Un sistema Multisensoriale per la Smart Home – Parte 1

Questo articolo descrive un approccio all’utilizzo della tecnologia in modo pratico e significativo all'interno di un sistema di casa intelligente, che può essere implementato in contesti residenziali. Nel mondo moderno le persone si stanno rapidamente rivolgendo alla tecnologia come un modo rapido ed economico per migliorare la qualità della vita quotidiana. L’obiettivo principale è soddisfare le esigenze dell'utente finale utilizzando sensori ambientali a bassa potenza e a basso costo collegati in rete. Il sistema proposto nel progetto consiste nel rilevamento diretto dell'ambiente, raccolta e analisi dei dati con controllo da remoto mediante web server su smartphone e altri dispositivi connessi in rete. Il sistema Multisensore si compone di un gruppo di sensori, di un dispositivo di gestione basato sul microcontrollore WiFi ESP8266 integrato nel modulo D1 Mini NodeMCU, e di un’applicazione web server per il controllo dei sensori tramite un'interfaccia user-friendly per dispositivi mobili e PC.

Introduzione

Smart home in sé non significa smart perché la casa è costruita rispettando l'ambiente, come si utilizza lo spazio, o se si utilizza l'energia solare, ma ciò che la rende intelligente sono le tecnologie interattive che contiene. Una casa si definisce intelligente perché i suoi sistemi informatici possono monitorare molti aspetti della vita quotidiana. Il concetto di casa intelligente è un modo promettente ed economico per migliorare l'assistenza domiciliare per anziani e disabili in modo non invadente, consentendo una maggiore indipendenza, mantenendo una buona salute e prevenendo l'isolamento sociale. La casa intelligente è composta da elettrodomestici, sensori, attuatori, processori e analizzatori di dati. La domotica degli elettrodomestici può essere cablata o wireless. In questo semplice progetto dimostrativo (benché funzionante e applicabile) ci concentreremo su uno degli aspetti rilevanti che contribuisce alla realizzazione di un modello di casa intelligente, ossia il rilevamento di alcune delle condizioni ambientali residenziali: temperatura, illuminazione ed i movimenti di persone. Nel progetto proposto, descritto in due articoli, sarà previsto l’impiego di un relè per includere anche la fase di attuazione conseguente al rilevamento di un determinato valore dei sensori.

Descrizione del progetto

Per la realizzazione del sistema Multisensore sono necessari componenti hardware e software. L’hardware è costituito dalla scheda di sviluppo D1 Mini NodeMCU di AZ-Delivery, corrispondente alla versione 2.3 della versione originale di WeMos Electronics, basata sul microcontrollore WiFi ESP8266; un gruppo di sensori: sensore di temperatura DS18B20, fotoresistenza LDR, sensore di movimento all’infrarosso PIR HC-SR505; infine, un modulo relè a due canali. Il software prevede l’installazione sul PC dell’editor Arduino IDE, il firmware per l’applicazione Web Server, il driver del chip CH340G integrato nella scheda D1 Mini NodeMCU, per l’interfaccia seriale USB-UART. Nella Figura 1 e nella Figura 2 sono mostrati rispettivamente il layout e la disposizione e descrizione dei pin della scheda di sviluppo D1 Mini NodeMCU.

Figura 1: la scheda di sviluppo D1 Mini NodeMCU

 

Figura 2: pin della scheda di sviluppo D1 Mini NodeMCU

Nella Figura 3 sono mostrati i sensori e relè impiegati nel Multisensore: il sensore di movimento all’infrarosso HC-SR505, il sensore di temperatura DS18B20 (nel progetto abbiamo utilizzato la versione water proof) e il modulo a 2 relè di cui sarà utilizzato un solo relè in questo progetto. La numerazione e descrizione dei pin occorrerà tenerla presente nella fase di realizzazione del prototipo del Multisensore.

Figura 3: il layout e pin dei sensori HC-SR505 e DS18B20 e del modulo relè

La scheda di sviluppo D1 Mini NodeMCU

Data l’importanza delle funzioni di gestione dell’hardware e della rete WiFi svolte dalla scheda di sviluppo D1 Mini NodeMCU, si ritiene doverosa una dettagliata descrizione. Il modulo D1 Mini NodeMCU è una scheda di sviluppo basata sul chip ESP8266. 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 1-wire. Il range della tensione applicata all’ingresso analogico è compreso tra 0 V e 3,3 V. Il modulo utilizza una porta micro USB e il chip convertitore seriale USB-UART CH340G per la programmazione dell’ESP8266. Inoltre, la porta micro USB fornisce alimentazione al modulo. Il chip ESP8266 integrato nella scheda di sviluppo è un SoC (System on a Chip). E’ 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 web server e connettersi a dispositivi mobili e PC. Supporta i protocolli di rete Wi-Fi, TCP, UDP, HTTP, DNS, etc. Il modulo D1 Mini può essere programmato con Arduino, in C con ESP SDK, Lua interpreter e MicroPython. Di seguito sono elencate le specifiche tecniche dell’ESP8266:

» 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 and matching network

» Integrated PLL, regulators, and 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 < 10 uA, power down leakage current < 5 uA

» Wake up and transmit packets in < 2 ms

» Standby power consumption of < 1.0 mW (DTIM3)

» +20 dBm output power in 802.11b mode

» Operating temperature range: -40 °C ~ 125 °C

Le specifiche tecniche del modulo D1 Mini NodeMCU sono:

» Operating voltage: 3.3 VDC

» Main chip: ESP8266

» Clock speed: 80 MHz/160 MHz

» Flash memory: 4 Mb

» Digital I/O pins: 11

» Analog input pins: 1

» Analog input voltage range: from 0 V to 3.3 VDC

» Port: microUSB

» USB-Uart serial interface chip: CH340

» On-board LED: connected to GPIO2 pin

» Max. current per single digital I/O pin: 12 mA

» Dimensions: 25 x 35 x 6 mm [0.98 x 1.4 x 0.24 in]

NOTE: i pin del modulo D1 Mini non tollerano tensioni di 5 V, l’applicazione di tensioni superiori a 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. [...]

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