Módulo 10: Comunicação Serial Avançada¶

Bem-vindo ao Módulo 10 do curso "Programação em Arduino: Conceitos Fundamentais sem Hardware". Neste módulo, você irá aprofundar seu conhecimento sobre comunicação serial na linguagem de programação Arduino (C/C++). A comunicação serial é essencial para a troca de dados entre o Arduino e outros dispositivos, como computadores, módulos de comunicação e outros microcontroladores.

Objetivos do Módulo¶

Compreender os conceitos avançados de comunicação serial.
Aprender a configurar e utilizar diferentes protocolos de comunicação serial, incluindo UART, I2C e SPI.
Implementar comunicação serial entre múltiplos dispositivos Arduino.
Utilizar a biblioteca SoftwareSerial para criar portas seriais adicionais.
Gerenciar a transferência e o parsing de dados de forma eficiente.
Resolver exercícios práticos para consolidar o conhecimento sobre comunicação serial avançada.

1. Introdução à Comunicação Serial Avançada¶

1.1 Revisão da Comunicação Serial Básica¶

Anteriormente, aprendemos a utilizar o Monitor Serial para enviar e receber dados entre o Arduino e o computador. Neste módulo, expandiremos esse conhecimento para incluir comunicação entre dispositivos e utilização de protocolos mais complexos.

1.2 Importância da Comunicação Serial Avançada¶

Interconectividade: Permite que o Arduino se comunique com uma variedade de dispositivos, como sensores avançados, módulos de comunicação (Wi-Fi, Bluetooth) e outros microcontroladores.
Controle Remoto: Facilita o controle e monitoramento do Arduino a partir de dispositivos externos.
Transferência de Dados: Habilita a troca eficiente de grandes volumes de dados entre dispositivos.

2. Protocolos de Comunicação Serial¶

2.1 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)¶

UART é um protocolo de comunicação serial assíncrona que utiliza dois fios principais: TX (transmissão) e RX (recepção).

Características:

Comunicação ponto a ponto.
Não requer um relógio compartilhado.
Configurações comuns: baud rate, paridade, bits de dados e bits de parada.

Exemplo de Configuração UART:

void setup() {
    Serial.begin(9600); // Inicializa a comunicação serial a 9600 baud
}

void loop() {
    if (Serial.available() > 0) {
        char recebido = Serial.read();
        Serial.print("Você digitou: ");
        Serial.println(recebido);
    }
}

2.2 I2C (Inter-Integrated Circuit)¶

I2C é um protocolo de comunicação serial síncrona que utiliza dois fios: SDA (Serial Data) e SCL (Serial Clock).

Características:

Comunicação multi-mestre e multi-escravo.
Utiliza endereçamento para identificar dispositivos.
Ideal para comunicação com sensores e dispositivos que possuem suporte a I2C.

Exemplo de Comunicação I2C:

#include <Wire.h>

void setup() {
    Wire.begin(); // Inicia o I2C como mestre
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    Wire.beginTransmission(8); // Endereço do dispositivo escravo
    Wire.write("Hello");
    Wire.endTransmission();
    delay(1000);
}

2.3 SPI (Serial Peripheral Interface)¶

SPI é um protocolo de comunicação serial síncrona que utiliza quatro fios: MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out), SCK (Serial Clock) e SS (Slave Select).

Características:

Comunicação full-duplex.
Alta velocidade de transferência de dados.
Utilizado para comunicação com dispositivos de alta velocidade, como cartões SD e displays LCD.

Exemplo de Comunicação SPI:

#include <SPI.h>

void setup() {
    SPI.begin(); // Inicia o SPI como mestre
    pinMode(10, OUTPUT); // SS
    digitalWrite(10, HIGH);
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    digitalWrite(10, LOW);
    SPI.transfer(0xFF); // Envia byte
    digitalWrite(10, HIGH);
    delay(1000);
}

3. Comunicação Serial Entre Múltiplos Dispositivos Arduino¶

3.1 Comunicação UART Entre Dois Arduinos¶

Configuração:

Conectar o pino TX do Arduino A ao pino RX do Arduino B.
Conectar o pino RX do Arduino A ao pino TX do Arduino B.
Conectar GND entre os dois Arduinos.

Exemplo de Código para o Arduino A (Transmissor):

void setup() {
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    Serial.println("Olá Arduino B!");
    delay(1000);
}

Exemplo de Código para o Arduino B (Receptor):

void setup() {
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    if (Serial.available() > 0) {
        String mensagem = Serial.readString();
        Serial.print("Recebi: ");
        Serial.println(mensagem);
    }
}

3.2 Comunicação I2C Entre Múltiplos Dispositivos Arduino¶

Configuração:

Conectar SDA a SDA e SCL a SCL entre os Arduinos.
Definir endereços únicos para cada dispositivo escravo.

Exemplo de Código para o Arduino Mestre:

#include <Wire.h>

void setup() {
    Wire.begin(); // Inicia como mestre
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    Wire.beginTransmission(8); // Endereço do escravo
    Wire.write("Dados do Mestre");
    Wire.endTransmission();
    delay(1000);
}

Exemplo de Código para o Arduino Escravo:

#include <Wire.h>

void setup() {
    Wire.begin(8); // Endereço do escravo
    Wire.onReceive(receiveEvent);
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    // Não há código no loop
}

void receiveEvent(int bytes) {
    while (Wire.available()) {
        char c = Wire.read();
        Serial.print(c);
    }
    Serial.println();
}

4. Utilizando a Biblioteca `SoftwareSerial`¶

A biblioteca SoftwareSerial permite criar portas seriais adicionais em pinos digitais, permitindo comunicação com múltiplos dispositivos seriais.

4.1 Configuração da `SoftwareSerial`¶

Exemplo de Uso:

#include <SoftwareSerial.h>

// Define os pinos RX e TX para a SoftwareSerial
SoftwareSerial meuSerial(10, 11); // RX, TX

void setup() {
    Serial.begin(9600);        // Porta serial padrão
    meuSerial.begin(4800);     // Porta serial adicional
    Serial.println("Iniciando comunicação serial...");
}

void loop() {
    if (meuSerial.available()) {
        char c = meuSerial.read();
        Serial.print("Recebi via SoftwareSerial: ");
        Serial.println(c);
    }

    if (Serial.available()) {
        char c = Serial.read();
        meuSerial.print(c);
    }
}

Explicação:

Definição: SoftwareSerial meuSerial(10, 11); define pinos 10 e 11 como RX e TX adicionais.
Inicialização: meuSerial.begin(4800); configura a velocidade da porta serial adicional.
Transferência de Dados: Dados recebidos na SoftwareSerial são enviados para a porta serial padrão e vice-versa.

5. Gerenciamento de Transferência e Parsing de Dados¶

5.1 Formatação de Dados¶

Para uma comunicação eficiente, é importante definir um protocolo de formatação de dados, utilizando delimitadores ou estruturas específicas.

Exemplo de Dados Delimitados por Vírgulas:

String dados = "23.5,47.8,15.2"; // Temperatura, Umidade, Pressão
Serial.println(dados);

5.2 Parsing de Dados Recebidos¶

No lado receptor, os dados podem ser divididos e convertidos para os tipos apropriados.

Exemplo de Parsing:

void setup() {
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    if (Serial.available() > 0) {
        String recebidos = Serial.readStringUntil('\n');
        int primeiraVirgula = recebidos.indexOf(',');
        int segundaVirgula = recebidos.indexOf(',', primeiraVirgula + 1);

        float temperatura = recebidos.substring(0, primeiraVirgula).toFloat();
        float umidade = recebidos.substring(primeiraVirgula + 1, segundaVirgula).toFloat();
        float pressao = recebidos.substring(segundaVirgula + 1).toFloat();

        Serial.print("Temperatura: ");
        Serial.println(temperatura);
        Serial.print("Umidade: ");
        Serial.println(umidade);
        Serial.print("Pressão: ");
        Serial.println(pressao);
    }
}

Explicação:

Delimitação: Utiliza vírgulas para separar os valores.
Parsing: Usa indexOf e substring para extrair e converter os valores para float.

6. Comunicação Serial com Múltiplos Dispositivos¶

6.1 Comunicação entre Arduino e Computador via Serial USB¶

O Arduino pode se comunicar com o computador através da porta USB utilizando a porta serial padrão.

Exemplo de Envio de Dados para o Computador:

void setup() {
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    Serial.println("Dados do Arduino");
    delay(1000);
}

6.2 Comunicação entre Arduino e Módulos Bluetooth¶

Utilizando módulos como o HC-05, o Arduino pode se comunicar sem fio com dispositivos como smartphones.

Exemplo de Configuração com SoftwareSerial:

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial bluetooth(10, 11); // RX, TX

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    bluetooth.begin(9600);
    Serial.println("Conectado ao Bluetooth.");
}

void loop() {
    if (bluetooth.available()) {
        char c = bluetooth.read();
        Serial.print("Recebi via Bluetooth: ");
        Serial.println(c);
    }

    if (Serial.available()) {
        char c = Serial.read();
        bluetooth.print(c);
    }
}

Explicação:

Definição: Pinos 10 e 11 são usados para comunicação serial com o módulo Bluetooth.
Transferência de Dados: Dados recebidos do Bluetooth são enviados para o Monitor Serial e vice-versa.

7. Exemplos Práticos¶

7.1 Comunicação Serial Entre Dois Arduinos Usando I2C¶

// Código para o Arduino Mestre
#include <Wire.h>

void setup() {
    Wire.begin(); // Inicia como mestre
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    Wire.beginTransmission(8); // Endereço do escravo
    Wire.write("Dados do Mestre");
    Wire.endTransmission();
    delay(1000);
}

// Código para o Arduino Escravo
#include <Wire.h>

void setup() {
    Wire.begin(8); // Endereço do escravo
    Wire.onReceive(receiveEvent);
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    // Não há código no loop
}

void receiveEvent(int bytes) {
    while (Wire.available()) {
        char c = Wire.read();
        Serial.print(c);
    }
    Serial.println();
}

Explicação:

Mestre: Envia uma string "Dados do Mestre" para o escravo a cada segundo.
Escravo: Recebe os dados e os imprime no Monitor Serial.

7.2 Utilizando `SoftwareSerial` para Comunicação com um Módulo Bluetooth¶

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial bluetooth(10, 11); // RX, TX

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    bluetooth.begin(9600);
    Serial.println("Conectado ao Bluetooth.");
}

void loop() {
    if (bluetooth.available()) {
        char c = bluetooth.read();
        Serial.print("Recebi via Bluetooth: ");
        Serial.println(c);
    }

    if (Serial.available()) {
        char c = Serial.read();
        bluetooth.print(c);
    }
}

Explicação:

Envio e Recebimento: Permite enviar e receber dados entre o Arduino e um dispositivo Bluetooth, como um smartphone, utilizando a porta serial adicional criada pela biblioteca SoftwareSerial.

7.3 Comunicação Serial com Parsing de Dados Delimitados¶

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    Serial.println("Envie dados no formato: temperatura,umidade,pressao");
}

void loop() {
    if (Serial.available() > 0) {
        String recebidos = Serial.readStringUntil('\n');
        int primeiraVirgula = recebidos.indexOf(',');
        int segundaVirgula = recebidos.indexOf(',', primeiraVirgula + 1);

        if (primeiraVirgula > 0 && segundaVirgula > primeiraVirgula) {
            float temperatura = recebidos.substring(0, primeiraVirgula).toFloat();
            float umidade = recebidos.substring(primeiraVirgula + 1, segundaVirgula).toFloat();
            float pressao = recebidos.substring(segundaVirgula + 1).toFloat();

            Serial.print("Temperatura: ");
            Serial.println(temperatura);
            Serial.print("Umidade: ");
            Serial.println(umidade);
            Serial.print("Pressão: ");
            Serial.println(pressao);
        } else {
            Serial.println("Formato inválido. Tente novamente.");
        }
    }
}

Explicação:

Formato de Dados: Espera uma string no formato "temperatura,umidade,pressao".
Parsing: Divide a string com base nas vírgulas e converte os segmentos para float.
Validação: Verifica se o formato dos dados está correto antes de processar.

8. Exercícios Práticos¶

Exercício 1: Comunicação Serial Entre Arduino e PC com Comando de Controle¶

Tarefa: Crie um programa onde o Arduino recebe comandos do computador via Serial para ligar e desligar um LED. Use comandos como "LIGAR" e "DESLIGAR".
Dicas:
Utilize Serial.readStringUntil('\n') para ler comandos completos.
Compare strings para identificar o comando recebido.
Exemplo de Código:

const int ledPin = 13;

void setup() {
    pinMode(ledPin, OUTPUT);
    Serial.begin(9600);
    Serial.println("Digite 'LIGAR' ou 'DESLIGAR' para controlar o LED.");
}

void loop() {
    if (Serial.available() > 0) {
        String comando = Serial.readStringUntil('\n');
        comando.trim(); // Remove espaços em branco

        if (comando.equalsIgnoreCase("LIGAR")) {
            digitalWrite(ledPin, HIGH);
            Serial.println("LED Ligado.");
        } else if (comando.equalsIgnoreCase("DESLIGAR")) {
            digitalWrite(ledPin, LOW);
            Serial.println("LED Desligado.");
        } else {
            Serial.println("Comando inválido. Use 'LIGAR' ou 'DESLIGAR'.");
        }
    }
}

Exercício 2: Comunicação Serial com Arduino e Módulo Bluetooth para Controle de Servo¶

Tarefa: Desenvolva um sistema onde um smartphone envia comandos via Bluetooth para o Arduino controlar a posição de um servo motor. Utilize comandos como "ESQUERDA" e "DIREITA" para ajustar o ângulo do servo.
Dicas:
Utilize a biblioteca SoftwareSerial para comunicação com o módulo Bluetooth.
Controle o servo utilizando a biblioteca Servo.
Exemplo de Código:

#include <SoftwareSerial.h>
#include <Servo.h>

SoftwareSerial bluetooth(10, 11); // RX, TX
Servo meuServo;

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    bluetooth.begin(9600);
    meuServo.attach(9); // Servo conectado ao pino 9
    meuServo.write(90); // Posição inicial
    Serial.println("Controle do Servo via Bluetooth iniciado.");
}

void loop() {
    if (bluetooth.available() > 0) {
        String comando = bluetooth.readStringUntil('\n');
        comando.trim();

        if (comando.equalsIgnoreCase("ESQUERDA")) {
            int pos = meuServo.read();
            pos -= 10;
            if (pos < 0) pos = 0;
            meuServo.write(pos);
            Serial.print("Servo movido para a esquerda: ");
            Serial.println(pos);
        } else if (comando.equalsIgnoreCase("DIREITA")) {
            int pos = meuServo.read();
            pos += 10;
            if (pos > 180) pos = 180;
            meuServo.write(pos);
            Serial.print("Servo movido para a direita: ");
            Serial.println(pos);
        } else {
            Serial.println("Comando inválido. Use 'ESQUERDA' ou 'DIREITA'.");
        }
    }
}

Exercício 3: Comunicação Serial com Parsing de Dados para Monitoramento de Sensores¶

Tarefa: Crie um programa onde o Arduino envia dados de múltiplos sensores formatados em JSON para o computador. Utilize parsing para organizar os dados recebidos.
Dicas:
Utilize delimitadores para estruturar os dados em formato JSON.
Implemente funções para criar e interpretar strings JSON.
Exemplo de Código:

#include <ArduinoJson.h>

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    Serial.println("Monitoramento de Sensores Iniciado.");
}

void loop() {
    // Simulação de leituras de sensores
    float temperatura = 23.5;
    float umidade = 47.8;
    float pressao = 1013.25;

    // Cria um documento JSON
    StaticJsonDocument<200> doc;
    doc["temperatura"] = temperatura;
    doc["umidade"] = umidade;
    doc["pressao"] = pressao;

    // Serializa o JSON
    String output;
    serializeJson(doc, output);
    Serial.println(output);

    delay(1000);
}

Explicação:

Biblioteca ArduinoJson: Facilita a criação e parsing de dados em formato JSON.
Criação do JSON: Armazena os valores dos sensores em um documento JSON e o envia via Serial.
Monitoramento: O computador pode receber e interpretar os dados estruturados para visualização ou processamento.

9. Conceitos Importantes¶

9.1 Baud Rate¶

Definição: Taxa de transmissão de dados na comunicação serial, medida em bits por segundo (bps).
Considerações:
Deve ser consistente entre os dispositivos comunicantes.
Baud rates comuns: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200.

9.2 Paridade e Bits de Parada¶

Paridade: Método de verificação de erros que adiciona um bit extra para garantir a integridade dos dados.
Bits de Parada: Indicam o final de um byte de dados.
Configuração: Geralmente configurada como 8N1 (8 bits de dados, sem paridade, 1 bit de parada).

9.3 SoftwareSerial vs. HardwareSerial¶

HardwareSerial:
Utiliza a porta serial padrão do Arduino.
Mais eficiente e rápido.
Limitado a uma única porta serial (exceto em Arduinos com múltiplas portas seriais).
SoftwareSerial:
Permite criar portas seriais adicionais em pinos digitais.
Menos eficiente e pode ser mais lenta.
Útil para comunicação com múltiplos dispositivos seriais.

9.4 Parsing de Dados¶

Definição: Processo de interpretar e extrair informações de uma string ou fluxo de dados.
Importância: Essencial para organizar e utilizar dados recebidos de forma estruturada.

9.5 Boas Práticas na Comunicação Serial¶

Consistência: Mantenha as configurações de baud rate e parâmetros de comunicação consistentes entre os dispositivos.
Delimitação de Dados: Utilize delimitadores claros para separar diferentes partes dos dados.
Validação: Sempre verifique e valide os dados recebidos para evitar erros de interpretação.
Gerenciamento de Buffer: Evite sobrecarregar o buffer serial, controlando a quantidade e a frequência dos dados enviados.

10. Recursos Adicionais¶

Documentação Oficial do Arduino:
Comunicação Serial
Biblioteca SoftwareSerial
Biblioteca ArduinoJson
Tutoriais e Guias:
Guia Completo de Comunicação Serial no Arduino
Utilizando I2C e SPI no Arduino
Introdução ao JSON com Arduino
Vídeos Educacionais:
Comunicação Serial Avançada no Arduino
Entendendo I2C e SPI no Arduino
Utilizando a Biblioteca ArduinoJson

11. Conclusão do Módulo¶

Neste módulo, você aprendeu:

Conceitos avançados de comunicação serial, incluindo UART, I2C e SPI.
Como configurar e utilizar diferentes protocolos de comunicação serial no Arduino.
Implementação de comunicação serial entre múltiplos dispositivos Arduino.
Utilização da biblioteca SoftwareSerial para criar portas seriais adicionais.
Técnicas de transferência e parsing de dados para comunicação eficiente.
Integração de comunicação serial com módulos de comunicação como Bluetooth.
Praticou com exemplos e exercícios que reforçam o entendimento da comunicação serial avançada.

Você está agora preparado para avançar para o próximo módulo, onde exploraremos Controle de Motores e Atuadores, aprofundando seu conhecimento em automação e controle com Arduino.

12. Próximos Passos¶

Revisar o conteúdo deste módulo e certificar-se de que compreendeu os conceitos apresentados.
Completar os exercícios propostos para consolidar o aprendizado.
Preparar-se para o Módulo 11: Controle de Motores e Atuadores.

Se tiver dúvidas ou precisar de assistência, não hesite em procurar recursos adicionais ou participar de comunidades de aprendizagem para obter suporte.

Bom trabalho e continue assim!

Módulo 10: Comunicação Serial Avançada¶

Objetivos do Módulo¶

1. Introdução à Comunicação Serial Avançada¶

1.1 Revisão da Comunicação Serial Básica¶

1.2 Importância da Comunicação Serial Avançada¶

2. Protocolos de Comunicação Serial¶

2.1 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)¶

2.2 I2C (Inter-Integrated Circuit)¶

2.3 SPI (Serial Peripheral Interface)¶

3. Comunicação Serial Entre Múltiplos Dispositivos Arduino¶

3.1 Comunicação UART Entre Dois Arduinos¶

3.2 Comunicação I2C Entre Múltiplos Dispositivos Arduino¶

4. Utilizando a Biblioteca SoftwareSerial¶

4.1 Configuração da SoftwareSerial¶

5. Gerenciamento de Transferência e Parsing de Dados¶

5.1 Formatação de Dados¶

5.2 Parsing de Dados Recebidos¶

6. Comunicação Serial com Múltiplos Dispositivos¶

6.1 Comunicação entre Arduino e Computador via Serial USB¶

6.2 Comunicação entre Arduino e Módulos Bluetooth¶

7. Exemplos Práticos¶

7.1 Comunicação Serial Entre Dois Arduinos Usando I2C¶

7.2 Utilizando SoftwareSerial para Comunicação com um Módulo Bluetooth¶

7.3 Comunicação Serial com Parsing de Dados Delimitados¶

8. Exercícios Práticos¶

Exercício 1: Comunicação Serial Entre Arduino e PC com Comando de Controle¶

Exercício 2: Comunicação Serial com Arduino e Módulo Bluetooth para Controle de Servo¶

Exercício 3: Comunicação Serial com Parsing de Dados para Monitoramento de Sensores¶

9. Conceitos Importantes¶

9.1 Baud Rate¶

9.2 Paridade e Bits de Parada¶

9.3 SoftwareSerial vs. HardwareSerial¶

9.4 Parsing de Dados¶

9.5 Boas Práticas na Comunicação Serial¶

10. Recursos Adicionais¶

11. Conclusão do Módulo¶

12. Próximos Passos¶

4. Utilizando a Biblioteca `SoftwareSerial`¶

4.1 Configuração da `SoftwareSerial`¶

7.2 Utilizando `SoftwareSerial` para Comunicação com um Módulo Bluetooth¶