Controle de servomotores com Arduino e ESP8266

Este artigo tem por objetivo mostrar mais uma alternativa de controle de servomotores, remotamente através de uma rede Wi-Fi®, fazendo-se o uso de um navegador de internet comum (neste artigo foi utilizado o Firefox). Dentre as aplicações possíveis destacamos: brinquedos, robôs, posicionamento de câmeras, entre outros. O controle para este servomotor será realizado através do Arduino Uno e a conexão com rede local será dada através do módulo ESP8266. A interface web a qual fará o controle foi projetada em HTML e jQuery.

Materiais utilizados

Para esse projeto os seguintes componentes são necessários:

• Arduino Uno – placa de microcontrolador baseado no ATmega328, com 14 pinos de entrada/saída digital, 6 entradas analógicas, conexão USB (Figura 1);
• ESP8266 ESP-01 – módulo wi-fi  capaz de realizar a interface do microcontrolador, através de comunicação serial, com uma rede 802.11b/g/n (Figura 2);
• Servomotores SG90 (x2) – servomotor popular e bastante acessível (Figura 3);
• Protoshield – para facilitar a montagem do protótipo (Figura 4), simplificando assim a interligação dos componentes. Uma protoboard comum também pode ser utilizada para montagem dos componentes;
• Resistores de 1 kOhm (x2) e de 10 kOhm (x1) – para compatibilizar os níveis de tensão entre o Arduino e o ESP8266;
• Alguns fios para conectar os componentes;
• Um computador (para compilar e fazer o upload do código para o Arduino).

Não é necessária a utilização de ferramentas específicas para conceber este projeto, além disso, os materiais citados podem ser encontrados facilmente.

A seguir listamos algumas opções em que o Arduino Uno pode ser alimentado: conectando-o a um computador por meio de um cabo USB tipo B, através de uma fonte externa 5Vcc com conector “Jack” tipo fêmea (vide figura 1) ou bateria.

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As figuras abaixo ilustram a interligação entre os componentes em um diagrama esquemático e ilustração da montagem dos componentes em protoboard.

Conecte todos os componentes de acordo com os esquemáticos (Figuras 5 e 6). Infelizmente, não é possível conectar o módulo ESP8266 diretamente à protoboard devido ao posicionamento dos pinos. Alguns resistores são utilizados para compatibilizar os níveis de tensão entre o Arduino (5V) e o módulo wi-fi (3.3V).

Além disso, os conectores dos servomotores são do tipo “fêmea”, o que pode dificultar um pouco a sua conexão. Por isso, serão necessários alguns fios para concluir a conexão dos componentes.

Programação do Arduino

Instale a última versão do Arduino IDE e e insira o código abaixo. Substitua XXXXX pelo SSID do seu roteador e YYYYY pela senha da sua rede. Verifique se o baudrate do ESP8266 está configurado corretamente. Conecte o Arduino à porta USB do computador e realize o upload do código.

// Wi-Servo v1.0 By Igor Fonseca Albuquerque

//incluir bibliotecas
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Servo.h>

SoftwareSerial esp8266(5, 4); //definir pino RX = 5 e TX = 4 (do ESP8266)

//definir variáveis
#define DEBUG true //mostrar as mensagens do ESP8266 no Serial Monitor
#define SERV1 9  //servo 1 na porta digital 9
#define SERV2 10 //servo 2 na porta digital 10

Servo s1; //servo 1
Servo s2; //servo 2
int pos1 = 170; //posição atual do servo 1
int pos2 = 170; //posição atual do servo 2
int vel = 10; //velocidade dos servos (100 -> 90º in 1 s)(1 -> 90º in 9 s)
int pos1min = 20; //posição mínima do servo 1
int pos2min = 20; //posição mínima do servo 2
int pos1max = 160; //posição máxima do servo 1
int pos2max = 160; //posição máxima do servo 2


//*****************
// Setup do Arduino
//*****************
void setup()
{

  //definir servos e definir posição inicial
  s1.attach(SERV1);
  s2.attach(SERV2);
  s1.write(pos1max);
  s2.write(pos2max);
  s1.detach();
  s2.detach();

  //iniciar comunicação serial
  Serial.begin(9600);
  esp8266.begin(19200);

  sendData("AT+RST\r\n", 2000, DEBUG); //resetar modulo
  sendData("AT+CWMODE=1\r\n", 1000, DEBUG); //definir modo station
  sendData("AT+CWJAP=\"XXXXX\",\"YYYYY\"\r\n", 2000, DEBUG);   //conectar rede wi-fi
  while(!esp8266.find("OK")) { //aguardar conexão
  } 
  sendData("AT+CIFSR\r\n", 1000, DEBUG); //mostrar endereço IP
  sendData("AT+CIPMUX=1\r\n", 1000, DEBUG); //permitir múltiplas conexões
  sendData("AT+CIPSERVER=1,80\r\n", 1000, DEBUG); //iniciar web server na porta 80
}

//***************
// Loop Principal
//***************
void loop()
{
  if (esp8266.available())  //verificar se existem dados disponíveis no ESP8266
  {
    if (esp8266.find("+IPD,")) //se houver um novo comando
    {
      String msg;
      esp8266.find("?"); //correr o cursor até encontrar o conteúdo da mensagem
      msg = esp8266.readStringUntil(' '); //ler a mensagem
      String command = msg.substring(0, 3); //os comandos são informados nos três primeiros caracteres. "sr1" = comando para o servo #1 e "sr2" = comando para o servo #2
      String valueStr = msg.substring(4);   //os 3 caracteres seguintes informam o ângulo desejado
      int value = valueStr.toInt();
      if (DEBUG) {
        Serial.println(command);
        Serial.println(value);
      }
      delay(100);

      //****************
      // mover os servos
      //****************

      //mover o servo1 para o Ângulo desejado
      if(command == "sr1") {
        //limitar o ângulo
        if (value >= pos1max) {
          value = pos1max;
        }
        if (value <= pos1min) {
          value = pos1min;
        }
        s1.attach(SERV1);
        while(pos1 != value) {
          if (pos1 > value) {
            pos1 -= 1;
            s1.write(pos1);
            delay(100/vel);
          }
          if (pos1 < value) {
            pos1 += 1;
            s1.write(pos1);
            delay(100/vel);
          }
        }
        s1.detach();
      }

      //mover o servo2 para o ângulo desejado
      if(command == "sr2") {
        //limitar o ângulo
        if (value >= pos2max) {
          value = pos2max;
        }
        if (value <= pos2min) {
          value = pos2min;
        }
        s2.attach(SERV2);
        while(pos2 != value) {
          if (pos2 > value) {
            pos2 -= 1;
            s2.write(pos2);
            delay(100/vel);
          }
          if (pos2 < value) {
            pos2 += 1;
            s2.write(pos2);
            delay(100/vel);
          }
        }   
        s2.detach();     
      } 
    }
  }
}


//********************
// Funções auxiliares
//********************

//Enviar dados para o ESP8266
String sendData(String command, const int timeout, boolean debug)
{
  String response = "";
  esp8266.print(command);
  long int time = millis();
  while ( (time + timeout) > millis())
  {
    while (esp8266.available())
    {
      char c = esp8266.read();
      response += c;
    }
  }
  if (debug)
  {
    Serial.print(response);
  }
  return response;
}

Nesse projeto foi utilizada a biblioteca servo.h para controle de servomotores. Para evitar conflitos entre o módulo wi-fi e a porta USB do computador durante o upload do código, foi utilizada a biblioteca softserial.h, a qual simula uma porta serial em outros dois pinos diferentes dos normalmente utilizados para comunicação serial. Nenhuma biblioteca adicional foi utilizada para comunicação entre o Arduino e o módulo ESP8266.

Alguns servomotores podem começar a tremer e fazer ruído quando sua posição fica perto dos limites do servo (0 e 180 graus). Para evitar isso, o ângulo foi limitado entre 10 e 170 graus tanto no código do Arduino quanto na interface de controle que será apresentada posteriormente.

Infelizmente, as bibliotecas servo.h e softserial.h utilizam o mesmo timer do microcontrolador ATmega328. Isso pode causar falha nos servos quando o Arduino tenta se comunicar com o ESP8266. Para evitar essa interferência, os servos são desconectados do Arduino (via código) após o recebimento de cada comando. Você também pode contornar esse problema conectando o módulo diretamente aos pinos de comunicação serial padrão do Arduino. Nesse último caso, não esqueça de desconectar fisicamente o ESP8266 antes de fazer qualquer upload.

Interface de controle

Foi projetada uma interface de controle de servomotores em HTML utilizando-se um navegador comum (Firefox por exemplo). Foram utilizados nesse tutorial dois servos, porém podem ser utilizados mais motores (esta solução foi testada com até quatro dispositivos).

Faça o download dos arquivos do projeto no final do artigo. Salve os arquivos Wi-servo.html e jquery.js, ambos na mesma pasta e execute o arquivo html (Figura 7).

Com o Arduino conectado ao computador, abra o Serial Monitor e reinicie o microcontrolador (botão de reset). Com isso o Arduino tentará se conectar com a rede wi-fi automaticamente e, se a conexão for bem sucedida, exibirá o IP que foi atribuído pelo roteador, conforme exemplo abaixo (Figura 8).

Um campo de texto foi colocado na interface para entrada manual desse endereço (Figura 9).

Após esses passos, o sistema está pronto para funcionar. Escolha o ângulo dos motores nas barras de rolagem para realizar os movimentos (Figura 10).

O vídeo abaixo apresenta o funcionamento do sistema após os passos acima descritos.

Downloads

Faça o download dos arquivos do projeto aqui.

Referências

Tutorial do AllAboutEE sobre acionamento de LEDs usando o ESP8266 com Arduino