Biblioteca Arduino para Aula Prática de Redes

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FEMEC42082 – Redes Industriais 
 
 
 
 
 
 
 
Apostila de Apoio 
 
 
 
 
 
Bibliotecas Arduino® para Auxílio nas Aulas Práticas de Redes Industriais 
 
 
 
 
 
 
Autores: Álisson Carvalho Vasconcelos e José Jean Paul Zanlucchi de Souza Tavares 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2024 
 
 
Resumo: O ensino de disciplinas técnicas enfrenta desafios de acesso devido ao alto custo de equipamentos 
específicos, e com a mudança para um modelo híbrido presencial-remoto, a necessidade de laboratórios 
remotos é evidente. Nesse contexto, as tendências pedagógicas como IoT e laboratórios remotos ganham 
destaque. Protocolos como I2C, Ethernet e ZigBee são fundamentais em redes industriais. Todos esses 
protocolos são passíveis de serem implementados na prática usando plataformas de baixo custo como é o 
Arduino, todavia, sua implementação não é trival. Esse artigo desenvolve bibliotecas específicas para esses 
protocolos com o objetivo de facilitar a inicialização, implementação e geração de pacotes de dados. O 
desenvolvimento das bibliotecas I2C.h, Ethernet_UDP.h e Xbee_API.h melhorou significativamente a 
efetividade das práticas laboratoriais da disciplina de Redes Industriais da Universidade Federal de 
Uberlândia, ampliando o acesso dos alunos a tecnologias essenciais. 
Palavras-chaves: Arduino®; I2C; Ethernet; UDP; Xbee; ZigBee; Redes Industriais. 
 
1. INTRODUÇÃO 
De acordo com Stemmer (2010), no que concerne redes industriais, a base das mesmas se apoia em 
protocolos mestre-escravo, token-passing (IEEE802.4), token-ring (IEEE802.5), ethernet (IEEE802.3) e 
comunicação sem fio industrial (IEEE802.14). Há diversas tecnologias mestre-escravo, sendo uma delas o 
protocolo de Circuito Inter-Integrado (I2C – Inter-Integrated Circuit) (MANKAR et al. 2014) (DEEPIKA 
et YADAV, 2018). A ethernet industrial ainda é vista como um protocolo não determinístico e iniciativas 
com conexões sensíveis ao tempo estão sendo desenvolvidas (METAAL et al. 2020) como também a 
pontualidade em redes Ethernet industriais comutadas (SKEIE JOHANNESSEN et. HOLMEIDE, 2006). 
Redes sem fio industriais se baseiam na tecnologia Zigbee (PAN et TSENG, 2007) (AHAMED, 2009). 
De acordo com Mankar et al. (2014), o protocolo I2C é uma forma de comunicação serial entre dispositivos 
eletrônicos como o Arduino® e o ESP32®. Esse protocolo oferece uma maneira eficiente e simplificada 
de trocar informações por meio de um barramento contendo uma linha de dados (SDA) e uma linha de 
clock (SCL). O I2C permite a conexão de múltiplos dispositivos em um barramento serial, facilitando a 
comunicação entre microcontroladores, sensores e outros periféricos. Para facilitar a implementação do 
protocolo I2C, existem bibliotecas disponíveis no Ambiente de Desenvolvimento Integrado ou IDE (do 
inglês Integrated Development Environment) Arduino® que oferecem uma interface de programação 
consistente e simplificada. Essas bibliotecas abstraem os detalhes de baixo nível da comunicação serial, 
permitindo que os desenvolvedores se concentrem na lógica da aplicação. Com as bibliotecas I2C, é 
possível configurar, enviar e receber dados através do protocolo I2C com facilidade, agilizando o 
desenvolvimento de sistemas embarcados em Arduino® e dispositivos eletrônicos que se integram com o 
IDE, como é o caso do ESP32®. 
De acordo com Stemmer (2010), o protocolo Ethernet pode ser implementado como UDP (Protocolo de 
Datagrama do Usuário – User Datagram Protocol) ou TCP (Protocolo de Controle de Transmissão – 
Transmition Control Protocol). O protocolo Ethernet é uma tecnologia de comunicação amplamente 
utilizada para transmitir dados em redes de forma mais leve e rápida, todavia não garante a entrega dos 
dados devido ao fato de poder ocorrer colisão de dados. Para sistemas que não dependem de informações 
importantes, a implementação da UDP é a escolha perfeita. Para sistema que dependem de informações 
importantes e que tenha problemas de colisão de dados é recomendado o TCP. Para simplificar o uso do 
protocolo Ethernet no IDE Arduino®, existem bibliotecas dedicadas que fornecem uma interface de 
programação fácil de usar para configurar e controlar a comunicação de rede, tanto UDP como TCP. Esse 
artigo foca no protocolo Ethernet UDP. 
No campo das redes de sensores sem fio e de IoT, o protocolo ZigBee se destaca como uma tecnologia de 
comunicação de baixo consumo de energia e curto alcance. O ZigBee permite a criação de redes auto-
organizáveis em malha, ideais para aplicações que requerem comunicação confiável entre dispositivos 
 
 
 
 
distribuídos. Para facilitar a integração no IDE Arduino® existem bibliotecas como a Xbee.h, que oferecem 
ferramentas e recursos para simplificar o desenvolvimento de sistemas ZigBee. 
Todas as bibliotecas existentes no IDE, apesar de haver exemplos de uso, não são de fácil implementação. 
Essa apostila tem o objetivo de desenvolver bibliotecas para inicializar e implementar a geração de pacotes 
de dados no IDE Arduino que facilitem a implementação das redes I2C.h, Ethernet_UDP.h e Xbee.h. 
O protocolo I2C está detalhado na seção 2 seguido de da biblioteca I2C.h (seção 3). O protocolo Ethernet 
UDP está apresentado na seção 4, seguido da biblioteca Ethernet_UDP.h (seção 5). A seção 6 mostra o 
Protocolo Zigbee e a seção 7 detalha a biblioteca Xbee.h. Na seção 8 é apresentado os testes das bibliotecas 
seguido da Conclusão e Bibliografia. 
 
2. PROTOCOLO I2C 
Conforme já mencionado, o protocolo I2C envolve o uso de duas linhas para transmissão de dados: clock 
serial (SCL – Serial Clock) que pulsa em intervalos regulares, e dados serial (SDA – Serial Data) no qual 
os dados são enviados entre dois ou mais dispositivos. Este protocolo é composto por um dispositivo 
controlador (Mestre), e um ou mais dispositivos periféricos (Escravo) conectados às linhas SCL e SDA dos 
controladores. Quando o controlador endereça o dispositivo, o controlador executa a requisição/transmissão 
de dados e o dispositivo executa a leitura/transmissão de dados por meio do clock gerado na linha SCL. 
Cada dispositivo no barramento I2C é funcionalmente independente do controlador, mas responderá com 
informações quando solicitado pelo controlador. Conforme Fig. 1 o pacote do protocolo I2C é composto 
por um cabeçalho de início de pacote (start), sete bits de endereçamento de escravo (7 bit Address), um bit 
identificador do tipo de requisição (Read/Write ou leitura ou escrita), um ou mais bits de confirmação de 
envio ou recebimento dos dados (Acknowledge), um ou mais pacotes de dados (Data pack) e um cabeçalho 
de fim de pacote (Stop). 
 
Fig. 1 Pacote I2C (STEMMER, 2010). 
Devido ao design de hardwares e às diversas diferenças arquitetônicas, a linha de comunicação I2C estão 
localizados em locais diferentes. A Tabela 1 representa o mapa de pinos para a linha de comunicação de 
alguns hardwares mais utilizados, bem como portas adicionais disponíveis. 
Tabela 1. Mapa de pinos das placas compatíveis com a plataforma Arduino IDE. 
Plataforma SDA SCL 
UNO & 
Nano 
A4 A5 
MKR D11 D12 
GIGA D9/D20/D1
01 
D8/D21/D1
01 
Mega & 
Due 
D20 D21 
ESP32 GPIO21 GPIO22 
Raspberry 
Pi 4 
GPIO2 GPIO3 
 
 
 
 
A ligação depende de cada módulo, mas obrigatoriamente todos os módulos devem ser alimentados 
(5V/3V3 e GND), com isso, podemos conectar a linha SCL e SDA entre os dispositivos para que ocorra a 
comunicação I2C (como o exemplo da Fig. 2), bem como entre dispositivos (Fig. 3). Quando mais de um 
módulo possui alimentação, não é necessário conectar a alimentação 5V/3V3 dos dois módulos 
 
Fig. 2 Exemplo de comunicação I2C entre um módulo e um UNO. 
 
Fig. 3 Exemplo de comunicação I2C entre dois Arduinos. 
2.1 Biblioteca Wire.h 
A biblioteca Wire.h do IDE Arduino® permite a comunicação com dispositivos I2C (Inter-Integrated 
Circuit – Circuito Inter Integrado), recurso que está presenteem grande parte das plataformas eletrônicas, 
como Arduino®, ESP32®, PN532®, LCD e outros dispositivos I2C. Ela permite conectar diversos 
dispositivos periféricos, como sensores, displays, drivers de motor e assim por diante, com apenas alguns 
fios. 
A implementação da biblioteca Wire.h utiliza um buffer de 32 bytes, portanto qualquer comunicação deve 
estar dentro deste limite. Exceder bytes em uma única transmissão será simplesmente descartado. 
Para o desenvolvimento foram utilizadas algumas funções contidas na biblioteca Wire.h, como begin, 
onRequest, onReceive, requestFrom, beginTransmission, endTransmission, available, read e write. 
 
 
 
 
A função begin inicializa a biblioteca Wire.h e ingressa ao barramento I2C dispositivos como controlador 
ou periférico. A função onRequest registra uma função a ser chamada quando ocorrer o evento de 
solicitação de dados dos dispositivos periféricos para o dispositivo controlador. 
A função onReceive registra uma função a ser chamada quando ocorrer o evento de transmissão de dados 
do dispositivo controlador para os dispositivos periféricos. A função requestFrom é utilizada pelo 
dispositivo controlador para solicitar dados limitados (bytes) de um dispositivo periférico. 
A função beginTransmission inicia uma transmissão do dispositivo controlador com o dispositivo periférico 
endereçado, permitindo o enfileiramento de bytes para a transmissão. A função endTrasmission finaliza 
uma transmissão com o dispositivo periférico, enviando o número de bytes contido na mensagem. 
A função available verifica se existem dados armazenados no buffer e retorna o número de bytes a serem 
lidos. A função read realiza a leitura dos dados armazenados no buffer, retorna o valor como inteiro. A 
função write realiza a escrita de bytes enfileirados ou não na linha SDA. 
 
3. BIBLIOTECA I2C.H 
Com base nas informações do protocolo I2C e da biblioteca Wire.h, foi possível o desenvolvido de uma 
biblioteca capaz de inicializar e implementar a geração de pacotes de dados. Sendo assim, o 
desenvolvimento da biblioteca I2C.h realizada no laboratório de Planejamento Automático de Manufatura 
(MAPL) foi uma solução adotada para controle de sistemas pneumáticos aplicados no laboratório da 
disciplina de Redes Industriais do curso de Engenharia Mecatrônica da Universidade Federal de Uberlândia 
(UFU). 
A biblioteca I2C.h é composta de macros, vetores e funções. As macros são parâmetros constantes e 
responsáveis por definir dados importantes da biblioteca (Fig. 4). Os vetores são variáveis que armazenam 
informações para envio e recebimento de mensagem (Fig. 5). As funções contidas na biblioteca I2C são 
usadas na inicialização da biblioteca Wire.h (Fig. 6), para requisição e leitura de dados dos periféricos (Fig. 
7), transmissão de dados/instruções para os periféricos (Fig. 8) e leitura/envio de dados dos periféricos para 
o controlador (Fig. 9). 
 
Fig. 4 Macros de setup da biblioteca I2C. 
 
Fig. 5 Criação do buffer de dados e inicialização de funções da biblioteca I2C. 
 
 
 
 
 
Fig. 6 Inicialização do controlador e dos periféricos da biblioteca I2C. 
 
Fig. 7 Requisição e leitura de dados dos periféricos configurados na biblioteca I2C.h. 
 
Fig. 8 Transmissão de dados/instruções para os periféricos configurados na biblioteca I2C.h. 
 
Fig. 9 Leitura/envio de dados dos periféricos para o controlador por meio da biblioteca I2C.h. 
 
4. PROTOCOLO ETHERNET UDP 
O protocolo UDP é parte do protocolo Ethernet que utiliza de cabeamento de par trançado para transmissão 
de dados (RJ45) entre dispositivos, roteadores e periféricos. Este protocolo é composto por um ou mais 
clients (dispositivo cliente) e por um server (dispositivo servidor de dados). 
Quando o dispositivo cliente/servidor endereça um dispositivo cliente e ou servidor, o dispositivo 
cliente/servidor empacota os dados no formato UDP e transmite seus dados para os dispositivos cliente e 
ou servidor. Cada dispositivo na rede possui sua própria função, podendo realizar a leitura/transmissão de 
 
 
 
 
dados em rede. A Fig. 10 representa o empacotamento do quadro Ethernet UDP, onde são apresentados os 
pacotes dos cabeçalhos de frame, datagrama e UDP, e dos dados contidos na aplicação. 
4.1 Módulos de Comunicação Ethernet 
Os módulos de comunicação Ethernet são meios de comunicação entre dispositivos e redes locais. Eles são 
compatíveis com diversos tipos de hardware/dispositivos, onde alguns são externos e outros internos nos 
dispositivos. Hardwares como Arduino® e ESP32® são exemplos de dispositivos que comunicam com 
módulos de Ethernet externo (W5100, W5200 e W5500), conforme mostra a Fig. 11. 
 
Fig. 10 Pacote Ethernet (STEMMER, 2010). 
 
Fig. 11 Módulo de comunicação Ethernet W5500. 
4.2. Funções das Bibliotecas Ethernet.h e UDP.h 
A biblioteca Ethernet.h e UDP.h oferecem funcionalidades para controle dos módulos responsáveis pela 
conexão de servidores e clientes com redes locais. Esse recurso é presente em grande parte das plataformas 
eletrônicas, como Arduino® e ESP32®, oferecendo suporte para configuração automática de IP (DHCP) e 
resolução de nomes de domínio (DNS). 
Para o desenvolvimento foram utilizadas funções contidas na biblioteca Ethernet.h e UDP.h, como begin, 
hardwareStatus, linkStatus, beginPacket, endPacket, parsePacket, read e write. 
A função begin inicializa a biblioteca Ethernet e Ethernet UDP, e as configurações de rede. A função 
hardwareStatus informa o módulo Ethernet detectado (W5100, W5200 e W5500). A função linkStatus 
verifica a conexão com a rede. 
A função beginPacket inicializa o empacotamento dos dados a serem enviados. A função endPacket finaliza 
o empacotamento dos dados e envia a mensagem. A função parsePacket verifica a presença de um pacote 
UDP e retorna o tamanho do dado. 
A função read realiza a leitura dos dados UDP armazenados no buffer. A função write realiza a escrita de 
dados UDP no buffer para o envio. 
 
 
 
 
 
5. BIBLIOTECA ETHERNET.H E UDP.H 
Com base nas informações do protocolo e da biblioteca Ethernet.h e UDP.h, foi possível o desenvolvimento 
de uma biblioteca capaz de inicializar e implementar a geração de pacotes de dados. Sendo assim, o 
desenvolvimento da biblioteca Ethernet_UDP.h realizada no MAPL foi uma solução adotada para controle 
de sistemas pneumáticos aplicados em laboratório da disciplina de Redes Industriais do curso de Engenharia 
Mecatrônica da UFU. 
A biblioteca é composta de macros, objetos, vetores e funções. As macros são parâmetros constantes e 
responsáveis por definir dados padrões da biblioteca (Fig. 12). O objeto é uma classe filha da biblioteca 
UDP, onde herda todos os métodos e parâmetros. Os vetores são variáveis que armazenam informações 
para o envio e recebimento de mensagens. As funções contidas na biblioteca Ethernet_UDP.h são usadas 
na inicialização da biblioteca UDP (Fig. 13), e para leitura/envio de dados contidos no buffer (Fig. 14). 
 
Fig. 12 Macros, objetos e vetores da biblioteca Ethernet_UDP.h. 
 
Fig. 13 Inicialização da biblioteca Ethernet_UDP.h. 
 
 
 
 
 
6. PROTOCOLO ZIGBEE 
O protocolo ZigBee é um protocolo responsável pela comunicação entre dispositivos por meio de redes 
sem fio. Possui flexibilidade para vários tipos de topologias de rede, como estrela, malha e árvore (Fig. 15). 
Seu endereçamento é definido por softwares e é composto por 16 bytes. Nesse protocolo é encontrado 
dispositivos coordenadores, roteadores e dispositivos finais. 
 
Fig. 14 Leitura/envio de dados contidos no buffer da biblioteca Ethernet_UDP.h. 
 
Fig. 15 Topologia da Rede ZigBee (AHAMED, 2009). 
Quando o dispositivo endereça outro dispositivo, é realizado o empacotamento e a transmissão dos dados. 
Cada dispositivo possui seu próprio papel na rede, podendo realizar a leitura/transmissão de dados em 
pacotes ZigBee. A Fig. 16 representa o quadro ZigBee, onde são apresentadosos pacotes delimitadores de 
início (Start Delimiter), tamanho (Length), dados propriamente ditos (Frame Data) que possuem um 
identificador de tipo de informação (API Identifier) e os dados em si (Identifier-specific Data) e o dígito 
verificador (Checksum). 
 
Fig. 16 Pacote ZigBee com configuração API-Mode (STEMMER, 2010). 
 
 
 
 
O módulo Xbee é um hardware de comunicação entre dispositivos que estrutura redes ZigBee e é 
compatível com diversos tipos de hardware/dispositivos, utilizando ou não shields específicos. Hardwares 
como Arduino® e ESP32® são exemplos de dispositivos que comunicam com módulos Xbee externo e 
utilizam como meio de comunicação a interface UART – comunicação Serial (Fig. 17). 
 
Fig. 17 Módulo XBee com shield de comunicação para Arduino. 
Um diferencial com os outros módulos, é a necessidade de configurar o módulo antes de ser utilizado. Com 
o auxílio do software XCTU podemos configurar o módulo para o formato API-mode. 
A biblioteca XBee.h oferece funcionalidades para controle dos módulos Xbee, que realizam a comunicação 
utilizando o protocolo ZigBee. Esse recurso é utilizado em plataformas eletrônicas com programação em 
C++, como Arduino® e ESP32®, que utilizam o software Arduino IDE. 
 
7. BIBLIOTECA XBEE.H 
Para o desenvolvimento da biblioteca Xbee_API.h foram utilizadas alguns métodos contidos na biblioteca 
Xbee.h, como setSerial, XBeeAddress64, getResponse, isAvailable, getApiID, getZBRxResponse, isError, 
getErrorCode, getZBTxStatusResponse, getModemStatusResponse, getOption, getData, getStatus, 
getDeliveryStatus, ZBTxRequest, readPacket e send. 
O método setSerial define a porta UART do dispositivo que será utilizado para comunicação entre o 
dispositivo e o módulo. O método XBeeAddress64 formata o endereço do destinatário para ser inserido no 
pacote ZigBee. 
O método getResponse realiza a captura da informação contida no buffer do XBee. O método isAvailable 
é utilizado após o método getResponse, ele identifica a existência de informações capturadas. O método 
getApiID é utilizado após o método getResponse, ele retorna o valor do ID da informação contida no buffer. 
O método getZBRxResponse é utilizado após o método getResponse, ele armazena na variável repassada 
como parâmetro do método a informação contida no buffer (dados). O método isError é utilizado após o 
método getResponse, e retorna à existência de erro na captura da informação contida no buffer. O método 
getErrorCode é utilizado após o método getResponse, ele retorna o erro causado durante a captura da 
informação no buffer. O método getZBTxStatusResponse é utilizado após o método getResponse, e 
armazena na variável repassada como parâmetro do método a informação contida no buffer (status). O 
método getModemStatusResponse é utilizado após o método getResponse, e verifica o status do buffer do 
XBee, onde indicara se o módulo XBee está conectado. 
 
 
 
 
O método getOption é utilizado na variável repassada para o método getZBRxResponse, ele informa se a 
captura de informação contida no buffer foi bem-sucedida. O método getData captura a informação 
armazenada na variável repassada para o método getZBRxResponse. 
O método getStatus captura a informação armazenada na variável repassada no método 
getModemStatusResponse. O método getDeliveryStatus é utilizado na variável repassada para o método 
getZBTxStatusResponse, ele informa se a captura da informação contida no buffer é o sucesso no envio da 
mensagem. 
O método ZBTxRequest é responsável por empacotar os dados para envio. O método readPacket realiza a 
leitura dos dados armazenados no buffer. O método send realiza o envio dos dados contidos no pacote 
gerado pelo método ZBTxRequest. 
Com base nas informações do protocolo ZigBee e da biblioteca XBee, foi possível o desenvolvimento de 
uma biblioteca capaz de inicializar e implementar a geração de pacotes de dados. Sendo assim, o 
desenvolvimento da biblioteca Xbee_API.h realizada no MAPL foi uma solução adotada para controle de 
sistemas pneumáticos aplicados em laboratório da disciplina de Redes Industriais do curso de Engenharia 
Mecatrônica da UFU. A biblioteca é composta de macros, objetos, variáveis e funções (Fig. 18). As macros 
são parâmetros contantes e responsáveis por definir dados padrão biblioteca. Os objetos são classes filhas 
das classes definidas na biblioteca XBee.h, onde herdam todos os métodos e parâmetros. A variável 
booleana é responsável por permitir a impressão quando a porta serial estiver livre. As funções contidas na 
biblioteca Xbee_API.h são usadas na inicialização da biblioteca XBee.h (Fig. 19), e para envio de dados 
contidos no buffer (Fig. 20). 
 
Fig. 18 Macros, objetos e variáveis da biblioteca Xbee_API.h. 
 
Fig. 19 Inicialização da biblioteca Xbee_API.h. 
 
8. TESTES DAS BIBLIOTECAS NA PRÁTICA 
As aulas práticas da Disciplina de Redes Industriais do curso de Engenharia Mecatrônica da FEMEC/UFU 
no 1.o semestre de 2023 não fizeram uso das bibliotecas. Dos 8 grupos de alunos criados, apenas 1 
conseguiu realizar o projeto final completamente, perfazendo 12,5% de efetividade. No 2.o semestre de 
2023, após a aplicação das bibliotecas para inicializar e implementar a geração de pacotes de dados em I2C, 
Ethernet e Zigbee, foi atingido 100% de efetividade nos 4 grupos de alunos. 
As bibliotecas estão disponíveis no https://github.com/MAPL-UFU/Industrial-NetWork.git. 
https://github.com/MAPL-UFU/Industrial-NetWork.git
 
 
 
 
 
 
Fig. 20 Envio de dados da biblioteca Xbee_API.h. 
 
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