Controllo IoT dell’illuminazione con Alexa e il microcontrollore Wi-Fi ESP8266 – Parte 2

Nel precedente articolo “Controllo IoT dell’illuminazione con Alexa e il microcontrollore Wi-Fi ESP8266 - Parte 1” abbiamo introdotto il progetto di un sistema di controllo dell’illuminazione che utilizza Alexa o un radiocomando e la scheda di sviluppo Wi-Fi D1 NodeMCU ESP8266 12-F. Abbiamo spiegato il funzionamento del progetto attraverso la descrizione dello schema elettrico, abbiamo anche indicato le librerie che saranno incluse nel codice che poi programmeremo nell’ESP8266 utilizzando l’IDE di Arduino. In questo articolo ci soffermeremo sulla descrizione dei componenti impiegati nel progetto: la scheda di sviluppo Wi-Fi D1 NodeMCU ESP8266 12-F, il radiocomando costituito dal trasmettitore TX118S-4(433MHz) e dal ricevitore MX-05V. Infine, il modulo convertitore AC-DC HI-Link.

La scheda di sviluppo D1 NodeMCU ESP8266 12-F

D1 NodeMCU ESP8266 12-F è una scheda di sviluppo basata sul modulo microcontrollore Wi-Fi ESP8266 12-F della Espressif. Dispone di 11 pin di ingresso/uscita digitali e un pin di ingresso analogico. Tutti i pin I/O digitali hanno funzioni di interrupt, PWM, I2C e One-wire. Il range della tensione all’ingresso analogico è compreso tra 0 V e 3,3 V. Il modulo utilizza una porta microUSB e il chip convertitore seriale UART-USB CH340G per l’interfacciamento al computer e la programmazione dell’ESP8266. Inoltre, la porta microUSB fornisce alimentazione al modulo. Il modulo ESP8266 12-F integrato nella scheda di sviluppo, è un integrato SoC (System on a Chip) costituito da un microcontrollore Tensilica L106 a 32 bit e da un transceiver Wi-Fi. Può essere programmato come qualsiasi altro microcontrollore. La peculiarità dell’ESP8266 è la comunicazione Wi-Fi, ovvero può essere connesso alla rete Wi-Fi o a Internet, può svolgere la funzione di host server web, connettersi a uno smartphone, tablet, ecc. Supporta i protocolli di rete Wi-Fi, TCP, UDP, HTTP, DNS, ecc. Il modulo D1 NodeMCU può essere programmato con Arduino, in C con ESP SDK, Lua interpreter, NodeMCU, MicroPython. In Figura 1 la scheda di sviluppo D1 NodeMCU.

Figura 1: Scheda di sviluppo D1 NodeMCU

Di seguito sono elencate le specifiche tecniche dell’ESP8266 12-F:

» 802.11 b/g/n
» Integrated low power 32-bit MCU
» Integrated 10-bit ADC
» Integrated TCP/IP protocol stack
» Integrated TR switch, balun, LNA, power amplifier e matching network
» Integrated PLL, regulators, e power management units
» Supports antenna diversity
» Wi-Fi 2.4 GHz, support WPA/WPA2
» Support STA/AP/STA+AP operation modes
» Support Smart Link Function for both Android and iOS devices
» SDIO 2.0, (H) SPI, UART, I2C, I2S, IRDA, PWM, GPIO
» STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO
» A-MPDU & A-MSDU aggregation and 0.4s guard interval
» Deep sleep power <10uA, power down leakage current < 5uA
» Wake up and transmit packets in < 2ms
» Standby power consumption of < 1.0mW (DTIM3)
» +20dBm output power in 802.11b mode
» Operating temperature range: -40 °C ~ 125 °C

Le specifiche tecniche della scheda di sviluppo D1 NodeMCU sono le seguenti:

» Operating voltage: 3.3V DC
» Main chip: ESP8266 12-F
» Clock speed: 80MHz/160MHz
» Flash memory: 4MB
» Digital I/O pins: 11
» Analog input pins: 1
» Analog input voltage range: from 0V to 3.3V DC
» Port: microUSB
» USB-UART serial interface chip: CH340G
» On-board LED: connected to GPIO2 pin
» Max. current per single digital I/O pin: 12mA
» Dimensions: 25 x 35 x 6mm [0.98 x 1.4 x 0.24in]

NOTE: i pin del modulo D1 NodeMCU non tollerano tensioni di 5 V, l’applicazione di tensioni di più di 3,6 V su qualsiasi pin potrebbe danneggiare il chip!

I pin GPIO1 e GPIO3 vengono utilizzati come TX e RX della porta seriale hardware UART, quindi nella maggior parte dei casi non possono essere utilizzati come normali I/O durante l'invio/ricezione di dati seriali.
Il modulo D1 Mini ha un LED integrato collegato al pin GPIO2.

Funzioni dei pin I/O

La Figura 2 riporta la disposizione dei pin con l’indicazione delle funzioni.

Figura 2: Disposizione dei pin della scheda D1 NodeMCU

PWM
A differenza della maggior parte dei chip Atmel (Arduino), il modulo D1 Mini non supporta l’hardware PWM. Tuttavia, il software PWM è supportato su tutti i pin digitali. La risoluzione PWM predefinita è 10 bit alla frequenza di 1 kHz, ma può essere modificata fino a 14 bit alla frequenza di 1 kHz.

Il convertitore analogico-digitale (ADC)
Il modulo D1 Mini ha un unico ingresso analogico, con un range di tensione di ingresso di 0V - 3.0V. Se vengono applicati più di 3,3 V, il chip potrebbe essere danneggiato. Il convertitore analogico-digitale ha una risoluzione di 10 bit.

Interfacce di comunicazione seriale

UART
Il modulo D1 Mini ha due porte seriali UART hardware: UART0 sui pin 1 e 3 (TX0 e RX0 rispettivamente) e UART1 sui pin 2 e 8 (TX1 e RX1 rispettivamente). Tuttavia, GPIO8 viene utilizzato per connettere il chip flash. Ciò significa che l’UART1 può solo trasmettere dati. Nella maggior parte dei casi una porta UART è più che sufficiente. UART0 ha anche il controllo del flusso hardware sui pin 15 e 13 (RTS0 e CTS0 rispettivamente). Questi due pin possono essere utilizzati anche in alternativa ai pin TX0 e RX0.

I2C
Il modulo D1 Mini non dispone di un hardware I2C o TWI (Two Wire Interface), ma è implementato nel software. Ciò significa che due qualsiasi pin digitali possono essere usati come pin I2C. Per impostazione predefinita, la libreria I2C utilizza GPIO4 come SDA e GPIO5 come SCL (il datasheet specifica GPIO2 come SDA e GPIO14 come SCL). La velocità massima del clock I2C è di circa 450 kHz.

SPI
Il modulo D1 Mini dispone di una connessione SPI a disposizione dell'utente, riferita come HSPI. Può essere utilizzato sia in modalità Slave che Master (nel software). Utilizza i seguenti pin:

GPIO14 come clock - CLK
GPIO12 come MISO
GPIO13 come MOSI
GPIO15 come Slave Select - SS

Alimentazione

Mediante il collegamento con un computer, dal connettore microUSB viene prelevata l'alimentazione a 5V; un regolatore di tensione interno (tipo RT9013) si occupa di ottenere l'alimentazione a 3,3V per alimentare il modulo ESP-12F e renderla disponibile sul pin 3V3 della scheda.

Il radiocomando

Il radiocomando proposto in questo progetto per il controllo delle lampade è costituito dal mini trasmettitore TX118S-4 (il telecomando) prodotto dalla QIACHIP, e dal ricevitore MX-05V operanti alla frequenza di 433 MHz. Questo radiocomando è un semplice sistema di controllo wireless di switch, ed è impiegato in questo progetto per l’accensione/spegnimento di lampade. La Figura 3 riporta i due moduli del radiocomando.

Figura 3: Moduli TX e RX del radiocomando

Lo switch intelligente wireless

Lo switch telecomandato wireless è un nuovo tipo di interruttore intelligente che utilizza la tecnologia RFID (Radio Frequency Identification) per controllare con un telecomando wireless oggetti della casa come elettrodomestici, lampade, porte, tende, serrande e altro ancora. Questo sistema di controllo wireless può essere impiegato anche in uffici, centri commerciali, hotel, ospedali, magazzini e in altri luoghi. Uno dei vantaggi dell’impiego dello switch intelligente wireless è che questo tipo di tecnologia consente di ridurre i costi d’installazione di un interruttore. L'installazione di interruttori tradizionali richiede il taglio delle pareti e la posa dei cavi di collegamento prima che possano essere operativi, mentre gli interruttori intelligenti non devono necessariamente essere incassati nelle pareti e non necessitano di cablaggio, quindi possono essere posizionati in qualsiasi posto.

Il trasmettitore TX118S-4

Il mini trasmettitore TX118S-4 è un modulo trasmittente alla frequenza di 433 MHz a 4 canali. Il modulo utilizza un chip integrato costituito da un amplificatore a basso rumore, mixer, filtro, sintetizzatore di frequenza, encoder EV1527 e altri circuiti. La trasmissione del segnale RF è in modulazione ASK con potenza di trasmissione massima di +11dBm e velocità di trasmissione dati di 10Kbps. In Figura 4 viene mostrato il modulo mini trasmettitore TX118S-4 con le dimensioni in pollici e, a destra in basso, la numerazione dei pin e il pin dell’antenna. [...]

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