Una rete WiFi Arduino (sensori e attuatori) - il sensore di colore: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Quante volte nelle tue applicazioni hai qualche sensore o qualche attuatore lontano da te? Quanto potrebbe essere comodo utilizzare un solo dispositivo master vicino al tuo computer per gestire diversi dispositivi slave collegati tramite una rete wi-fi?

In questo progetto vedremo come configurare una rete wi-fi, composta da un modulo master e uno o più dispositivi slave. Ogni dispositivo sarà pilotato da un Arduino Nano e da un modulo wireless NRF24L01. Infine per mostrare la fattibilità del progetto realizziamo una semplice rete in cui un modulo slave può rilevare un colore e trasmettere il suo modello RGB al modulo master.

Passaggio 1: il protocollo di comunicazione

L'idea alla base di questo progetto è la creazione di una rete composta da moduli sensori e moduli attuatori, pilotati da un modulo master che comunica con lo slave tramite una connessione wi-fi.

Il modulo master è collegato al computer tramite una comunicazione seriale e offre una piccola interfaccia che permette all'utente di ricercare i dispositivi collegati, di ottenere l'elenco delle operazioni possibili per ogni dispositivo e di agire su di essi. Quindi il modulo master non ha bisogno, a priori, di sapere quanti e che tipo di dispositivi sono collegati alla rete ma è sempre in grado di scansionare e trovare i dispositivi e di ricevere da essi informazioni come le loro configurazioni o le loro caratteristiche. L'utente, in ogni momento, può aggiungere o rimuovere i moduli dalla rete e necessita solo di una nuova scansione della rete per iniziare a comunicare con i nuovi dispositivi.

In questo progetto mostriamo un semplice esempio di rete composta da un modulo master e da due slave, il primo è un "Led Module", ovvero un semplice modulo, che può accendere un led (rosso o verde), spegnere questi led o inviare informazioni sul loro stato al master. Il secondo è un "Sensor Color Module" che, utilizzando il sensore di colore (TCS3200), è in grado di rilevare un colore e restituire il suo modello RGB se riceve un comando da un utente (tramite un pulsante) o una richiesta dal master modulo. Riassumendo, ogni dispositivo utilizzato in questo progetto è composto da un modulo wireless (NRF24L01) e un Arduino Nano che gestisce il modulo wireless e le altre semplici operazioni. Mentre il "Modulo Led" contiene due led aggiuntivi e il "Modulo Sensore Colore" contiene il sensore di colore e un pulsante.

Passaggio 2: il modulo principale

Il modulo più importante è il “Modulo Master” che come detto, tramite una piccola interfaccia intuitiva, gestisce la comunicazione tra utente e moduli slave collegati in rete.

L'hardware del modulo master è semplice ed è composto da pochi componenti, in particolare c'è un Arduino Nano che gestisce la comunicazione seriale con il computer e quindi con l'utente, e la comunicazione con gli altri dispositivi. Quest'ultimo viene creato dal modulo wireless NRF24L01, che è collegato alla scheda Arduino tramite una comunicazione SPI. Infine sono presenti due led per dare all'utente un feedback visivo sui dati in entrata o in uscita dal modulo.

La scheda elettronica del modulo master ha dimensioni relativamente contenute, circa 65x30x25 mm, quindi può essere facilmente inserita in una piccola scatola. Qui i file stl della scatola (parte superiore e inferiore).

Passaggio 3: il modulo LED

Il "modulo led" monta l'Arduino Nano il modulo NRF24L01 e quattro led. Il modulo Arduino e il modulo NRF24L01 vengono utilizzati per gestire la comunicazione con il modulo master, mentre due dei led servono per dare all'utente un feedback visivo sui dati in entrata e in uscita e gli altri due led servono per le normali operazioni.

Il compito principale di questo modulo è quello di mostrare se la rete funziona, consentendo all'utente di accendere uno dei due led, spegnerli o ottenere il loro stato corrente. In particolare questo modulo è una sorta di proof of concept, o meglio abbiamo deciso di utilizzarlo per mostrare come sia possibile interagire con gli attuatori e utilizzando led di colore diverso è possibile testare il funzionamento del modulo colore.

Passaggio 4: il modulo del sensore di colore

Quest'ultimo modulo è un po' più complesso rispetto all'altro, infatti contiene lo stesso hardware degli altri (Arduino Nano, modulo NRF24L01 e i due led di feedback visivo) e altro hardware per rilevare il colore e gestire la batteria.

Per rilevare un colore e restituire il suo modello RGB, decidiamo di utilizzare il sensore TCS3200, si tratta di un sensore piccolo ed economico comunemente utilizzato in questo tipo di applicazioni. È composto da un array di fotodiodi e da un convertitore corrente-frequenza. L'array contiene 64 fotodiodi, 16 hanno il filtro rosso, 16 il filtro verde, 16 hanno il filtro blu e gli ultimi 16 sono chiari senza filtri. Tutti i fotodiodi dello stesso colore sono collegati in parallelo e ogni gruppo può essere attivato da due pin speciali (S2 e S3). Il convertitore corrente-frequenza restituisce un'onda quadra con duty cycle del 50% e frequenza direttamente proporzionale all'intensità luminosa. La frequenza di uscita a fondo scala può essere scalata di uno dei tre valori preimpostati tramite due pin di ingresso di controllo (S0 e S1).

Il modulo è alimentato da una piccola batteria Li-Po a due celle (7,4 V) ed è gestito da Arduino. In particolare una delle due celle è collegata ad un ingresso analogico di questa, e questo permette ad Arduino di leggere il valore della potenza della cella. Quando il livello di potenza della cella scende al di sotto di un certo valore, per preservare la batteria, Arduino accende un led, che avverte l'utente di spegnere il dispositivo. Per accendere o spegnere il dispositivo è presente un interruttore che collega il pin positivo della batteria al pin Vin della scheda Arduino o ad un connettore che può essere poi utilizzato dall'utente per caricare la batteria.

Per quanto riguarda il modulo master, il modulo sensore colore ha dimensioni ridotte (40x85x30) ed è stato inserito all'interno di una scatola stampata in 3D.