MAIA

Progetto per la costruzione di un prototipo di un sistema elettronico digitale di controllo con misurazione di peso e temperatura. Utilizzato per il monitoraggio e telecontrollo di arnie

Architettura tecnologica del sistema:

L'architettura tecnologica prevede lo sviluppo di un sistema complessivo con paradigma client-server e logica "distribuita" tra periferia e server centrale. I nodi periferici saranno dei microcontrollori ESP32 che dialogheranno con un server centrale (in cloud) attraverso un brocker scambiando messaggi secondo un pattern architetturale di tipo publish/subscribe (nello specifico i nodi periferici esp32 pubblicheranno messaggi che saranno gestiti dal brocker centrale). Per lo scambio dei dati si userà il protocollo MQTT (MQ Telemetry Transport). Ecco gli appunti sui diversi scenari.
Le informazioni sintetiche che riporteranno le misurazioni dei sensori provenienti dai nodi periferici potranno essere lette da semplici client di tipo browser web.
Verranno utilizzate solo tecnologie open-source e cibo vegano durante lo sviluppo :-) .

NODI PERIFERICI

Un nodo periferico è costituito essenzialemente da una scheda elettronica con microcontrollore (ESP32) e una serie di sensori ad essa collegata. Per i nodi periferici diamo molta rilevanza al consumo minimo di energia elettrica dei componenti costitutivi. La programmazione sowtware di questi microcontrollori verrà eseguita in Micropython.

Ingredienti:

Preparazione della scheda ESP32:

La preparazione dell'ambiente operativo della scheda ESP32 consiste nel caricare il sottosistema Micropython su di essa: viene utilizzato il tool ethtool (da installare sul proprio PC) e questa è la guida ufficiale. Altro tool utile da installare sul proprio pc per interragire con la scheda Esp32 è ampy.

Primi test sulla scheda ESP32:

Colleghiamo la scheda ESP32 al nostro Pc con un cavo usb-microusb e attiviamo l'interprete interattivo "Micropython" eseguendo un comando da terminale tipo "miniterm /dev/ttyUSB0 115200 --raw" oppure "miniterm.py /dev/ttyUSB0 115200 --raw". Il parametro '/dev/ttyUSB0' indica la porta seriale (serial over usb) assegnata dal PC alla scheda. Eseguendo il codice seguente, colleghiamo la scheda alla nostra rete wifi:

import network
n = network.WLAN(network.STA_IF)
n.active(True)
n.scan()
n.connect("ssid","password")
# inserire il nome della propria rete wifi e la relativa password
n.ifconfig()

SENSORI DI PESO

Collegamento delle 4 celle di carico:

Le 4 celle di carico devono essere collegate tra loro al fine di creare un ponte di Wheatstone. Sono celle di carico a tre fili:

Disponendo le 4 celle di carico in prossimità dei 4 vertici di un rettangolo, collegheremo le celle di carico in alto con i fili bianchi e faremo lo stesso tra quelle in basso. Le due celle a sinistra e a destra saranno collegate dal filo nero. I fili rossi saranno collegati all'amplificatore xh711. Questo lo schema di collegamento:

Filo Rosso della cella di carico	Hx711
Cella di carico in basso a destra	E+
Cella di carico in alto a sinistra	E-
Cella di carico in alto a destra	A-
Cella di carico in basso a sinistra	A+

Collegamento tra amplificatore hx711 e scheda elettronica:

Hx711	ESP32
GND	GND
DT	G02
SCK	G00
VCC	3.3

Installazione della libreria micropython-hx711:

Dopo aver collegato la scheda ESP32 a internet attraverso una connessione wifi, c'è bisogno di installare al suo interno la libreria per interfacciarsi all'amplificatore hx711. L'installazione è semplice e consiste in 2 righe di codice:

import upip
upip.install("micropython-hx711")

altra libreria "hx711" da prendere in considerazione è questa . Utile e da leggere anche questo post

Singola lettura di test di peso (senza calibrazione):

from machine import freq
freq(160000000) # 160Mhz purtroppo l'oscillatore dell'amplificatore è più lento :(
from hx711 import HX711
driver = HX711(d_out=2, pd_sck=0)
driver.channel=HX711.CHANNEL_A_64
driver.read()

Al fine di rilevare le misurazioni di peso in kg (o in altri sistemi di misurazione) basterà calibrare il sistema supponendo che la sensoristica relativa alla misurazione si comporti come un sistema lineare (y = ax+b). Un sistema lineare è rappresentato da un modello matematico semplice (equazione di una retta), per trovare l'equazione di una retta ci sono diversi metodi e ne riporto due:

metodo semplice: basta conoscere due suoi punti (e tra questi potrebbe esserci anche quello relativo a x=0) e applicare la formula relativa
metodo più accurato: applicare il metodo dei minimi quadrati

SENSORE TEMPERATURA INTERNA

Il sensore di temperatura e umidità utilizzato è il componente DHT22 su schedina elettronica a 3 Pin (in genere i 2 pin esterni sono di alimentazione, quello centrale è un pin "data out"). Questa tipologia di sensore integra sulla schedina la resistenza di pull-up tra pin "data-out" e VCC:

Collegamento del sensore di temperatura/umidità DHT22:

Il sensore si può collegare direttamente alla scheda microcontrollore ESP32 con i seguenti collegamenti:

DHT22	ESP32
MINUS(GND)	GND
OUT	G04
PLUS(VCC)	3.3

A livello software, per la misurazione viene utilizzato un protocollo 1-wire personalizzato. La libreria utilizzata per leggere i valori di temperatura e umidità è già presente (built-in) all'interno dell'interprete Micropython flashato sulla scheda. Il codice di esempio per una singola lettura è molto semplice:

import dht, machine
d = dht.DHT22(machine.Pin(4))
d.measure() # funzione da richiamare prima di ogni nuova misurazione
d.temperature()
d.humidity()

SENSORE TEMPERATURA ESTERNA

Il sensore utilizzato per misurare la temperatura esterna è il componente DB18B20 (water resistant ). Il sensore ha 3 fili (rosso Vcc,nero Ground, giallo Data Out).

Collegamento del sensore di temperatura DS18B20:

Il sensore utilizza il protocollo di comunicazione 1-wire (onewire) che permette di mettere in serie molteplici sensori dello stesso tipo utilizando un singolo cavo. Nei collegamenti va tenuto conto che bisogna aggiungere una resistenza di 4.7K pull-up tra il pin data (giallo) e il pin VCC(rosso).

DSB1820	ESP32
NERO(GND)	GND
GIALLO(DATA)	G015
ROSSO(VCC)	3.3

A livello software, la libreria utilizzata per leggere i valori di temperatura è già presente (built-in) all'interno dell'interprete Micropython flashato sulla scheda. Esempio di codice per testare il sensore ds18b20:

import time
import machine
import onewire

#colleghiamo il filo giallo del sensore al pin GPIO15 di esp32
dat = machine.Pin(15)
ds = onewire.DS18B20(onewire.OneWire(dat))

roms = ds.scan()
print('sensori:', roms)

# 10 letture
for i in range(10):
    print('temperatura:', end=' ')
    ds.convert_temp()
    time.sleep_ms(750)
    for rom in roms:
        print(ds.read_temp(rom), end=' ')
    print()

Links

Micropython
Micropython Firmware ESP32
Getting Started With Load Cells
Load Cell Amplifier Tutorial - Sparkfun
Definizione di risoluzione sensibilita accuratezza precisione
DHT22 e protocollo di trasmissione dati
DS18b20 e ESP32
https://randomnerdtutorials.com/esp8266-voltage-regulator-lipo-and-li-ion-batteries/

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