Tesina Maturità copia - guardianidellacosta.it · Sound Sensor Il sensore è composto da un...
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Docente Diego Nordio link video: https://youtu.be/QT2TYbYzdvU
Nicola Zennaro 5°A I.I.S. Cestari-Righi
Prefazione 3 ............................................................Stazione meteo 4 ....................................................Arduino 5 ..................................................................................
Arduino nella stazione meteo 5 ...........................................................................................
Sensori 6 ...................................................................................BMP280 7 ............................................................................................................................Sound Sensor 8 ....................................................................................................................DHT22 9 ..............................................................................................................................MQ135 10 .............................................................................................................................Anemometro 11 ....................................................................................................................ESP8266-01 12 .....................................................................................................................Protocolli di comunicazione 14 ...........................................................................................
Centrale meteo 19 ...................................................Raspberry Pi 20 ......................................................................
Raspberry pi nella centrale meteo 21 ..................................................................................Apache web server 22 ..........................................................................................................Sito web meteo 24 ................................................................................................................Sensori nella centrale meteo 25 ..........................................................................................ADS115 26 ............................................................................................................................MQ-07 27 .............................................................................................................................MQ-02 27 .............................................................................................................................SMPT per Raspberry 28 ......................................................................................................Case in 3D 29 .......................................................................................................................Misurazioni 31.....................................................................................................................
Nicola Zennaro !2 !
Prefazione Nel 2015 a Parigi è stato approvato l’accordo sul clima, 196 paesi hanno ratificato l’accor-do tra cui i maggiori inquinatori mondiali Cina, India e Stati Uniti. L’accordo prevede un’aumento massimo della temperatura media terrestre di 1,5°C nei prossimi anni e un controllo quinquennale del rispetto di questo accordo dai singoli paesi. Per rispettare tali accordi sarà importante per i singoli stati riuscire a sensibilizzare la popolazione, abituan-dola ad uno stile di vita più “verde”. Negli ultimi anni, studi hanno dimostrato che l’insor-gere di nuove malattie o l’aumento di persone colpite dalla stessa malattia è causato dai gas inquinanti presenti nelle nostre città. Il monitoraggio di questo problema, attraverso l’utilizzo delle stazione meteo e centrale meteo, renderebbe più consapevoli le singole per-sone, ma ad oggi questi strumenti non sono visti come una priorità. Per cercare di aiutare più persone a capire che cos’è il surriscaldamento globale e come in piccola parte vi pos-siamo partecipare, ho realizzato durante l’anno scolastico un prototipo economico rispetto a quelli venduti sul mercato di una stazione e centrale meteorologica che chiunque può acquistare. Con un budget auto-limitato di 100€ sono riuscito a realizzare una stazione meteo per la raccolta dati e una centrale per l’elaborazione e la visualizzazione di quest’ul-timi, il tutto ad un costo contenuto.
Nicola Zennaro !3 !
Stazione meteo La stazione meteo è una semplice centralina di controllo che può essere utilizzata per con-trollare l’esterno di una casa. Il sistema è totalmente impermeabile e per funzionare ri-chiede una batteria (ricaricabile) e una connessione di tipo WI-FI per caricare i dati nella rete. Svolge il compito di raccolta dati essendo completa della maggior parte dei sensori ambientali. è stata pensata e realizzata con la possibilità d’implementare nuovi sensori o aggiornare quelli già presenti, per poterla personalizzare a proprio piacimento.
Nicola Zennaro !4 !
Arduino Arduino è una piattaforma di sviluppo open-source basata su una semplice scheda I / O con un µC e un ambiente di sviluppo che implementa hardware e software facile da utiliz-zare. Arduino può essere usato per sviluppare oggetti interattivi indipendenti o può essere interfacciato a un PC per la sua programmazione tramite un normalissimo cavetto USB. Il microcontrollore sulla scheda è programmato utilizzando un linguaggio adatto anche ai principianti grazie all’ambiente di sviluppo integrato scritto in JAVA. Arduino è basato su un microcontrollore della famiglia AVR di Atmel, l’ATmega328 a 28 pin e 8 bit. Arduino dispone di 14 ingressi/uscite digitali (di cui 6 possono essere utilizzate come uscite PWM), 6 ingressi analogici, un oscillatore a 16 MHz, una connessione USB, un jack di alimenta-zione, un header ICSP, e un pulsante di reset. Esso contiene tutto il necessario per pro-grammare il microcontrollore, per iniziare è sufficiente connettersi a un computer con un cavo USB e a un alimentatore AC-DC o batteria. L'Arduino uno si differenzia da tutte le schede precedenti poichè non utilizza il convertitore USB-seriale.
Arduino nella stazione meteo Ho deciso d' impiegare Arduino nella stazione meteo, perché è molto più economico ri-spetto a raspberry pi e il progetto non richiedeva un’elevata potenza di calcolo. Nella sta-zione meteo Arduino ha il compito di leggere i dati forniti dai sensori, effettuare una pic-cola elaborazione, per convertire i valori letti nelle unità di misura che utilizzo, ed infine inviare i dati via web per la loro visualizzazione. Per diminuire l’ingombro dei sensori e dei loro connettori ho sviluppato uno shield, questo shield è un circuito stampato in cui sono presenti i collegamenti tra sensori e connettori per collegare quest’ultimi ad Arduino. Questo shield può essere modificato per aumentare il numero di alloggiamenti per nuovi sensori o modicare la disposizione, lo shield è progettato perché questi sia impilabile e quindi possano essere aggiunti altri shield per espanderne le funzionalità.
Nicola Zennaro !5 !
Arduino uno originale utilizzato nel progetto
Sensori Per la costruzione di una stazione meteo è importante la scelta corretta dei sensori e la loro collocazione. La maggior parte dei sensori che ho utilizzato si interfaccia con Arduino attraverso segnali analogici, la grandezza elettrica in uscita dal sensore varia nel tempo, Arduino mi permette d’avere una ADC con una discreta risoluzione di 10bit (1024 inter-valli di quantizzazione). Altri utilizzano comunicazioni seriali o standard I2C, comunica-zioni di tipo digitali che sono meno soggette ad interferenze. Nella stazione meteo sono stati utilizzai questi 6 sensori:
• BMP280: Sensore di pressione barometrica, che permette la rilevazione di pressione atmosferica e altitudine, al suo interno è presente un rilevatore di temperatura per cor-reggere eventuali errori di lettura;
• DHT22: Sensore per la misurazione di temperatura e umidità, versione aggiornata del DHT11 con la possibilità di misurare temperature sotto zero e una maggiore precisione nella lettura dell’umidità atmosferica;
• MQ-135: Sensore di qualità dell’aria, misura la quantità di anidride carbonica e monos-sido di carbonio presenti nell’aria;
• Sound Sensor: Sensore che rileva la rumorosità di un ambiente in decibel, viene richie-sta solamente una conversione tensione-decibel;
• Anemometro: Rileva la velocità del vento, fornisce un velocità in Km/h;
• ESP8266-01: Non è un vero sensore, viene utilizzato per far comunicare wireless Ardui-no con un router e in questo caso specifico per inviare i dati ad un server online;
Per interfacciare questi sensori ad Arduino, in molti casi sono ricorso all’utilizzo di libre-rie. L’utilizzo di librerie è servito sopratutto per interfacciare i sensori che non utilizzavano i pin analogici. L’utilizzo di librerie per leggere il valore da un sensore che non utilizza i pin analogici è utile, poiché basta inserire un comando per leggere quel determinato valo-re. I pin che utilizzano comunicazioni digitali e richiedono l’utilizzo di librerie, solitamen-te, sono sensori che permettono di misurare più grandezze fisiche con lo stesso sensore (DHT22 fornisce temperatura e umidità). Per poter leggere solo la grandezza fisica che ci interessa, si predilige l’utilizzo di tecnologie di comunicazione di tipo seriale, per avere un maggior controllo e ordine sui dati che vengono inviati lungo il bus. Per poterli leggere di conseguenza, si deve conoscere l’ordine con cui questi vengono inviati o utilizzare le libre-rie che permettono di leggere queste grandezze con dei semplici comandi.
Nicola Zennaro !6 !
BMP280 BMP280 è un barometro digitale sviluppato da Bosch Sensortec. Paragonandolo al BM-P180, versione precedente del BMP280, questo si dimostra più preciso e di dimensioni ridotte rispetto al precedente. Si può interfacciare ad Arduino attraverso lo standard I2C o SPI.
Caratteristiche: Libreria Adafruit_BMP280.h
• VCC: 3.3V ma al suo interno ha un regolatore che gli permette di essere alimentato a 5v, però è consigliato alimentarlo a 3.3V;
• b m e . b e g i n ( ) : p e r i n i z i a r e l a comunicazione;
• bme.readTemperature(): per leggere la temperatura;
• I2C: L’indirizzo del BMP280 nello standard è 0x76 e utilizza i pin SCK (SCL) e SDI (SDA);
• bme.readPressure(): per leggere la pressione;
• Range di pressione: 300-1100hPa; • bme.readAltitude(1013.25): per leggere la tua altitudine;
• Precisione: ±0.12 hPa;
• Range di temperatura: -40-+85 °C;
Nicola Zennaro !7 !
BMP280 utilizzato nel progetto (retro)
Chip BMP280
Sound Sensor Il sensore è composto da un microfono capacitivo, molto sensibile alle variazioni sonore. Il passaggio dell’onda sonora causa una vibrazione nella copertura del condensatore che in-duce nel condensatore una variazione di capacità, questo a sua volta causa una variazione di tensione. Poiché questa variazione è molto debole, il segnale necessità di essere amplifi-cato. L’amplificatore converte il segnale in uscita in un segnale analogico da 0 a 5V.
caratteristiche: • Vcc: l’alimentazione può essere di 3.3v o 5v, il segnale analogico massimo in uscita varia
in base alla tensione d’alimentazione;
• Mettendo una resistenza (nella scritta gain), possiamo regolare il guadagno e la sensibi-lità del sensore;
• Per ottenere in uscita un valore in decibel su Arduino dobbiamo convertire il valore che leggiamo in un valore in decibel con la formula " , dove valore è il nu-mero campionato;
20 ∙ log10 Valore
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Sensore di suono utilizzato
DHT22 Il sensore DHT22 è un evoluzione del suo predecessore DHT11, a differenza del predeces-sore il DHT22 è un sensore di tipo capacitivo, il che gli conferisce un’elevata precisione. Il sensore viene calibrato in laboratorio e la calibrazione viene salvata su di una memoria OTP(One Time Programmable). Per comunicare utilizza lo stesso lo stesso metodo del DHT11, un unico pin che comunica in modo seriale con un pin digitale di Arduino. Ardui-no invia un bit a livello logico alto, questo dice al DHT22 di uscire dallo stato di basso con-sumo e rilevale i dati. Il DHT22 invia un bit ad Arduino per avvertilo dell’imminente co-municazione dell’informazione, che è costituita da 40bit:
Il Check-sum è una verifica che fa poi Arduino, per controllare se l’informazione è stata trasmessa in modo corretto.
8 bit 8 bit 8 bit 8 bit 8 bit
Umidità relativa Parte Intera
Umidità relativa Parte decimale
TemperaturaParte interna
TemperaturaParte decimale
Check-sum
Caratteristiche: Libreria DHT.h
• VCC: Da 3.3 a 6V; • dht.begin(): inizio a comunicare;
• Umidità: 0-100%; • dht.readHumidity(): leggo l’umidità;
• Temperatura: -40 - 80°C;
• Precisone: H ±2%, T ±1°C;
• dht . readTemperature() : l eggo la temperatura in °C;
• dht.readTemperature(true): leggo la temperatura in Fahrenheit;
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DHT22, utilizzato nel progetto
MQ135 Il sensore di gas MQ135 è costituito da una piastra di SnO2, questa piastra varia la propria conducibilità in base ai gas che sono presenti nell'aria. La presenza di Ammoniaca, Benze-ne , fumi e altri gas nocivi aumenta la conducibilità di quest'ultima. Per il corretto utilizzo di questo sensore viene richiesto un tempo di riscaldamento (da 1 a 2 minuti). Questo tipo di gas non ci avverte della presenza di un determinato gas nell'aria, ma le concentrazioni di differenti gas, per questo l'MQ135 viene anche soprannominato sensore di qualità del-l'aria.
Caratteristiche: • Vcc: Richiede un alimentazione di 5V;
• Per poter effettuare una misurazione corretta, bisogna attendere che il sensore si scaldi, per questo prima di effettuare una lettura è consigliato attendere da 1 a 2 minuti, in base al tipo di sensore di gas utilizzato;
• Concentrazione di Gas: 10-300ppm NH3, 10-1000ppm Benzene, 10-300pp Alcool, con un semplice calcolo si può fornire una concentrazione in percentuali quanto sia pulita l’aria;
Nicola Zennaro !10 !
MQ135 utilizzato nel progetto
0,0
1,3
2,5
3,8
5,0
10 150 300 450 600 750 900 1050
Teorico Misurato
V
PPM
Anemometro Il funzionamento è basato su un interruttore magnetico “reed” che viene chiuso al passag-gio di un piccolo magnete montato sulla parte rotante dello strumento. Il sensore ha quin-di un cavo bipolare, che deve essere alimentato, per ottenere un impulso ogni volta che il magnete compie un giro. Conoscendo i parametri di geometria dello strumento, forniti dal costruttore, si può calcolare la velocità conoscendo il numero di impulsi ricevuti nell'unità di tempo scelta. L'uscita dell'anemometro va collegata ad un pin di tipo digitale, poiché il segnale che troviamo in uscita è un segnale TTL a 5V.
Caratteristiche: • Vcc: 5V per generare l'impulso;
• R10K Ω tra l'uscita dell'anemometro e il cavo che lo collega ad Arduino per eliminare eventuali interferenze che possono dare origine a false letture;
Nicola Zennaro !11 !
Anemometro che permette l’intreccia-mento con Arduino
ESP8266-01 ESP8266 è la sigla di un piccolo e sofisticato microcontrollore programmabile dalle carat-teristiche decisamente interessanti. È un circuito integrato SoC in grado d’esser pro-grammato per pilotare apparecchiature (Con controllo TTL) o come sistema WiFi per for-nire la connettività ad internet a schede prive di quest'ultima come ad esempio Arduino Uno. Esistono varie versioni di di questo microcontrollore, più o meno potenti e che di-spongono di più o meno pin digitali. La sigla è la stessa ESP8266-XX, dove al posto di XX si trova il numero identificativo del chip.
Arduino Uno ESP8266-01
Microcontrollore ATMEL ATMEGA328P Tensilica Xtensa LX1066
Indirizzamento 8 bit 32 bit
Frequenza di clock 16 MHz 80MHz
Memoria Flash 32 Kbyte esterna (<4MB)
Memoria Ram 2 Kbyte 96 Kbyte
Pin di I/0 18 (5 Volt) di cui 6 PWM 16 (3,3 Volt) tutti PWM
Ingressi Analogici 5 (10 Bit) 1 (10 bit), 1V max
Comunicazione 1x Uart; 1xI2c; 1xSPI 1,5x Uart; 1xI2C; 1xSPI
Nicola Zennaro !12 !
Vari tipi di ESP8266 presenti sul mercato
Nella Stazione Meteo ho utilizzato l'ESP8266-01, la versione più economica e meno poten-te tra le versioni disponibili, ho deciso di utilizzare questa versione poiché dovevo sola-mente fornire la connessione ad internet ad Arduino UNO.
ESP8266-01 utilizzato nel progetto
Per poter programmare ESP-01, si deve fornire un tensione di alimentazione non superio-re a 3.3V, se si supera si brucia il chip della scheda. Il pin RST lo si collega con una resi-stenza di pull-up da 10K Ω a Vcc, mettendolo a massa si resetta il chip. IL pin CHIP_EN abilità il funzionamento della scheda, e come per RST deve essere posto a Vcc attraverso una resistenza di pull-up da 10K Ω, mettendolo a massa si disabilita il chip. Le linee di comunicazione URXD e UTXD sono di tipo seriale, quindi per comunicare con lui viene richiesto un convertitore parallelo seriale. Poiché si utilizzano porte URXD e UTXD si può comunicare con quest'ultimo con segnali TTL (0-5V) o a 3.3V, questo è possibile grazie allo standard Uart adottato dalla scheda, questo permette di interfacciarlo direttamente con Arduino senza bisogno di schede esterne. Per programmare il chip si può utilizzare l'IDE di Arduino, installando la libreria ESP8266 che al suo interno ha i driver e tutti i tipi di schede ESP ufficiali conosciute.
All'interno della stazione meteo L'ESP8266 svolge il compito di stabilire una comunica-zione TCP/IP attraverso la rete internet con il sito web https://thingspeak.com/, che rac-coglie i dati inviati dalla stazione meteo. Fornisce alla stazione meteo la connettività wire-less e l'accesso alla rete internet per poter usufruire in modo rapido ai dati raccolti.
Nicola Zennaro !13 !
Protocolli di comunicazione All'interno della stazione meteo troviamo 2 tipi di comunicazioni differenti, I2C e la con-nettività wireless per l’accesso ad internet. Questi due tipi di bus utilizzano tecnologie di-verse per comunicare, il bus I2C utilizza una connessione cablata, mentre per connettermi ad internet utilizzo una connessione di tipo wireless.
Bus I2C Il bus I2C viene utilizzato in varie architetture di controllo, in questo caso lo utilizzo come Intelligent Platform Management Interface (IPMI). Il protocollo I2C é un protocollo di comunicazione seriale sincrono bidirezionale sebbene permetta di comunicare in una di-rezione per volta (half duplex).
Il bus I2C utilizza due sole linee: la linea dati (SDA) e la linea del clock (SCL), quindi ven-gono utilizzati solo due pin dei dispositivi interessati. Il collegamento di un dispositivo con un bus I2C richiede:
• Una connessione di riferimento, GND;
• Una linea di alimentazione Vdd (+5v o +3,3v);
• Due linee seriali di comunicazione: SDA (Serial DAta) per i dati e SCL (Serial CLock) per il clock;
Ogni dispositivo connesso al bus è indirizzabile via software da un unico indirizzo. Il bus utilizza per indirizzare i vari dispositivi slave (dall' inglese schiavo, dispositivo che invia e riceve i dati ma non può gestire la rete) 7 bit d'indirizzo e quindi può generare fino a 128 indirizzi diversi. Però 16 indirizzi sono riservati è solo 112 sono utilizzabili dai dispositivi collegati. Nelle ultime versioni si é esteso il numero di bit a 10 per aumentare il numero di dispositivi collegabili sullo stesso bus.
Il protocollo di comunicazione inizia con il il master (dispositivo che invia e riceve i dati e gestisce la rete, nel protocollo esiste un solo master gli altri dispositivi sono slave) che pone la condizione di START sul bus, che é definita da una transizione dal livello logico alto a quello basso (HIGH-LOW) della linea SDA, mentre la linea SCL é a livello logico alto (HIGH). In questa condizione il bus é considerato occupato finché il master non genera una condizione di STOP sul bus, che é definita da una transizione dal livello logico basso a quello alto (LOW-HIGH) sulla linea SDA, mentre la linea SCL é a livello logico alto (HIGH).
Nicola Zennaro !14 !Avvio e interruzione di una comunicazione I2C
Ogni dato è composto da una stringa di 1 byte, inviato sulla linea é seguito da un segnale di ACKNOLEDGE (ACK). Il clock per il segnale di di ACKNOLEDGE é generato dal master, mentre il ricevitore lo genera portando a livello logico basso la linea SDA.
Dopo che la comunicazione é iniziata con la condizione di START, il master invia i 7 bit dell'indirizzo dello slave seguito dal bit R/!W (determina se l'operazione é di lettura o di scrittura). A questo punto il master rilascia la linea SDA e attende il segnale di ACKNO-LEDGE dal dispositivo slave. La trasmissione dati é terminata sempre dal master gene-rando la condizione di STOP (HIGH-LOW) quando la linea SCL é alta. Tutti i dati della linea SDA, tranne START e STOP, devono essere trasferiti quando la linea SCL é bassa.
Il bus seriale può trasferire dati in modo bidirezionale con le seguenti velocità di trasmis-sione:
Nicola Zennaro !15 !
Impulso di ACKNOLEDGE I2C
Esempio completo di comunicazione I2C
• Modo standard: fino a 100 kbits/s;
• Modo veloce: fino a 400 kbits/s;
• Modo più veloce: fino a 1 Mbits/s;
• Modo ad alta velocità: fino a 3,4 Mbits/s;
• Modo ultra veloce: fino a 5Mbits/s;
Il micro circuito preserva l'integrità dei dati trasmessi usando dei filtri per sopprimere eventuali impulsi errati presenti sulla linea.
Per utilizzare il bus I2C viene richiesto l’utilizzo di una libreria, la libreria in questione è <Wire.h>, è già preinstallata nell’IDE di Arduino e viene inclusa in un programma ogni qualvolta si ha un dispositivo I2C collegato ad Arduino.
Nicola Zennaro !16 !
Wireless I supporti wireless trasmettono segnali elettromagnetici che rappresentano le cifre bina-rie, per comunicare utilizzano frequenze radio o microonde. I supporti wireless offrono la migliore opzione di mobilità tra tutti i supporti, con antenne sufficientemente potenti, si può comunicare anche a chilometri di distanza.
Wi-Fi è un marchio di Wi-Fi Alliance. Il Wi-Fi viene utilizzato con prodotti certificati ap-partenenti a dispositivi WLAN basati sugli standard IEEE 802.11. I più famosi standard sono:
• Wi-Fi 802.11: è lo standard che utilizzano le reti WLAN. Gli utenti WLAN usano conte-nuti basati su protocolli conosciuti come Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoi-dance (CSMA/CA). Quando una NIC deve comunicare via Wireless deve essere in grado di capire quando può comunicare o meno;
Un'implementazione di dispositivi wireless comuni, consente ai dispositivi di connettersi in modalità wireless tramite una LAN. In generale, una LAN wireless richiede i seguenti dispositivi di rete:
• Wireless Access Point (AP): concentra i segnali wireless dagli utenti e si connette all'in-frastruttura di rete basata su rame esistente, come Ethernet. I router wireless domestici e di piccole imprese integrano le funzioni di un router, switch e access point in un unico dispositivo.
• Adattatori NIC wireless: forniscono funzionalità di comunicazione wireless a ciascun host di rete.
• AP client: il dispositivo funge da client wireless (come una scheda di rete);
L’ESP8266 viene utilizzato come come AP client, fornisce una scheda di rete al nostro Ar-duino, che si connette wireless al router scelto. Per configurarlo, utilizziamo i comandi AT. I comandi AT sono dei comandi preceduti dalla sigla AT, questi commandi vengono utiliz-zati quando si vuole far svolgere al ESP8266 dei determinati compiti. Per fornire questi comandi viene richiesta un interfaccia seriale, con la libreria SoftwareSerial.h possiamo definire due pin digitali ed utilizzarli nella comunicazione seriale. Con Arduino possiamo inviare i comandi AT e l’ESP ci risponderà alla richiesta. Lascio i comandi utilizzati nel co-dice e la spiegazione:
• AT: serve per verificare se il dispositivo comunica, se comunica risponde con un OK;
• AT+CWMODE: setta il tipo di connessione Wi-Fi:
1. Station mode;
2. SoftAP mode;
3. SoftAP+Station mode;
Nicola Zennaro !17 !
• AT+CWJAP: si connette ad un AP, AT+CWJAP=<ssid>,<pws>;
• A T + C I P S T A R T : s t a b i l i s c e u n a c o n n e s s i o n e ( T C P , U D P o S S L ) , AT*CIPSTART=<type>,<remote ip>, <remote port>;
• AT+CIPSEND: invia i dati attraverso la connessione che ha stabilito, prima invia il nu-mero di bit che deve inviare, poi invia la stringa;
Esempi di risposta di un ESP8266 ai comandi AT
Nicola Zennaro !18 !
Centrale meteo La centrale meteo è una centralina di controllo che può essere esclusivamente posizionata in ambienti chiusi o protetti dalle intemperie e deve essere connessa alla rete locale (via cavo o wireless) per poter usufruire delle sue funzionalità. Ho realizzato una mini stazione meteo e realizzato un server per memorizzare le letture di questa e un sito web per visua-lizzarle da computer e telefono.
Nicola Zennaro !19 !
Raspberry Pi Il Raspberry Pi è un single-board computer (un calcolatore implementato su una sola scheda elettronica) sviluppato nel Regno Unito dalla Raspberry Pi Foundation. Il suo lan-cio al pubblico è avvenuto il 29 febbraio 2012. Finora, ne sono state prodotte otto versioni (Modelli: A, B, A+, B+, 2, Zero, 3, Zero W). L'idea di base è la realizzazione di un dispositi-vo economico, concepito per stimolare l'insegnamento di base dell'informatica e della pro-grammazione nelle scuole.
La scheda è dotate di un processore ARM che viene tipicamente adottata sugli smartpho-ne, tablet e diversi dispositivi elettronici. Il Raspberry Pi non possiede un hard disk come i computer tradizionali, ma utilizza una scheda SD su cui è contenuto il sistema operativo. La memoria totale disponibile è di 256MB che se paragonati ai recenti computer possono sembrare molto pochi, ma anche con questa poca memoria la scheda è in grado di fornire ottime prestazioni. Il tutto è stato progettato in modo che il sistema operativo sia ottimiz-zato, sprecando una minor quantità di risorse. L’uscita video può essere direttamente col-legata su un televisore con ingresso HDMI. Attualmente sul mercato esistono varie ver-sioni di Raspberry, ognuna di questa si distingue dall’altra per le proprie caratteristiche dimensionali che dalle proprie caratteristiche hardware. Attualmente i due modelli di punta di Raspberry sono il Raspberry pi 3 model B+ ed il Raspberry pi zero w. La centrale meteo è pensata per funzionare sia su Raspberry pi 3 e pi zero (per renderla più economi-ca).
Nicola Zennaro !20 !
Sopra il Raspberry pi mo-del B e sotto il Raspberry pi zero W.
Raspberry pi nella centrale meteo Ho deciso di utilizzare Raspberry nella centrale meteo, perché offre una potenza superiore rispetto ad Arduino, che permette di elaborare e mostrare a video i risultati raccolti dalla stazione meteo. Ho deciso di integrare nella centrale meteo dei sensori aggiuntivi, per la raccolta di alcune informazioni su qualità dell’aria e temperatura. La centrale meteo funge da server per il sito web che rende disponibile in locale la visualizzazione dei dati. I dati inviati dalla stazione meteo e dalla centrale meteo sono inviati ad un sito web, www.thing-speak.com, che raccoglie i dati e li elabora per poterli visualizzare sul sito web. I sensori che ho utilizzato sono dei sensori di gas di tipo analogico, Raspberry pi non ha un ADC in-terno, per cui ho utilizzato un ADC esterno a 16bit, che si interfaccia con Raspberry attra-verso il bus I2C. Ho utilizzato un DHT11 per la raccolta di temperatura e umidità, poiché la centrale meteo non è pensata per stare all’esterno ma deve rimanere in luogo chiuso pro-tetta dagli agenti esterni.
Il General Purpose Input/Output (anche noto come GPIO) è un'interfaccia disponibile su alcuni dispositivi elettronici. Un dispositivo a microprocessore può avere una o più con-nessioni GPIO su un'interfaccia con dispositivi e periferiche esterne. Queste possono agire come input, per leggere i segnali digitali dalle altre parti del circuito, o output, per control-lare o segnalare altri dispositivi. I pin GPIO forniscono in uscita un tensione massima di 3.3V e ricevono una tensione massima di 3.3V, se si fornisce una tensione maggiore si può danneggiare il pin.
Nicola Zennaro !21 !
Pin GPIO di Ra-spberry pi mo-del B
Pin GPIO di Rasp-berry pi zero W
Apache web server Uno degli utilizzi che ha reso famoso Raspberry è la possibilità di funzionare come un pic-colo web server a basso costo. Apache HTTP Server, o più comunemente Apache , è il nome di un server web libero sviluppato dalla Apache Software Foundation. È la piatta-forma server Web modulare più diffusa, in grado di operare su una grande varietà di si-stemi operativi, tra cui UNIX/Linux. Apache è un software che realizza le funzioni di tra-sporto delle informazioni, di internetwork e di collegamento, ed ha il vantaggio di offrire funzioni di controllo per la sicurezza come quelle effettuate da proxy. L’architettura di apache permette di creare pagine dinamiche (php5) e la possibilità di gestire database (mysql) questo lo rende in grado di poter gestire ed elaborare grandi quantità di dati in ingresso e uscita. Per installarlo sul nostro Raspberry inseriamo la stringa seguente nel terminale:
sudo apt-get install apache2 -y
Con questo comando andiamo ad installare l’ultima versione di apache. Per verificare il corretto funzionamento scriviamo questo comando nel terminale:
hostname -I
Questo comando serve per vedere l'ip address di Raspberry. Vedremo nella stringa se-guente del terminale l'ip address di Raspberry, scriviamo nella barra di navigazione l'indi-rizzo ip del Raspberry e dovremo visualizzare questa pagina web standard:
Nicola Zennaro !22 !
Se visualizziamo questa pagina significa che l'installazione è avvenuta in modo corretto. Il file si trova nella directory /var/www/html/, dove al suo interno troviamo il file index.-html che è la mostra pagina web. Scrivendo questo comando da terminale si raggiunge la directory e si possono modificare i file al suo interno solo se si esegue il comando ammini-stratore, mettendo sudo prima del comando:
cd /var/ww/html
Con i comandi seguenti possiamo modificare il file index.html e costruire la nostra pagina web:
sudo leafpad index.html
or
sudo nano index.html
Con questi comandi siamo in grado di modificare il codice html. Possono essere eseguiti tutti e due, ma il primo (leafpad) può essere eseguito solo da chi ha installato il sistema operativo con interfaccia grafica, infatti verrà visualizzato un piccolo editor per scrivere il codice. Il secondo può essere eseguito da entrambi ma viene utilizzato per chi ha il sistema operativo solo a riga di comando e la modifica del codice avviene attraverso il prompt dei comandi. Se volessimo rimuovere il precedente file basterà scrivere:
sudo rm index.html
così facendo rimuoviamo il file all’interno della directory, rieseguendo il comando di mo-difica possiamo creare un nuovo file e scrivere liberamente:
sudo leafpad nomefile.html
Se abbiamo già creato la pagina web e dobbiamo solamente metterla online, copiamo il file sulla cartella html di Apache:
sudo cp percorsofile/nomefile.html /var/ww/html
Nicola Zennaro !23 !
Sito web meteo Utilizzando apache e Raspberry pi ho realizzato un sito web, su cui si possono visualizzare i dati della stazione meteo e della centrale meteo. Il sito web è stato ottimizzato in modo tale che questo sia accessibile anche da dispositivi mobili o da tablet.
Il sito web è suddiviso in 4 sezioni, ciascuna con un compito specifico.
1. Home: nella home troviamo una previsione del meteo nelle successive ore, questa pre-visione viene fatta da un servizio esterno (www.meteo.it), che ci geolocalizza e ci forni-sce il meteo nella zona in cui ci troviamo;
2. Esterno: In questa sezione sono visualizzati, attraverso grafici, i dati raccolti dalla sta-zione meteo. Cliccando sopra uno di questi dati si viene reindirizzati alla pagina thing-speak della stazione meteo (https://thingspeak.com/channels/438207) dove è possibi-le scaricare i dati in formato csv se si vuole elaborarli in modo avanzato;
3. Interno: In questa sezione sono visualizzati, attraverso grafici, i dati raccolti dalla cen-trale meteo. Cliccando sopra uno di questi dati si viene reindirizzati alla pagina thing-speak della centrale meteo (https://thingspeak.com/channels/438205) dove è possibi-le scaricare i dati in formato csv se si vuole elaborarli in modo avanzato;
4. Clima: In questa sezione sono raccolte delle semplici informazioni riguardanti i cam-biamenti climatici e dei consigli per essere più rispettosi dell'ambiente;
Nicola Zennaro !24 !
Sito web stazione meteo
Sensori nella centrale meteo Come dicevo in precedenza, nella centrale meteo ho voluto aggiungere dei sensori per rac-cogliere informazioni su livelli di gas nocivi nell’aria e sulla temperatura, umidità. Per rac-cogliere le informazioni su temperatura e umidità ho utilizzato un semplice DHT11, volen-do è possibile installe un DHT22, ho preso questa decisione perché essendo al chiuso la temperatura non è mai negativa e l’umidità non raggiunge mai valori superiori al 90%. Per interfacciare i sensori di gas è stato un problema, poiché sono sensori di tipo analogico e Raspberry non ha ADC interni, per cui ho installato un ADC esterno a 16bit per la lettura dei dati.
DHT11 Il DHT11 non differisce per modo di comunicare dal il DHT22, differisce molto in fatto di caratteristiche tecniche:
Caratteristiche Libreria Adafruit_DHT (Python)
• Vcc: da 5V a 3.3V;
• Umidità: da 20-90%,;
• Temperature: da 0 a 50°C;
• Precisone: H ±5%, T ±2°C;
• h u m i d i t y , t e m p e r a t u r e = Adafruit_DHT.read_retry(sensor, pin): leggo l’umidità e la temperatura dal DHT11 (chiamato sensor) collegato al pin (n.pin);
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ADS115 L’ADS115 è un ADC esterno a 16 bit. Può essere utilizzato anche in Arduino se l’applica-zione richiede maggiore risoluzione, infatti questo ADC ha una risoluzione di 65536 quan-ti, molto più preciso dei 1024 che fornisce Arduino. L’ADC si interfaccia con Raspberry attraverso lo standard I2C e attraverso l’utilizzo di una libreria in python lo si può utilizza-re. L’ADC ha 4 ingressi analogici, attraverso il codice si può gestire il guadagno, in modo da amplificare eventuali segnali deboli per poi effettuare la conversione digitale.
Caratteristiche Libreria Adafruit_ADS1x15 (Python)
• VCC: da 2V a 6.6V
• Range: ±0.256 a ±6.144;
• adc.read_adc(i, gain=GAIN): con questa funzione leggo i valori convertiti, i (0-3 indica in quale ingresso viene richiesta la conversione) e gain(indica di quanto deve essere l’amplificazione);
Nicola Zennaro !26 !
ADS1115 utilizzato nel progetto per la conversione
MQ-07 Nella centrale meteo sono stati utilizzati 2 sensori di gas per il rilevamento di gas nocivi presenti nell'aria. L'MQ-07 è un sensore che rileva la quantità di monossido di carbonio presente nell'aria. Come per tutti i sensori di gas MQ, viene richiesto un tempo di riscal-damento di 1-2 minuti, per avere una corretta lettura.
Caratteristiche: •Vcc: Richiede un alimentazione di 5V;
•Per poter effettuare una misurazione corretta, bisogna attendere che il sen-sore si scaldi, per questo prima di ef-fettuare una lettura è consigliato at-tendere da 1 a 2 minuti, in base al tipo di sensore di gas utilizzato;
•Concentrazione di Gas: 20-2000ppm di CO, con un semplice calcolo si può fornire il valore in percentuale della presenza del gas nell’aria;
MQ-02 Il secondo sensore rileva gas combustibili nell’aria. L’MQ-02 rileva la presenza di gas combustili e fumi dovuti alla combustione.
Caratteristiche: •Vcc: Richiede un alimentazione da 5V;
•Per poter effettuare una misurazione corret-ta, bisogna attendere che il sensore si scaldi, per questo prima di effettuare una lettura è consigliato attendere da 1 a 2 minuti, in base al tipo di sensore di gas utilizzato;
•Concentrazione di Gas: 300-10000ppm di gas combustibile nell’aria, con un semplice calcolo si può fornire il valore in percentuale della presenza del gas nell’aria;
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SMPT per Raspberry Nel codice Python di Raspberry è stato introdotta una sezione di codice che invia una mail al verificarsi di particolari condizioni. Le condizioni che ho posto perché il software invii l’ e-mail, sono la presenza di gas tossici ad un valore superiore al 20%. Il codice invia un co-dice con questo messaggio "Rilevato un aumento di gas nell'aria, controllare il sito per maggiori indicazioni." per fare ciò utilizzo la libreria ssmtp, che permette di inviare una mail attraverso un codice Python.
Per installare la libreria, si scrive nel terminale il seguente comando:
sudo apt-get update && apt-get install ssmtp
Libreria ssmtp Python:
fromaddr = '[email protected]' #email sender toaddrs = '[email protected]' #email ricevente
#credenziali per accedere all'email di Raspberry username = '[email protected]' #email sender password = 'XXXXXX' #password per accedere msg = 'Rilevato un aumento di gas nell'aria, controllare il sito per maggiori indicazioni.' #messaggio che inviamo
server = smtplib.SMTP('smtp.gmail.com:587') #server al quale accedere per connettersi alla mail sender server.starttls() #avvio la connessione con il server server.login(username,password) #accedo al server server.sendmail(fromaddr, toaddrs, msg) #invio la mail server.quit() #concludo la connessione con il server
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Case in 3D Per la centrale meteo ho disegnato un case in 3d che poi ho stampato. Ho utilizzato il pro-gramma Rhinoceros, che mi permette di disegnare, modellare oggetti in 3 dimensioni.
Il case della centrale meteo è fatto in modo che ci sia un coperchio rimovibile, per accede-re facilmente in fase di riparazione ai componenti, con dei fori laterali per il posiziona-mento dei sensori.
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Misurazioni Data e ora letture
entry_id Temperatura (°C)
Umidità (%) Pressione (Pa) Rumore ambientale
2018-04-21 04:56:33 UTC
53 26.38 50.77 113494.75 53
2018-04-21 05:57:09 UTC
54 26.82 55.34 113536.77 53
2018-04-21 06:57:46 UTC
55 27.36 56.31 113555.77 54
2018-04-21 07:58:22 UTC
56 27.68 53.75 113595.67 54
2018-04-21 08:58:59 UTC
57 28.09 51.46 113612.27 54
2018-04-21 09:59:35 UTC
58 28.37 48.33 113577.42 54
2018-04-21 11:00:12 UTC
59 28.94 42.99 113510.55 53
2018-04-21 12:00:49 UTC
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2018-04-21 13:01:25 UTC
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2018-04-21 14:02:02 UTC
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2018-04-21 15:02:39 UTC
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2018-04-21 16:03:15 UTC
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2018-04-21 17:03:52 UTC
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2018-04-21 18:04:29 UTC
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2018-04-21 19:05:05 UTC
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2018-04-21 20:05:42 UTC
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2018-04-21 23:07:31 UTC
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2018-04-22 00:08:08 UTC
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Nicola Zennaro !31 !
2018-04-22 01:08:44 UTC
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2018-04-22 02:09:21 UTC
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2018-04-22 03:09:57 UTC
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2018-04-22 04:10:33 UTC
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2018-04-22 05:11:10 UTC
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2018-04-22 07:12:22 UTC
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2018-04-22 08:12:59 UTC
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2018-04-22 09:13:36 UTC
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2018-04-22 17:18:30 UTC
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2018-04-22 22:21:32 UTC
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2018-04-22 23:22:08 UTC
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2018-04-23 01:23:21 UTC
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2018-04-23 02:23:58 UTC
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2018-04-23 03:24:36 UTC
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2018-04-23 04:25:11 UTC
100 23.70 64.24 113147.42 53
2018-04-23 05:25:47 UTC
101 23.51 64.96 113171.45 54
2018-04-23 06:26:23 UTC
102 24.01 63.86 113194.45 53
2018-04-23 07:27:00 UTC
103 24.68 61.87 113225.95 53
2018-04-23 08:27:36 UTC
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2018-04-23 09:28:13 UTC
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106 25.68 61.29 113212.50 53
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107 25.93 61.41 113168.85 54
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109 26.54 60.77 113071.70 54
2018-04-23 14:31:16 UTC
110 26.79 58.74 113003.48 53
2018-04-23 15:31:53 UTC
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2018-04-23 17:33:06 UTC
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2018-04-23 21:35:31 UTC
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129 26.23 62.95 113255.42 55
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2018-04-24 11:44:01 UTC
131 27.34 54.54 113227.14 54
2018-04-24 12:44:37 UTC
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2018-04-24 18:48:18 UTC
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2018-04-24 19:48:55 UTC
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2018-04-24 20:49:31 UTC
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2018-04-24 21:50:08 UTC
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2018-04-24 22:50:46 UTC
142 25.61 70.69 113029.79 53
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143 25.42 69.37 112991.58 53
2018-04-25 00:52:00 UTC
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2018-04-25 01:52:36 UTC
145 25.10 64.72 112944.90 54
2018-04-25 02:53:12 UTC
146 25.03 68.75 112926.29 53
2018-04-25 03:53:49 UTC
147 24.84 75.96 112912.52 53
2018-04-25 04:54:27 UTC
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2018-04-25 05:55:03 UTC
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2018-05-21 18:46:42 UTC
769 28.93 41.52 112583.77 54
Nicola Zennaro !62 !