Progetto di un sistema di monitoraggio e controllo remoto di carichi elettrici basato sul modulo IoT ESP32 LoRa

Nell'era dell'Industria 4.0, il monitoraggio e il controllo di apparecchiature elettriche domestiche e industriali da lunghe distanze con dispositivi a basso consumo energetico resta un’ardua sfida. Questo articolo descrive il progetto di un sistema di automazione che utilizza la tecnologia di comunicazione a lungo raggio LoRa. Il sistema a basso consumo energetico basato su moduli LoRa specializzati nella trasmissione e ricezione dati wireless a lungo raggio alimentati a batteria, è in grado di operare a distanze fino a 12 km. Il sistema stabilisce una connessione tramite protocollo LoRa, senza la necessità di utilizzare la rete Wi-Fi, tra una unità trasmittente e una unità ricevente basate sulla scheda di sviluppo “TTGO ESP32 LoRa32 PAXCOUNTER OLED”, che per brevità chiameremo TTGO LoRa32.

Introduzione

Le persone nel mondo degli affari e dell’industria utilizzano strumenti e tecnologie moderni per monitorare e controllare le loro attività quotidiane. Nei prossimi anni, quasi tutte le aziende si rivolgeranno all'automazione per costruire una città intelligente, un ufficio intelligente, una casa intelligente, un'industria intelligente e così via. Tuttavia, la limitazione principale dei sistemi esistenti è l'elevato consumo di energia della batteria che alimenta i dispositivi IoT elettronici. Pertanto, alcune sfide chiave dell'Industria 4.0 sono la riduzione del consumo di energia e l'aumento della distanza di comunicazione dei sistemi intelligenti. Il crescente mercato dei sistemi di automazione basati su LoRa è dovuto a vari fattori: industrie che devono controllare le operazioni di elaborazione da remoto, miliardi di smartphone nel mondo utilizzati per controllare i dispositivi da remoto, persone interessate a monitorare e controllare i propri elettrodomestici con un basso costo e con poca energia, con precisione e da luoghi distanti dall’abitazione. Il sistema di automazione basato su LoRa offre una soluzione conveniente e semplice a queste richieste del mercato globale. I dispositivi basati su LoRa, come il modulo TTGO LoRa32, adottano una tecnica di modulazione che consente la trasmissione dati wireless a lungo raggio ma a bassa velocità, che può andare da 300 a 19.200 bps, ad una potenza di trasmissione da +5 a +20 dBm fino ad una distanza massima di 12 km nello spazio aperto senza ostacoli. Al contrario, le tecnologie a corto raggio ampiamente diffuse come Bluetooth, Wi-Fi e ZigBee, non sono le più adatte in applicazioni che necessitano di coprire un'ampia area consumando poca energia utilizzando una connettività wireless poco costosa, capacità che invece possiedono i dispositivi LoRa.

Un sistema di automazione basato su LoRa è in grado di controllare apparecchi elettrici come luci, ventilatori, TV, climatizzatori, automobili e così via. Il sistema di automazione presentato in questo articolo è gestito da due moduli TTGO LoRa32 che comunicano con protocollo di comunicazione LoRaWAN sfruttando lo spettro di radiofrequenze senza licenza nella banda industriale, scientifica e medica (ISM), superando la sfida della comunicazione a bassa energia ed a lungo raggio operativo. Inoltre, LoRaWAN può gestire le perdite di dati quando i diversi nodi della rete LoRa vengono aumentati o diminuiti.

Descrizione del progetto

Il progetto, come accennato nell’anteprima, è costituito da due unità: l’unità trasmittente e l’unità ricevente. L’unità trasmittente è il sistema che interconnette tramite rete wireless LoRaWAN gli utenti all’unità ricevente. E’ costituita da un modulo TTGO LoRa32 alimentato a batteria impiegato come trasmettitore per la trasmissione di messaggi verso il ricevitore. L’unità trasmittente include due pulsanti utilizzati per l’accensione o lo spegnimento del rispettivo carico elettrico. Il trasmettitore può controllare fino a due utenze elettriche mediante l’invio di messaggi testuali di comando all’unità ricevente.

L’unità ricevente è costituita da un modulo ricevitore TTGO LoRa32 collegato ad un modulo relè a due canali di cui ogni canale controlla l’accensione o lo spegnimento della rispettiva utenza elettrica su comando inviato dal trasmettitore. Il ricevitore può gestire, tramite due canali di un modulo relè, due apparecchiature elettriche che si desidera monitorare e controllare da remoto. Lo schema di principio semplificato del sistema di monitoraggio e controllo remoto delle utenze elettriche è illustrato nella Figura 1.

Figura 1: Schema di principio del sistema di monitoraggio e controllo remoto delle utenze elettriche

Il modulo TTGO LoRa32 trasmettitore svolge la funzione di trasmettere messaggi gestiti dagli utenti. In sostanza, l’utente che si interfaccia all’unità trasmittente seleziona l’utenza da controllare cliccando sul corrispondente pulsante, ma può anche controllare due utenze elettriche cliccando su tutti e due i pulsanti. Dopo aver selezionato il relè corrispondente da controllare, il trasmettitore invia un messaggio di comando di accensione o spegnimento all’unità ricevente. L’unità ricevente esegue il comando ricevuto attivando o disattivando il relè interessato e, contemporaneamente, invia al trasmettitore il messaggio contenente lo stato del relè, a conferma del comando eseguito.

Lo stato di uno o dei due carichi elettrici (acceso o spento) viene visualizzato sul display OLED della scheda di sviluppo TTGO LoRa 32 del trasmettitore e del ricevitore, incluso il valore in dBm della potenza del segnale ricevuto. In questo modo, si ottiene anche il monitoraggio in tempo reale dello stato dei carichi elettrici. Quindi, utilizzando i pulsanti presenti sull’unità trasmittente, gli utenti possono controllare da remoto, ad esempio, l'apertura e la chiusura elettrica di porte e finestre, l’accensione/spegnimento di elettrodomestici, luci, ventilatore, climatizzatore, ed altri sistemi elettrici ancora.

Principio di funzionamento dell’unità trasmittente

Il modulo TTGO LoRa32 dell’unità trasmittente ha il ruolo di interfaccia wireless a radio frequenza a lunga distanza con l’unità ricevente, insomma, l’unità trasmittente è una sorta di telecomando RF a lungo raggio di controllo senza utilizzare una rete Wi-Fi per connettersi al modulo ricevitore TTGO LoRa32. La scheda di sviluppo TTGO LoRa32 del trasmettitore utilizza il modulo transceiver LoRa integrato per le comunicazioni RF a lungo raggio con il ricevitore. Il modulo transceiver LoRa include un'antenna per ricevere e trasmettere dati alla frequenza portante di 868 MHz (selezionata via software), un processore per il controllo del flusso di dati, un modulo di crittografia-decrittografia e alcuni altri moduli. In Figura 2 viene riportato lo schema elettrico dell’unità trasmittente.

Figura 2: Schema elettrico dell’unità trasmittente

Il circuito dell’unità trasmittente mostrato in Figura 2 è molto semplice. I due pulsanti P1 e P2 sono collegati ai rispettivi pin I/O digitali D22 e D21 del microcontrollore TTGO LoRa32 (U1). Premendo il pulsante P1, il microcontrollore TTGO LoRa32 invia all’unità ricevente il messaggio contenente il comando di accensione/spegnimento del carico controllato dal Relè 1, mentre premendo P2 l’unità ricevente riceverà il messaggio con il comando di accensione/spegnimento del carico controllato dal Relè 2. L’accensione dei corrispondenti led LD1 e LD2 indica l’accensione del rispettivo carico elettrico, mentre, viceversa, il led spento indica che il carico elettrico è spento, o disattivato. Premendo il pulsante P2 si accenderà o si spegnerà il led LD1, indicando rispettivamente l’attivazione o la disattivazione del carico associato al relè RL1 dell’unità ricevente.

In modo analogo, premendo il pulsante P1 si accenderà o si spegnerà il led LD2 indicando rispettivamente l’attivazione o la disattivazione del carico associato al relè RL2 dell’unità ricevente. In pratica, l’utente, con questo speciale telecomando RF, può accendere o spegnere il carico collegato al Relè 1 e al Relè 2, anche da una distanza dall’unità ricevente di oltre 10 chilometri nello spazio libero, semplicemente premendo un pulsante. Il messaggio contenente lo stato dei carichi elettrici è inviato dall’unità ricevente all’unità trasmittente: dopo che l’unità ricevente ha ricevuto ed eseguito un messaggio di comando di attivazione/disattivazione di un carico elettrico dall’unità trasmittente, l’unità ricevente rinvia all’unità trasmittente un messaggio testuale di conferma contenente lo stato del carico elettrico; ricevuto il messaggio, sul display del modulo TTGO LoRa32 dell’unità trasmittente apparirà il messaggio dello stato del carico collegato al Relè 1 o al Relè 2. Il circuito include uno switch (SW1) collegato alla porta GPIO0 della scheda TTGO LoRa32 utilizzato per selezionare la modalità di programmazione della scheda. Il circuito dell’unità trasmittente è alimentato da una batteria LiPo da 3,7 V collegata con un cavetto al connettore JST a bordo della scheda TTGO LoRa32.

Principio di funzionamento dell’unità ricevente

Il modulo ricevitore TTGO LoRa32 riceve un messaggio di comando trasmesso dall’unità trasmittente. Nell'unità ricevente, gli ingressi di abilitazione (IN) dei relè RL1 e RL2 di controllo dei carichi sono collegati ad alcuni pin digitali del modulo ricevitore TTGO LoRa32. La Figura 3 mostra lo schema elettrico dell’unità ricevente.

Figura 3: Schema elettrico dell’unità ricevente

Il circuito dell’unità ricevente è costituito dal microcontrollore TTGO LoRa32 (U1), due relè (RL1 e RL2) un modulo convertitore AC-DC HI-LINK (U2) che converte la tensione alternata di rete 230 Vac in una tensione continua a +5 V, e da alcuni componenti passivi. Sinteticamente, il modulo TTGO LoRa32 riceve dall’unità ricevente un comando di controllo di uno o di due relè. Mediante le porte digitali D13 e D14 collegate rispettivamente agli ingressi IN di RL2 e RL1, i relè possono essere attivati o disattivati, quindi i rispettivi switch commutano per alimentare o disalimentare i carichi elettrici ad essi collegati rappresentati simbolicamente da lampade. All’accensione, i carichi elettrici sono disalimentati. Successivamente all’invio del comando ai relè, la scheda ricevitore TTGO LoRa32 invia all’unità trasmittente un messaggio di conferma contenente lo stato del/dei relè. Uno switch (SW1) è collegato alla porta GPIO0 della scheda TTGO LoRa32 per selezionare la modalità di programmazione del codice nella scheda. Il circuito è alimentato a +5 V tramite la sezione di alimentazione costituita dal modulo AC-DC HI-LINK e dai componenti passivi associati. Il circuito è alimentato anche da una batteria ricaricabile LiPo da 3,7 V che funge da alimentazione di riserva della scheda TTGO LoRa32 in caso di mancanza della 230 Vac, il che consente di mantenere in memoria lo stato dei relè in caso di interruzione temporanea della rete elettrica 230 Vac, quindi, al ritorno della 230 Vac i carichi tornerebbero allo stato precedente all’interruzione della 230 Vac.

Descrizione dell’hardware

Scheda di sviluppo TTGO LoRa32 OLED

Il progetto del sistema di monitoraggio e controllo remoto di utenze elettriche presentato in questo articolo si basa sull’impiego di due schede di sviluppo TTGO LoRa32 PAXCOUNTER OLED. La Figura 4 mostra il layout della scheda di sviluppo TTGO LoRa32 OLED a cui è collegata una batteria ricaricabile agli ioni di litio (LiPo).

Figura 4: Scheda di sviluppo TTGO LoRa32 OLED con batteria

TTGO LoRa32 è una scheda di sviluppo basata sul modulo LoRa ESP32 PICO-D4 con chip microcontrollore ESP32 e chip ricetrasmettitore LoRa32 integrati in questa scheda. Come segnale portante dei messaggi da trasmettere, il transceiver LoRa32 utilizza nel mondo le seguenti bande di frequenza senza licenza:

• 868 MHz per l'Europa
• 915 MHz per il Nord America
• 433 MHz per l'Asia

Se questo progetto funzionerà in Europa, nel codice si dovrà selezionare la banda di frequenze 868 MHz.

La scheda include un display OLED SSD1306, un connettore per schede SD, un connettore per la ricarica di una batteria Li-Po e un connettore SMA per il collegamento di un’antenna SMA esterna. L'OLED integrato nella scheda è da 0,96 pollici. Il display OLED non richiede retro-illuminazione. La scheda include anche il chip convertitore seriale UART- USB CP2104 utilizzato per il collegamento della scheda TTGO LoRa32 al computer. Le due schede trasmettitore e ricevitore possono essere configurate per comunicare su un canale diverso per evitare interferenze e per non inviare messaggi a sè stessi. La Figura 5 riporta la posizione e descrizione dei pin della scheda TTGO LoRa32.

Figura 5: Pin della scheda TTGO LoRa32

Relè

L’unità ricevente dispone di un modulo relè a due canali (in pratica sono due relè) utilizzati per commutare l’accensione o lo spegnimento di due apparecchiature elettriche. La Figura 6 mostra il relè che viene impiegato nel progetto. Questo modulo è provvisto di un led per ogni relè che indica lo stato dello switch, ovvero del carico elettrico a cui è collegato.

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