Objetivo:
Implementar el stack del
protocolo MQTT en un FPGA Virtex 4. Los métodos desarrollados en hardware son
conectar, publicar y subscribir. Desarrollar la comunicación wifi por medio del
módulo esp8266, control de pantalla OLED 64x128, y demás periféricos como
switches y relojes. Desplegar el servidor broker mosquitto para gestionar la
comunicación endpoint con el FPGA. Desarrollar un Skill Alexa para ejecutar los
comandos por voz y el procesamiento de los algoritmos de comunicación y
conexión MQTT en la nube con el servidor Lambda.
Introducción:
MQTT es un protocolo
abierto, sencillo, ligero y fácil de implantar.
Es ideal para responder a las siguientes necesidades:
Es ideal para responder a las siguientes necesidades:
- Está especialmente adaptado para utilizar un ancho de
banda mínimo
- Es ideal para utilizar redes inalámbricas
- Consume muy poca energía
- Es muy rápido y posibilita un tiempo de respuesta
superior al resto de protocolos web actuales
- Permite una gran fiabilidad si es necesario
- Requiere pocos recursos procesadores y memorias
El MQTT no es el
único protocolo que intenta imponerse: otros como XMPP, REST API y CoAp también
tienen ciertas ventajas.
MQTT:
¿cómo funciona?
MQTT es un servicio de publicación/suscripción
TCP/IP sencillo y sumamente ligero. Se basa en el principio cliente/servidor.
El servidor, llamado broker, recopila los
datos que los publishers (los objetos comunicantes) le transmiten. Determinados
datos recopilados por el broker se enviarán a
determinados publishers que previamente así se lo hayan solicitado
al bróker.
El principio de intercambio se parece mucho al de
Twitter. Los publishers envían los mensajes a un canal
llamado topic. Los subscribers (suscriptores) pueden leer esos
mensajes. Los topics (o canales de información) pueden estar
distribuidos jerárquicamente de forma que se puedan seleccionar exactamente las
informaciones que se desean.
Los mensajes enviados por los objetos comunicantes
pueden ser de todo tipo, pero no pueden superar los 256 Mb.
1.- Control exacto y sincronización de la señal de
reloj y registros.
2.- Implementar stack MQTT.
3.- Manejo del ESP8266
4.- Control de pantalla OLED 128x64, switches, leds,
etc.
5.- debug usb.
Metodología:
La descripción del Hardware se hará en
lenguaje C utilizando para ello una metodología propietaria de integración de
herramientas.
Nota:
El stack del protocolo MQTT fue implementado y
validado antes de la implementación en el FPGA en un microcontrolador microchip
en lenguaje C de tal forma que se partiera de una base confiable de
funcionamiento.
Destacar que el ciclo completo de diseño desde la
simulación hasta la implementación en el FPGA es en minutos. Esto quiere decir
que por cada cambio que haga en el código a nivel descripción de hardware hasta
la puesta en marcha se hace de manera secuencial y casi sin intervención. Ya
que las herramientas son muy configurables y se atan unas a otras.
El flujo de secuencia y metodología usando diversas
herramientas se puede ver en la siguiente figura.
Herramientas
a utilizar:
FPGA:
1.- DK Design Suite 5.0. Plataforma
de validación rápida y eficiente para diseñadores que utilizan lenguaje C/C++
2.- Synplify Pro H-2013. Software de síntesis estándar en la
industria para FPGA de alto rendimiento.
3.- Xilinx Design Tools ISE Suite 14.7. Plataforma
de flujo de diseño completo para los FPGA de xilinx
PC:
1.- Mosquitto broker. Agente de mensajes de código abierto (con licencia EPL / EDL)
que implementa el protocolo MQTT versiones 5.0, 3.1.1 y 3.1. Mosquitto es
liviano y es adecuado para usar en todos los dispositivos, desde computadoras
de una sola placa de baja potencia hasta servidores completos.
2.- Alexa SDK. Es el servicio de voz ubicado
en la nube de Amazon disponible en los dispositivos de Amazon y dispositivos de
terceros con Alexa integrada. Con Alexa, se puede crear experiencias de voz
naturales para ofrecer a los clientes una forma más intuitiva de interactuar
con la tecnología que usan a diario. Gracias a su conjunto de
herramientas, APIs, soluciones de referencia y documentación, cualquier persona
puede crear skills de forma sencilla con Alexa.
En
la siguiente figura se muestra en forma general el flujo de diseño del proyecto
y sus diferentes componentes:
1) Desarrollo del software para el Virtex 4 en la plataforma DK Design Suite:
2) Síntesis e implementación del diseño en el FPGA Virtex 4:
3) Alexa SDK
4) Conexión del FPGA:
5) Conclusiones:
Se logró satisfactoriamente hacer la implementación
del protocolo MQTT en el FPGA y el desarrollo de la skill de Alexa para el
monitoreo y control de las variables internas del Virtex 4.
6) Video demostrativo:
