalada es muy vieja, debe actualizarse con una versión más reciente instalada desde el zip o targz oficial de Arduino.

    ATENCIÓN: algunas distros ofrecen la instalación de Arduino a través de Flatpak. Sin embargo, el modelo de ejecución de Flatpak puede obstruir el acceso a los puertos seriales y también negar el acceso al intérprete Python del sistema lo cual impide completamente subir programas al ESP32. Se recomienda no instalar el Arduino IDE desde Flatpak, sino usando el zip o targz oficial, o el paquete ofrecido por los repositorios de la distro (si es lo suficientemente reciente).

    ATENCIÓN: la versión 2.0.0 de Arduino IDE recientemente lanzada no está actualmente soportada para el uso del Makefile provisto por YUBOX Framework, debido a que la herramienta interna arduino-builder ha sido reemplazada por la herramienta arduino-cli que usa un mecanismo completamente distinto para iniciar la compilación de programas. La herramienta arduino-cli no necesariamente está accesible como un programa independiente en algunas presentaciones de Arduino IDE 2.0.0 (AppImage para Linux por ejemplo). En el momento en que se agregue soporte para arduino-cli, será necesario instalar esta herramienta de forma independiente. Además, debido a que Arduino IDE 2.0.0 ha sido reescrito en Nodejs/Electron en lugar de Java, ningún plugin escrito en Java para Arduino IDE 1.x puede ser usado para Arduino IDE 2.0.0, incluyendo los recomendados más abajo. El soporte de plugins para Arduino IDE 2.0.0 está en etapa de planeación; véase arduino/arduino-ide#58 para detalles y avances.

  • Soporte de ESP32 para el Arduino IDE. Para instalar este soporte, ejecute el Arduino IDE, elija del menú la opción Archivo-->Preferencias, y en el cuadro de diálogo inserte o agregue en la caja de texto "Gestor de URLs Adicionales de Tarjetas" la siguiente URL: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json .

    NOTA: Si no aparece la caja de texto para URLs de tarjetas, su versión de Arduino IDE podría ser muy vieja. Revise la versión de su IDE y actualice en caso necesario.

    A continuación pulse el botón OK, reinicie el Arduino IDE, y elija la opción de menú Herramientas-->Placa-->Gestor de tarjetas. Entonces debe mostrarse un diálogo donde se carga la lista de soportes de tarjetas, incluyendo el soporte "esp32". Pulse sobre esa fila el botón "Instalar", y deje que todos los componentes se descarguen. Luego de completar la instalación, reinicie el Arduino IDE, y elija las siguientes opciones de tarjeta en el menú Herramientas. Note que el orden de elección es importante, porque el tipo de tarjeta condiciona la aparición de las siguientes opciones:

    • Herramientas-->Placa-->ESP32 Arduino-->NodeMCU-32S
    • Herramientas-->Upload Speed-->921600
    • Herramientas-->Flash Frequency-->80MHz

    Al llegar a este punto, recomendamos que verifique que su Arduino IDE efectivamente puede compilar y enviar un sketch mínimo a su YUBOX Node a través del puerto USB Serial, y que el sketch efectivamente se ejecute correctamente.

  • Comando make instalado correctamente en su sistema. Si el comando make no está instalado, es probable que se lo pueda instalar con un comando similar a sudo apt-get install make (para distros basadas en Debian o Ubunto), o sudo yum install make o sudo dnf install make para distros basadas en RedHat como CentOS, SuSE o Fedora. Otras distros pueden requerir sus propias herramientas de instalación de paquetes.

  • Intérprete python3. Se requiere Python 3 para el comando yubox-framework-assemble, el cual no ha sido diseñado para ser ejecutado en Python2. En Fedora 32 el intérprete Python por omisión es Python 3.8. En otras distros puede que sea necesario instalar explícitamente Python3 con el comando sudo apt-get install python3 o sudo yum install python3 o sudo dnf install python3 según su distro.

  • Paquete pip3 que provee Pip para Python 3. Este paquete puede que sea necesario si los paquetes de Python 3 indicados a continuación no están disponibles como paquetes de su distro. Primero verifique si existe el comando /usr/bin/pip3. Si el comando no existe, instálelo con sudo apt-get install python3-pip, sudo yum install python3-pip, o sudo dnf install python3-pip según su distro de Linux.

  • El comando yubox-framework-assemble requiere además de los siguientes paquetes. Para cada uno, intente primero instalar una versión provista por el repositorio de su distro Linux. Si la distro no provee el paquete, entonces ejecute el comando pip3 install PAQUETE donde PAQUETE debe reemplazarse por el paquete a instalar:

    • pystache, intérprete de plantillas Mustache para Python, posiblemente disponible como python3-pystache.

Dependencias Arduino

Se requieren las siguientes bibliotecas de código como dependencias de YUBOX Framework:

  • ArduinoJSON que es una biblioteca para serializar y deserializar JSON, para Arduino. Esta biblioteca se usa principalmente para construir respuestas JSON a las peticiones AJAX. Esta biblioteca se la puede instalar desde el gestor de bibliotecas del Arduino IDE. El YUBOX Framework ha sido probado con la versión 6.15.2 al 22 de julio de 2020.
  • AsyncTCPSock que es una biblioteca para realizar conexiones TCP/IP de forma asíncrona en una tarea separada del ESP32. Esta biblioteca es una reimplementación de la biblioteca AsyncTCP AsyncTCP, hecha para resolver una falla de diseño discutida aquí la cual consiste en un bloqueo mutuo (deadlock) que arriesga reinicios anormales en escenarios de alta actividad de red. La biblioteca AsyncTCPSock NO está disponible en el gestor de bibliotecas de Arduino IDE. Para instalarla, visite https://github.com/yubox-node-org/AsyncTCPSock y descargue un zip con el código fuente desde https://github.com/yubox-node-org/AsyncTCPSock/archive/master.zip o (para uso avanzado) haga un checkout usando git. En cualquier caso, debe existir un directorio con el código de la biblioteca debajo de $(HOME)/Arduino/libraries . Por ejemplo, /home/fulano/Arduino/libraries/AsyncTCPSock. Esta biblioteca es un requisito para las dos bibliotecas siguientes.
    • NOTA: en una versión anterior de este documento, se recomendaba la instalación de AsyncTCP antes de diagnosticar el escenario de deadlock que condujo al desarrollo de AsyncTCPSock. La biblioteca AsyncTCPSock es deliberadamente incompatible con AsyncTCP ya que reimplementa el mismo API. Por lo tanto, ambas bibliotecas NO deben estar instaladas simultáneamente en la misma instalación de Arduino IDE. Si se va a instalar AsyncTCPSock, se debe también quitar AsyncTCP para poder usar la versión correcta.
  • ESPAsyncWebServer que es una biblioteca para exponer un servidor web en el ESP32, usando AsyncTCP o AsyncTCPSock. Para proyectos nuevos usando YUBOX-Now, se recomienda usar el fork disponible en https://github.com/yubox-node-org/ESPAsyncWebServer el cual apunta a la rama (por omisión) llamada yuboxfixes-0xFEEDC0DE64-cleanup. Visite el enlace indicado y descargue un zip con el código fuente desde https://github.com/yubox-node-org/ESPAsyncWebServer/archive/refs/heads/yuboxfixes-0xFEEDC0DE64-cleanup.zip . Debe existir eventualmente un directorio con el código debajo de $(HOME)/Arduino/libraries . Por ejemplo, /home/fulano/Arduino/libraries/ESPAsyncWebServer.
    • NOTA: en una versión anterior de este documento, se recomendaba la instalación de la versión base de ESPAsyncWebServer. El fork indicado más arriba contiene correcciones de fugas de memoria y otras condiciones de carrera que han sido corregidas por YUBOX al usar la biblioteca en nuestros proyectos.
  • Async MQTT client for ESP8266 and ESP32 que es una biblioteca para un cliente MQTT, construida sobre AsyncTCP. Para proyectos nuevos usando YUBOX-Now, se recomienda usar el fork disponible en https://github.com/yubox-node-org/async-mqtt-client . Visite el enlace indicado y descargue un zip con el código fuente desde https://github.com/yubox-node-org/async-mqtt-client/archive/refs/heads/master.zip . Debe existir eventualmente un directorio con el código debajo de $(HOME)/Arduino/libraries . Por ejemplo, /home/fulano/Arduino/libraries/async-mqtt-client.
    • NOTA: en una versión anterior de este documento, se recomendaba la instalación de la versión base de async-mqtt-client. El fork indicado más arriba contiene soporte actualizado para iniciar conexiones MQTT usando encriptación SSL/TLS opcional, y además soporte para iniciar conexiones MQTT usando WebSockets (con o sin SSL/TLS).

Además se recomienda instalar el siguiente addon de Arduino IDE:

Obtener biblioteca

Para instalar el YUBOX Framework, visite https://github.com/yubox-node-org/yubox-framework y descargue un zip con el código fuente desde https://github.com/yubox-node-org/yubox-framework/archive/master.zip . Debe existir eventualmente un directorio con el código debajo de $(HOME)/Arduino/libraries . Por ejemplo, /home/fulano/Arduino/libraries/yubox-framework.

En este punto, verifique si se puede ejecutar correctamente el programa yubox-framework-assemble ejecutando lo siguiente en una consola de línea de comando:

$ chmod +x ~/Arduino/libraries/yubox-framework/yubox-framework-assemble
$ ~/Arduino/libraries/yubox-framework/yubox-framework-assemble

Si se han instalado todos los requisitos, la salida debería ser la siguiente línea:

Uso: /home/alex/Arduino/libraries/yubox-framework/yubox-framework-assemble /data/template/dir1:/data/template/dir2:(...) module1 (module2 ...)

Si en su lugar se muestra un mensaje aludiendo a python3 inexistente, como el siguiente:

bash: /home/alex/Arduino/libraries/yubox-framework/yubox-framework-assemble: /usr/bin/python3: intérprete erróneo: No existe el fichero o el directorio

Verifique que se dispone de Python 3 en su sistema.

Si en su lugar se muestra un mensaje que contiene mención de ModuleNotFoundError, como el siguiente:

Traceback (most recent call last):
  File "/home/alex/Arduino/libraries/yubox-framework/yubox-framework-assemble", line 9, in <module>
    import pystache
ModuleNotFoundError: No module named 'pystache'

Verifique que la biblioteca correspondiente esté disponible para Python 3, especialmente pystache.

Modelo de funcionamiento

En el dispositivo ESP32, el espacio total de almacenamiento flash disponible (que no debe confundirse con el almacenamiento disponible en alguna tarjeta microSD insertada) está dividido en varias particiones. En la disposición estándar existen dos particiones dedicadas a la aplicación, una partición destinada a NVRAM, y una partición dedicada a SPIFFS. De las dos particiones de aplicación, una de ellas contiene el código del sketch en ejecución, y la otra se destina a recibir una posible actualización de código, seguido de un intercambio de roles. Esto permite realizar un rollback si la nueva aplicación lo requiere, y también permite que una actualización provea un firmware más grande que la memoria disponible o el espacio en SPIFFS, siempre y cuando quepa dentro de la partición de actualización.

La partición NVRAM está destinada a almacenar opciones estructuradas accesibles en formato clave/valor, y permite guardar opciones que deben persistir entre reinicios del dispositivo, como por ejemplo credenciales de WiFi, o nombres/IPs de servidores remotos.

La partición SPIFFS contiene un sistema de archivos que el sketch puede leer y escribir de forma arbitraria. En el YUBOX Framework, el sistema de archivos SPIFFS se utiliza para contener la página web de la interfaz de configuración, su correspondiente Javascript, y las bibliotecas CSS y Javascript accesorias. Estas últimas bibliotecas incluyen jQuery, Bootstrap 4 (javascript y CSS), y pueden incluir más bibliotecas por requerimiento de la aplicación.

Un dispositivo que usa el YUBOX Framework expone un servidor web en sus interfases de red WiFi en el puerto 80. Se aprovecha la capacidad del ESP32 de tener dos interfases WiFi activas (la interfaz STA y la interfaz AP) para proveer permanentemente un acceso WiFi al dispositivo incluso si la conexión al WiFi del entorno se pierde o no se ha configurado todavía. En la interfaz AP, el aparato expone por omisión una red WiFi de nombre YUBOX-XXXXXXXXXXXX que se deriva de la MAC del WiFi del dispositivo, sin contraseña. Dentro de la red AP, el dispositivo es accesible vía la IP 192.168.4.1 (por omisión).

El navegador que visita el servicio web (por cualquiera de las dos interfases) carga una página HTML construida con Bootstrap 4, previa autenticación si el sketch así lo ha configurado:

Autenticación admin

Interfaz web con gráfico

La interfaz web es una aplicación de una sola página (Single-Page-Application) construida con jQuery y Bootstrap 4. Toda la comunicación para actualizar la página web debe de realizarse a través de peticiones AJAX, canales Server-Sent-Event o websockets. El propósito de esta arquitectura es el de relegar el dispositivo al rol de únicamente responder AJAX, sin perder tiempo en construir varias veces una página web. En el menú de la parte superior se muestran los módulos disponibles para configuración. Por convención el módulo que corresponde al propósito específico del sketch es el primero en mostrarse en el menú y el que se abre por omisión.

Al cambiar de cejilla en Bootstrap, se emiten eventos de cejilla visible o escondida, los cuales se manejan para iniciar o detener monitoreos o funcionalidades que deben actualizar la página. Por ejemplo, el mostrar la cejilla WiFi inicia un canal SSE hacia el servidor que inicia el escaneo de redes WiFi visibles. Este mismo escaneo deja de realizarse al cerrar el canal, lo cual ocurre al elegir otra cejilla.

Internamente, el framework instala manejadores para las siguientes tareas:

  • Se activa mDNS para asignar un nombre de host descubrible en la red WiFi. Si un sistema operativo soporta mDNS (Bonjour para MacOS o Avahi bajo Linux), el dispositivo responde al nombre de host yubox-XXXXXXXXXXXX.local construido a partir de la MAC del dispositivo. Adicionalmente se activa DNS-SD para exponer la presencia del servicio _http._tcp .
  • Mantener una conexión WiFi activa siempre que sea posible. Es posible guardar las credenciales de múltiples sitos para que el dispositivo pueda ser movido entre ubicaciones con redes distintas sin tener que configurarlo otra vez. Si hay múltiples redes conocidas en un solo lugar, el framework elige la más potente primero.
  • En caso de activar MQTT, la conexión al servidor MQTT se reintenta si se ha desconectado y se tiene de nuevo una conexión disponible.

Mediante el uso de AsyncTCP se consigue que los manejadores de red y de la interfaz web sean invocados desde fuera del bucle principal del sketch. Entonces, el bucle principal sólo tiene que invocar regularmente el manejador de NTP (en caso de requerir hora), y únicamente implementar el código que concierne a la aplicación.

Estructura de directorios

Un proyecto Arduino que usa YUBOX Framework debe de ajustarse a la siguiente estructura de archivos y directorios:

  • NombreProyecto/
    • NombreProyecto.ino
    • Fuente1.cpp
    • Fuente2.cpp
    • Makefile
    • modules.txt
    • data/
    • data-template/
      • libreria-adicional-1.js
      • libreria-adicional-2.js.gz
      • medidorproyecto/
        • index.htm
        • yuboxapp.js
        • module.ini
      • otromoduloproyecto/
        • index.htm
        • yuboxapp.js
        • module.ini

Para un ejemplo funcional de un proyecto de YUBOX Framework, examine el directorio examples/yubox-framework-test y refiérase a la explicación a continuación.

En el esquema mostrado arriba, se notan los siguientes nombres de archivo:

  • NombreProyecto es el nombre arbitrario del directorio de su proyecto.
  • NombreProyecto.ino es el archivo fuente principal del proyecto. Por convención del Arduino IDE, este archivo debe llamarse igual que el nombre del directorio, con extensión .ino.
  • Fuente1.cpp y Fuente2.cpp representan archivos adicionales de código fuente específicos de su proyecto.
  • Makefile es el archivo leído por la invocación del programa make. Muchas de las operaciones que serán hechas en el proyecto involucran invocar al comando make, el cual leerá este archivo.
  • modules.txt es un archivo de configuración que será leído por el comando yubox-framework-assemble para construir la interfaz HTML que será servida por el servidor web del YUBOX Framework.
  • NombreProyecto/data es el directorio donde se arma el contenido del directorio SPIFFS del ESP32. El comando yubox-framework-assemble construye en este directorio el contenido que será servido por el servidor web del YUBOX Framework. Este directorio empieza vacío.
  • data-template es el directorio donde se organiza el contenido de la parte de la interfaz del YUBOX Framework que es específica de su proyecto. En este directorio deben colocarse los módulos que definen configuraciones y visualizaciones de su proyecto, y bibliotecas Javascript adicionales que sean usadas por tales módulos.
  • libreria-adicional-1.js y libreria-adicional-2.js.gz representan bibliotecas Javascript que serán incluidas en su proyecto. Para que la interfaz web realmente haga referencia a tales bibliotecas, estas deben ser declaradas en el archivo module.ini de al menos un módulo de su proyecto. La biblioteca ESPAsyncWebServer soporta servir una versión comprimida (con gzip) de un recurso si archivo no existe pero existe su correspondiente archivo.gz. Por lo tanto, a menos que exista una razón para lo contrario, se recomienda comprimir las bibliotecas externas que no son directamente parte de su desarrollo pero son dependencias de su proyecto.
  • data-template/medidorproyecto y data-template/otromoduloproyecto representan módulos de la interfaz web a ser agregados para su proyecto.
  • data-template/medidorproyecto/index.htm es un fragmento de HTML que contiene los widgets y elementos HTML necesarios para mostrar su interfaz web para el módulo específico del proyecto. El contenido de este HTML termina dentro de un <div> que se embebe en la lista de cejillas en la interfaz web.
  • data-template/medidorproyecto/yuboxapp.js contiene código Javascript que será incluido como parte del archivo Javascript a ser cargado para la interfaz web entera. Dentro de este archivo debe declararse al menos una función Javascript dedicada a la preparación de los widgets del módulo (manejadores de eventos en su mayor parte). El nombre de esta función Javascript debe declararse en el archivo module.ini del directorio del módulo.
  • data-template/medidorproyecto/module.ini es un archivo de configuración cuya presencia indica que el directorio medidorproyecto dentro de data-template es, efectivamente, un módulo. El contenido del archivo obedece el formato INI e indica varias variables a usar para la ejecución de yubox-framework-assemble. El detalle de este archivo se examina en

Creación de un nuevo proyecto

Archivos y directorios de proyecto

Para crear un proyecto nuevo que use YUBOX Framework, primero inicie un sketch ordinario en el Arduino IDE para el ESP32. A continuación, debe crearse la siguiente estructura de archivos y directorios:

  • modules.txt: este archivo contiene la lista de módulos que conformarán la interfaz web de su proyecto. El contenido de este archivo debe ser similar al siguiente ejemplo:

    +lector wifi ntpconfig mqtt webauth yuboxOTA

    El contenido es una sola línea de identificadores separados por espacio. Cada identificador es un módulo de interfaz web provisto por el YUBOX Framework o por su desarrollo del proyecto, y se corresponde con un nombre de directorio dentro del directorio data-template, sea del framework o de su proyecto. El orden en el cual los identificadores aparecen en el archivo determina el orden en el que se muestran las respectivas entradas de menú en la interfaz. Exactamente uno de los identificadores debe estar precedido de un signo más (+). Este identificador será el módulo que se mostrará por omisión al cargar la interfaz web.

    Los módulos provistos por el YUBOX Framework son los siguientes:

    • wifi: módulo que provee la funcionalidad de configuración de WiFi y escaneo de redes. Este módulo es casi siempre necesario.
    • webauth: módulo que permite administrar la contraseña de administración del dispositivo. A menos que se deje el equipo enteramente sin autenticación, este módulo es requerido.
    • ntpconfig: módulo que permite administrar la sincronización con hora de red vía NTP. Este módulo es necesario a menos que su proyecto sea enteramente independiente de la hora del día.
    • yuboxOTA: módulo que implementa la actualización de firmware a partir de una carga de archivo. También se ofrece la opción de rollback (si hay un firmware anterior) y un botón de simple reinicio del dispositivo.
    • mqtt: si está presente, este módulo permite administrar una conexión de un cliente MQTT hacia un servidor arbitrario cuyo acceso (incluyendo usuario y contraseña) se configura aquí. Este módulo puede omitirse si no se requiere una conexión MQTT o se usa otro mecanismo para enviar muestras.

  • Makefile: este archivo es la entrada al comando make que inicia varias operaciones para la construcción del proyecto. El archivo más sencillo que sirve para el desarrollo es el siguiente:

    include $(YF)/Makefile.inc

    Este Makefile puede usarse con el siguiente comando:

    $ make YF=/ruta/a/yubox-framework/

    En esta invocación, /ruta/a/yubox-framework/ es la ruta (relativa o absoluta) hacia su instalación de YUBOX Framework, generalmente en /home/SU_USUARIO/Arduino/libraries/yubox-framework/ .

    Alternativamente, puede incluirse la ruta relativa dentro del propio Makefile de la siguiente manera:

    include /ruta/a/yubox-framework/Makefile.inc

    De esta forma se evita tener que especificar la ruta, pero podrían introducirse dependencias en su estructura de directorios actual.

  • data-template: el directorio que contiene los módulos personalizados para su proyecto, y cualquier biblioteca Javascript adicional requerida por los módulos Javascript de su proyecto.

    Es posible tener en el directorio data-template del proyecto, un módulo que se llama de forma igual que un módulo estándar del YUBOX Framework. En este caso, al ensamblar la interfaz web, se usará la versión del proyecto en lugar de la copia del YUBOX Framework. Del mismo modo, cualquiera de los archivos presentes en el directorio data-template del YUBOX Framework puede ser reemplazado por un archivo de nombre idéntico en el directorio data-template de su proyecto, y será usado en lugar del original. Este es un método recomendado para cambiar de colores reemplazando el archivo CSS, o la disposición de la interfaz en index.htm.mustache.

Desarrollo cliente - JavaScript

En la parte de presentación de su proyecto, la casi totalidad de la programación estará dentro de uno o más directorios debajo de data-template. Para que un directorio sea reconocido como un módulo de presentación en lugar de un archivo de datos a ser copiado directamente, el directorio debe de tener un archivo llamado module.ini. A continuación se muestra un contenido típico del archivo:

[index.htm]
desc=Estado del clima
extra_jslibs=Chart-2.9.3b.min.js

[yuboxapp.js]
setupjs=setupLectorTab

El archivo module.ini sigue el formato INI (internamente leído a través de la biblioteca estándar configparser de Python 3) y está dividido en secciones con claves y valores. La regla general es que cada sección tiene el nombre de un archivo a generar para el cual el YUBOX Framework provee una plantilla Mustache. Por ejemplo, la sección llamada [index.htm] contiene claves a ser asignadas para el módulo cuando se procesa la plantilla data-template/index.htm.mustache, sea la estándar del framework, o una plantilla personalizada del proyecto.

Las variables a asignar para cada archivo de plantilla son las siguientes:

  • [index.htm]: variables para decorar el HTML correspondiente al módulo
    • desc: Etiqueta para el módulo, tal como debe de aparecer en la barra de menú superior. Valor requerido.
    • extra_jslibs: Lista de bibliotecas Javascript que son necesarias cargar antes de ejecutar la inicialización Javascript del módulo. Esta es una lista de nombres de archivo separada por espacios. Cada archivo memcionado debe de existir en el directorio data-template del proyecto, con la excepción de que si el archivo está comprimido con gzip, el archivo mencionado en la lista debe ser el nombre SIN el .gz al final. La presencia de esta lista es opcional.
  • [yuboxapp.js]: variables para configurar el Javascript correspondiente al módulo
    • setupjs: nombre de una función Javascript que debe existir en el archivo yuboxapp.js del módulo. Esta función será invocada al cargar la página HTML, y debe encargarse de inicializar todos los eventos de los widgets del módulo, y de abrir inmediatamente o condicionalmente los canales de comunicación con el dispositivo. Por ejemplo, si se requiere que se abra un canal SSE al mostrar la cejilla del módulo, los manejadores de eventos serán instalados por esta función.
  • [yuboxapp.css]: variables para configurar el CSS correspondiente al módulo
    • (ninguna definida en este punto por la plantilla)

Además del archivo module.ini, el módulo puede proveer un archivo que se corresponde a cada plantilla provista por el framework. Si el archivo es provisto por el módulo, el contenido de este archivo se convierte en el "contenido" que el módulo provee para la interfaz:

  • index.htm se carga y se introduce como el contenido de la cejilla elegida al navegar entre módulos en la interfaz.
  • yuboxapp.js se carga y su contenido, concatenado con el de todos los demás módulos, contribuye al contenido del archivo yuboxapp.js cargado como parte de la interfaz web.
  • yuboxapp.css (si existe) se carga y su contenido agrega a los estilos CSS disponibles para la interfaz web.

Refiérase al ejemplo yubox-framework-test para una organización típica. Los estilos y eventos disponibles en la interfaz HTML y el código Javascript son los proporcionados por jQuery 3.5.1 y Bootstrap 4.5.0. Consulte la documentación de jQuery y Bootstrap 4 para esta referencia. La plantilla estándar de YUBOX Framework adopta las siguientes convenciones para localizar los elementos del módulo llamado ejemplo:

  • div#yuboxMainTabContent > div.tab-pane#ejemplo es el selector jQuery que identifica el panel que contiene el código HTML del módulo ejemplo, el cual se cargó originalmente del archivo index.htm del directorio del módulo.
  • ul#yuboxMainTab a#ejemplo-tab[data-toggle="tab"] es el selector jQuery que identifica el widget de navegación que recibe los eventos de panel mostrado y ocultado para el módulo ejemplo. Refiérase a la documentación en https://getbootstrap.com/docs/4.4/components/navs/#events para los eventos shown.bs.tab y hide.bs.tab que deben ser manejados en caso necesario para tomar acción al mostrar u ocultar el módulo.

La plantilla estándar de YUBOX Framework define también las siguientes funciones para operaciones estándar de módulos:

  • yuboxAPI(s) introduce una formato estándar para el punto de entrada de API de un módulo. La invocación de yuboxAPI('ejemplo')+'/config.json' se expande actualmente a /yubox-api/ejemplo/config.json. El código C++ de Arduino debe entonces instalar un manejador para esta ruta.
  • yuboxMostrarAlert(alertstyle, content, timeout) y yuboxMostrarAlertText(alertstyle, text, timeout) muestran una caja de alerta de Bootstrap en la parte superior de la interfaz, justo debajo del menú de módulos. El valor de alertstyle es uno de los estilos de alerta estándar de Bootstrap: primary, secondary, success, warning, danger, info, light, dark. El parámetro timeout es opcional e indica el número de milisegundos luego del cual quitar la alerta. El parámetro content indica un HTML arbitrario a insertar, mientras que text indica un texto corriente.
  • yuboxDlgMostrarAlert(basesel, alertstyle, content, timeout) y yuboxDlgMostrarAlertText(basesel, alertstyle, text, timeout) son similares a yuboxMostrarAlert y yuboxMostrarAlertText, pero muestran una caja de alerta en el interior de un diálogo modal identificado por basesel.
  • yuboxStdAjaxFailHandler(e, timeout) y yuboxStdAjaxFailHandlerDlg(basesel, e, timeout) son especializaciones que muestran el contenido de un error o excepción dentro de e, en la parte superior de la interfaz, o dentro de un diálogo modal, respectivamente.

Desarrollo server - Arduino C++

En el código C++ del sketch de Arduino, se debe realizar una inicialización de la siguiente manera:

  • Se debe realizar la inclusión de las bibliotecas siguientes:

    #include <WiFi.h>
#include "SPIFFS.h"
#include <ESPAsyncWebServer.h>

#define ARDUINOJSON_USE_LONG_LONG 1

#include "ArduinoJson.h"

#include "YuboxWiFiClass.h"
#include "YuboxNTPConfigClass.h"
#include "YuboxOTAClass.h"
#include "YuboxMQTTConfClass.h"

    El propósito de cada biblioteca es el siguiente:

    • WiFi.h es la biblioteca estándar de acceso a WiFi de Arduino IDE.
    • SPIFFS.h es la biblioteca que da acceso al sistema de archivos SPIFFS desde dentro del sketch.
    • ESPAsyncWebServer.h es la cabecera de la biblioteca ESPAsyncWebServer. Consulte la documentación de ese proyecto para referencias sobre cómo exponer rutas de URL y asociarlas a comportamientos.
    • La definición de ARDUINOJSON_USE_LONG_LONG es necesaria para poder codificar y decodificar enteros de 64 bits (uint64_t) correctamente usando la biblioteca ArduinoJSON. Esta definición debe estar presente ANTES de la inclusión de la biblioteca ArduinoJson.h para consistencia con el YUBOX Framework.
    • ArduinoJson.h es la biblioteca de ArduinoJSON que se usa para construir respuestas JSON en el YUBOX Framework. Casi siempre, las rutas que responderán a AJAX en su proyecto tendrán que codificar sus datos como JSON.
    • YuboxWiFiClass.h es la primera biblioteca de YUBOX Framework que debe ser incluida. Para el soporte Web, esta biblioteca es obligatoria. Al incluir esta biblioteca se tiene acceso al objeto YuboxWiFi usado en la inicialización posterior.
    • YuboxNTPConfigClass.h debe ser incluido si se requiere administración e inicialización automática del servidor de hora, si su proyecto requiere sincronización con hora de red (NTP). Esta biblioteca proporciona la declaración del objeto YuboxNTPConf. El uso de esta biblioteca es opcional.
    • YuboxOTAClass.h debe ser incluido para tener la funcionalidad de actualización de firmware vía carga de archivo tarball. Esta biblioteca proporciona la declaración del objeto YuboxOTA. Esta biblioteca es opcional pero casi siempre necesaria.
    • YuboxMQTTConfClass.h, si es incluido, proporciona la funcionalidad de configuración con un servidor MQTT remoto. Esta biblioteca proporciona la declaración del objeto YuboxMQTTConf.

    Adicionalmente, todas las bibliotecas incluyen a su vez la siguiente biblioteca:

    • YuboxWebAuthClass.h, que proporciona la declaración del objeto YuboxWebAuth usado para administrar la autenticación del servidor web, y referenciado en la inicialización posterior.

  • Se debe proveer un objeto de tipo AsyncWebServer que será el servidor web para servir toda la interfaz de configuración. La manera más sencilla de hacer esto es declarar una variable global de tipo objeto AsyncWebServer con el puerto TCP/IP usado, casi siempre el puerto 80:

    AsyncWebServer server(80);

  • En la función setup() se debe de realizar la siguiente secuencia de pasos para inicializar, en el orden que se muestra:

    • Se debe invocar a SPIFFS.begin(). Esto activa el acceso desde el sketch a la partición SPIFFS donde se encuentran los archivos a servir vía HTTP.
    • Si se va a usar el soporte de autenticación del YUBOX Framework, el código debe de habilitar la autenticación: 
      YuboxWebAuth.setEnabled(true);
      Si la interfaz web no va a requerir autenticación, se puede omitir esta línea.
    • Se debe de montar el sistema de archivos SPIFFS para ser servido vía web: 
      AsyncWebHandler &h = server.serveStatic("/", SPIFFS, "/");
YuboxWebAuth.addManagedHandler(&h);
      Si se decide usar una fuente alterna de archivos web, por ejemplo el microSD, este estilo de inicialización permite servir el sistema de archivos en lugar de, o además de, el SPIFFS.
    • Se deben de instalar en este punto las rutas (AJAX o no), los manejadores WebSocket y Server-Sent Events que vayan a implementar el API de su proyecto específico. Refiérase a la documentación de ESPAsyncWebServer para la explicación de cómo hacerlo. En el ejemplo de esta biblioteca, se instala un emisor de eventos SSE y un manejador de ruta no encontrada que emite JSON (esto último es recomendado).
    • Se deben invocar cada uno de los inicializadores mostrados para que el módulo correspondiente de YUBOX Framework instale los manejadores de sus rutas, en el orden mostrado:
      • YuboxWiFi.begin(server) requerido siempre, para iniciar el manejo de WiFi
      • YuboxWebAuth.begin(server) requerido si se va a proporcionar acceso al módulo de configuración de autenticación Web
      • YuboxNTPConf.begin(server) requerido si se va a proporcionar acceso al módulo de configuración de hora NTP
      • YuboxOTA.begin(server) requerido si se va a proporcionar acceso al módulo de configuración de actualización de firmware
      • YuboxMQTTConf.begin(server) requerido si se va a proporcionar acceso al módulo de configuración MQTT
    • Como último paso, se invoca server.begin() para que el servidor web empiece a servir peticiones.

  • En la función loop() se requiere invocar YuboxNTPConf.update(); regularmente. Esto es sólo necesario si se usa el soporte de NTP del YUBOX Framework. Ya que los manejadores de las rutas se ejecutan en tareas separadas, no es necesario realizar operaciones adicionales para poder servir la interfaz web.

Para interactuar con el servicio NTP, se debe hacer uso del objeto YuboxNTPConf:

  • YuboxNTPConf.update(): actualizar regularmente la hora del día usando NTP.
  • YuboxNTPConf.isNTPValid(): devuelve TRUE si se ha sincronizado la hora NTP al menos una vez.
  • YuboxNTPConf.getLocalTime(): devuelve el timestamp en segundos correspondiente a la hora local configurada
  • YuboxNTPConf.getUTCTime(): devuelve el timestamp en segundos de la hora Unix UTC, independientemente de la zona horaria.

Si su proyecto requiere el uso de MQTT, se debe hacer uso del objeto YuboxMQTTConf:

  • YuboxMQTTConf.setAutoConnect(bool): indica si el objeto de configuración MQTT intenta mantener automáticamente una conexión abierta si se dispone de al menos un host MQTT. Por omisión el objeto de configuración NO mantiene una conexión abierta, sino que debe de iniciarse manualmente.
  • YuboxMQTTConf.getMQTTClient(): devuelve una referencia al objeto cliente de tipo AsyncMqttClient mantenido por el objeto de configuración. Una vez obtenido este objeto, debe de usarse como lo indica las instrucciones en https://github.com/marvinroger/async-mqtt-client .

Transferencia de sketch al ESP32

Durante el desarrollo del código C++, el comando make YF=... construye los siguientes objetivos para el proyecto de nombre NombreProyecto:

  • NombreProyecto.tar.gz es un tarball que contiene la totalidad del firmware compilado y los archivos de datos para HTML. Este archivo es adecuado para ser subido en la interfaz de HTML en el módulo de actualización de firmware.
  • data/* son todos los archivos disponibles en el sistema de archivos SPIFFS disponible para el sketch. El YUBOX Framework construye los archivos de la interfaz HTML/Javascript dentro de este directorio. Luego de construido, el contenido se empaqueta dentro del archivo NombreProyecto.tar.gz. Además este directorio es el lugar donde el addon Arduino ESP32 filesystem uploader espera encontrar el contenido a ser enviado a la partición SPIFFS del ESP32.
  • NombreProyecto.ino.nodemcu-32s.bin es la porción ejecutable del proyecto. Este archivo, luego de construido, se empaqueta dentro del archivo NombreProyecto.tar.gz.

Un sketch que usa el YUBOX Framework requiere para su funcionamiento la transferencia del firmware compilado, y además el contenido SPIFFS para servir el contenido HTML y Javascript. El comando/botón Subir del Arduino IDE sólo sabe transferir el firmware, no el contenido de SPIFFS. Para subir el SPIFFS, existen dos opciones:

  • Con el objetivo de Makefile: make YF=... dataupload. Este objetivo de Makefile arrastra la construcción de la interfaz HTML en data/ en caso necesario, y a continuación invoca al programa esptool.py para subir el contenido SPIFFS. El dispositivo ESP32 debe estar conectado durante este paso, y (de necesitarlo) se debe pulsar el botón de flasheo de la misma manera en que se requiere al subir el firmware. Si el dispositivo serial no es la ruta por omisión de /dev/ttyUSB0 entonces se debe especificar el comando de la siguiente manera: make YF=... SERIALPORT=/dev/ruta/a/serial dataupload donde /dev/ruta/a/serial es la ruta al dispositivo serial asignada al enchufar el ESP32.
  • Con el addon para Arduino IDE: Arduino ESP32 filesystem uploader. Este método requiere que se construya previamente el directorio data/ debajo del directorio del proyecto, con los archivos ya listos para ser enviados. Este contenido es construido por la invocación simple del Makefile: make YF=..., o (si se requiere reconstruir únicamente la porción de HTML) con el comando make YF=... data/manifest.txt. Una vez creado el contenido de data/, se enchufa el YUBOX y se elige en el menú del Arduino IDE la opción Herramientas-->ESP32 Sketch Data Upload con la cual se inicia la transferencia al YUBOX del contenido del directorio.

Para referencia, se listan los objetivos de Makefile que transfieren al ESP32:

  • make YF=... dataupload transfiere el contenido HTML/Javascript al ESP32, construyéndolo si es necesario
  • make YF=... codeupload transfiere el firmware al ESP32, compilándolo si es necesario. Este objetivo es equivalente al comando/botón Subir del Arduino IDE.
  • make YF=... fullupload transfiere en un solo comando el firmware y el contenido HTML/Javascript, construyendo cada uno si es necesario.

Configuración básica usando interfaz web

Ingreso a red softAP y configuración WiFi

Un YUBOX que no está asociado con red WiFi alguna en su entorno debe ser contactado a través de su interfaz WiFi softAP. El YUBOX configura una red WiFi sin autenticación cuyo nombre por omisión es YUBOX-XXXXXXXXXXXX que se deriva de la MAC del WiFi del dispositivo. Dentro de esta red WiFi, debe de abrirse la IP 192.168.4.1.

Al mostrar la interfaz web, una de las opciones del menú superior es la llamada WiFi. Al elegir esta opción, la pantalla mostrará (después de unos segundos) un listado de redes WiFi visibles ordenada por potencia de señal, actualizada regularmente. Cada fila de la lista muestra un estimado de la potencia de la red como un icono de barras, con el nombre de la red en sí, y un icono de candado cerrado o abierto, según la red tenga o no autenticación. Si una de las redes visibles es la red a la que el YUBOX está asociado, su fila correspondiente se mantiene como la primera de la lista y se colorea de verde. Al hacer clic en una de las filas de las redes visibles, se muestra un cuadro de diálogo en el cual se muestra el nombre de la red WiFi, el tipo de autenticación, y las siguientes opciones:

  • Clave PSK (todas las autenticaciones excepto WPA2-Enterprise)
  • Identidad (sólo autenticación WPA2-Enterprise)
  • Contraseña (sólo autenticación WPA2-Enterprise)
  • Interruptor de clavar red. Si se elige clavar la red, esta red se usará como la red activa incluso si hay otra red de credenciales conocidas que sea más potente.
  • Botones de Aceptar, Cancelar.

Si la red ya estaba correctamente asociada, en lugar del diálogo descrito se mostrará otro que indica la autenticación y las siguientes opciones:

  • Botones de Olvidar, Cancelar. El botón de Olvidar elimina las credenciales almacenadas para esta red.

Credenciales y cambio de clave

Al elegir la opción de Cambio de clave del menú superior, se muestra un formulario para cambiar la contraseña para el ingreso a la interfaz web. El usuario es siempre "admin", y la contraseña es la que se almacena a través del formulario. Por omisión la contraseña es "yubox".

Configuración NTP

Al elegir la opción de Hora de red, se muestra un formulario que permite ingresar un servidor NTP vía IP o nombre de host. Por omisión el host usado es pool.ntp.org pero debe ser cambiado si la red WiFi no permite el tráfico NTP al internet público y se configura un servidor NTP privado en la red local. El formulario permite indicar también la zona horaria como horas y minutos de adelanto o atraso respecto a UTC. Por último, al mostrar esta pantalla, se realiza una petición al YUBOX para interrogar si está sincronizado, y se muestra el resultado SINCRONIZADO o NO SINCRONIZADO en la parte superior del formulario.

Actualización de firmware

Al elegir la opción de Firmware, se muestra un formulario que permite realizar tres operaciones. Primera, se tiene un control de subida de archivo que se usa para cargar una nueva versión del firmware para el YUBOX. Al cargar el firmware se muestra una barra de progreso que indica la recepción de cada componente del firmware nuevo, e indica una alerta cuando se ha terminado de cargar el firmware y se reinicia el YUBOX. Como segunda opción, se puede mandar a restaurar el último firmware que haya existido antes de cargar el firmware actualmente en ejecución (opción de rollback). La tercera opción permite, simplemente, reiniciar el YUBOX sin modificar el firmware existente.

Configuración MQTT (según proyecto)

Al elegir la opción de Envío de datos, se muestra un formulario para la configuración de la conexión MQTT con un servidor que recibe los datos. En este formulario se exhibe el estado actual de la conexión (CONECTADO, DESCONECTADO, NO REQUERIDO), y las siguientes opciones de configuración:

  • Broker MQTT para envío de datos: la IP o nombre de host a contactar
  • Autenticación: opción de contactar sin autenticación o con autenticación de usuario y clave
  • Nombre de usuario (sólo mostrado si se elige proveer autenticación)
  • Contraseña (sólo mostrado si se elige proveer autenticación)

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