Progetto di un sistema di sicurezza IoT con il sensore PIR HC-SR501 – Parte 1

In questo articolo descriveremo la prima parte del progetto IoT di un sistema di sicurezza basato sul sensore di movimento PIR HC-SR501 e il modulo Wi-Fi ESP-01. Questo sistema di sicurezza è in grado di attivare un messaggio audio di segnalazione di intrusione mediante il modulo vocale ISD1820 e, nel contempo, di inviare un'e-mail quando il sistema rileva la presenza di una persona o di un animale. Inoltre, grazie all’impiego del modulo Wi-Fi ESP-01, il sistema di sicurezza può essere attivato/disattivato da remoto via internet da qualsiasi parte del mondo. Con il modulo vocale ISD1820 è possibile registrare una traccia audio di 10 secondi che viene riprodotta su comando del sensore PIR. L'e-mail di allarme intrusione viene inviata con data e ora dell’evento ad un predefinito indirizzo email.

DESCRIZIONE DEL PROGETTO

In Figura 1 è riportato lo schema elettrico del sistema di sicurezza IoT.

Figura 1: Schema elettrico del sistema di sicurezza IoT

Il circuito è alimentato da due regolatori di tensione, il regolatore LM1084-3V3 da 3,3 V che alimenta l’ESP8266 e il transistor Q2, e il regolatore 7805 da 5 V che alimenta il sensore PIR HC-SR501 e il modulo vocale ISD1820. Entrambi i regolatori sono alimentati tramite un adattatore da 12 V in corrente continua o da una batteria da 9 V essendo molto basso il consumo di energia di questo circuito. Il sensore PIR e il modulo vocale si attivano mediante un livello alto applicato dal pin GPIO2 dell’ESP-01, attraverso il resistore R1 da 1k di limitazione della corrente, alla base del transistor Q1 BC547 che, andando in conduzione, porta a massa i pin GND dei due moduli chiudendo così il circuito di alimentazione per entrambi.

L’impiego del transistor Q1 è stato necessario in quanto la corrente erogabile dal pin GPIO2 è insufficiente per alimentare i due moduli. Il pin GPIO0 viene utilizzato per programmare l’ESP8266 e come ingresso digitale del segnale proveniente dal pin OUT del sensore PIR tramite il transistor Q2 BC547 e il resistore R2 da 1k. Quando il pin GPIO va a livello alto, una funzione del software attiva l’invio di un'e-mail per segnalare l'avvenuta intrusione. Inoltre, in generale, i pin GPIO dell’ESP8266 non devono essere caricati (non assorbire/erogare eccessiva corrente) durante l’accensione, altrimenti il modulo ESP avvierà un ciclo di reset continuo. Per evitare ciò, sono stati previsti due interruttori per scollegare i pin GPIO temporaneamente durante l'accensione. Riguardo gli switch SW1, SW2 e SW3, lo switch SW3 sarà utilizzato nella fase di programmazione dell’ESP8266 che tratteremo nella seconda parte del progetto in un successivo articolo in cui spiegheremo la funzione anche degli altri due switch SW1 e SW2.

I componenti principali del progetto

I componenti fondamentali del progetto sono tre: il modulo Wi-Fi ESP-01 che integra il chip ESP8266, il sensore PIR HC-SR501 e il modulo vocale ISD1820.

Il modulo ESP-01

Il modulo ESP-01 è un modulo Wi-Fi molto potente utilizzato principalmente nei progetti IoT. In Figura 2 è riportato il layout e in Figura 3 la piedinatura dell’ESP-01.

Figura 2: Layout del modulo ESP-01

 

Figura 3: Disposizione dei pin dell’ESP-01

Il modulo ESP-01 ha al suo interno il microcontrollore ESP8266 sviluppato da Espressif Systems, un'azienda con sede a Shanghai. Questo microcontrollore ha la capacità di eseguire attività connesse al Wi-Fi, quindi è ampiamente utilizzato come dispositivo Wi-Fi programmabile. Sono disponibili varie versioni di moduli ESP che integrano l’ESP8266, dall’ESP-01 all’ESP-12. Quello che utilizzeremo nel nostro progetto è l’ESP-01 poiché è il più economico e facilmente disponibile. Tuttavia, tutti i moduli ESP hanno un solo tipo di processore ESP, ciò che differisce è solo il tipo di breakout board utilizzata. La breakout board di ESP-01 ha solo 2 pin GPIO (General Purpose Input Output), GPIO0 e GPIO2, mentre in altre schede è disponibile un numero maggiore di GPIO.

Di seguito elenchiamo le specifiche tecniche generali dell’ESP8266:

  • Tensione di alimentazione - 3,3 V
  • Consumo di corrente - 10uA-170mA
  • Consumo di corrente massimo durante la programmazione - 800mA
  • Memoria flash - 512 k-16 MB
  • Processore - Tensilica L106 32 bit
  • Velocità del processore - 80-160 MHz
  • RAM - 32k-80k
  • Numero di GPIO - 17 (ma la maggior parte sono multiplexate)
  • Convertitore analogico-digitale - 1 (10 bit)
  • Numero massimo di connessioni TCP - 5

Il sensore di movimento PIR HC-SR501

Il sensore PIR (Passive InfraRed) è un sensore di movimento a basso costo in grado di rilevare la presenza di esseri umani o animali mediante il rilevamento della loro temperatura corporea. Ci sono due materiali importanti presenti nel sensore PIR: il cristallo piroelettrico che può rilevare le fonti di calore da un organismo vivente (esseri umani/animali) e la lente di Fresnel che serve ad incrementare il raggio di ricezione del sensore. Il modulo HC-SR501 dispone di due trimmer, uno per regolare la sensibilità, ovvero la distanza di rilevamento, l’altro per regolare il tempo di intervento (ritardo del segnale di uscita). Ruotando in senso orario il trimmer della sensibilità si ottiene un’alta sensibilità corrispondente alla massima distanza di rilevamento di 7 metri, mentre in senso antiorario si ha la minima sensibilità, ovvero una distanza di rilevamento di 3 metri. Ruotando in senso orario il trimmer del timing si ottiene un ritardo del segnale in uscita di 300 secondi, mentre in senso antiorario il ritardo è di 3 secondi. Il segnale di uscita è un livello logico di 3,3 V (HIGH) o di 0 V (LOW). In Figura 4 viene illustrato il layout del modulo HC-SR501.

Figura 4: Layout del modulo HC-SR501

Notate in alto i due trimmer di regolazione del timing e della sensibilità, in basso il connettore con i tre pin di alimentazione, uscita dati e massa. In Figura 5 sono mostrati i due elementi del sensore PIR, il sensore piroelettrico e la lente Fresnel.

Figura 5: Sensore Piroelettrico e la lente Fresnel dell’HC-SR501

Di seguito le principali caratteristiche del modulo:

  • Tensione di alimentazione: da 4,5 Vdc a 20 Vdc
  • Tensione di uscita: LOW=0 V, HIGH=3,3 V
  • Corrente di uscita: 10 mA
  • Angolo di rilevamento: <140°
  • Distanza di rilevamento: da 3 a 7 mt (regolabile)
  • Tempo d’intervento: da 3 a 300 secondi (regolabile)

Il modulo vocale ISD1820

Il modulo vocale ISD1820 è un interessante dispositivo che può essere impiegato in molti progetti come elemento di messaggistica vocale. Questo modulo è in grado di registrare una clip audio per 10 secondi e di riprodurla quando richiesto. Il modulo viene fornito includendo un microfono e un piccolo altoparlante con impedenza di 8 Ohm ed una potenza di uscita fino a 0,5 Watt. La Figura 6 riporta il modulo ISD1820.

Figura 6: Il modulo ISD1820

Sul lato sinistro del modulo è riportato il connettore con l’indicazione dei pin. Sul lato destro è visibile il connettore per il collegamento dell’altoparlante. In basso, i tre pulsanti di cui più avanti ne descriveremo le funzionalità.

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