Microcontrollori (MCU – Microcontroller Unit) e Micropreocessore (CPU – Central Processing Unit): la differenza
“… un microprocessore è la parte centrale di un computer, ma ha bisogno di altre integrazioni per poter funzionare, tra cui le periferiche di ingresso e uscita; un microcontrollore, invece, non ha bisogno di altri componenti, ma ha capacità di calcolo ridotte.”
“… il microprocessore è attualmente l’implementazione fisica più comune di una CPU, ed è utilizzato su quasi tutti i computer e i dispositivi digitali come telefoni cellulari e scanner.”
“Un microcontrollore, invece, riunisce tutti gli elementi all’interno di un unico piccolo contenitore, e in teoria non ha bisogno di altri componenti esterni per poter funzionare. Tutto è infatti racchiuso in un unico chip, compresa la memoria per il programma, la memoria RAM, l’oscillatore di clock, il circuito di reset e le periferiche.” (da Elettronica Opensource).
Nei progetti di Openvironment.net utilizziamo quasi esclusivamente dei Microcontrollori per i quali scriviamo il codice (software) che, a differenza del software per un computer, svolge funzioni molto specifiche interagendo direttamente con l’hardware di sistema, tanto da essere più correttamente definito firmware.
Sensori & Attuatori
Sono dispositivi o componenti elettronici collegati al microcontrollore, nel dettaglio:
Sensori:
“sentono” l’ambiente circostante (es. termometro, igrometro, luxmetro, barometro, ecc.), rilevano un cambiamento di stato di una variabile elettrica, (es. un voltaggio, un circuito aperto o chiuso da un magnete, ecc.) o il rapporto spaziale con altri oggetti (es. sensori di distanza ad ultrasuoni o laser). Sono insomma il tatto, l’olfatto, gli occhi e gli orecchi del microcontrollore.
Attuatori:
sono i dispositivi che “compiono un azione”, come un motore elettrico, un servo motore, un relè, un LED che si accende o spenge, un’elettrovalvola che si apre e si chiude. Funzionano da braccia, gambe e dita del microcontrollore.
Internet Of Things
“L’Internet of Things (IoT) è una rete di oggetti e dispositivi connessi (detti “cose”) dotati di sensori (e altre tecnologie) che consentono loro di trasmettere e ricevere dati, da e verso altre cose e sistemi. In termini più generali, l’Internet of Things comprende qualsiasi oggetto – o “cosa” – collegabile in wireless a una rete Internet. Oggi, tuttavia, l’IoT ha assunto il significato più specifico di oggetti connessi provvisti di sensori, software e altre tecnologie che consentono loro di trasmettere e ricevere dati allo scopo di informare gli utenti o di automatizzare un’azione.” (da sap.com).
Ad Openvironment.com utilizziamo, se il progetto lo richiede, diversi protocolli e standard di comunicazione wireless, dal WiFi, al LoRa WAN (Long Range Wide Area Network), la Narrow Band (NB) della rete di telefonia cellulare, ecc., spesso utilizzando anche più tecnologie contemporaneamente (cfr. ad esempio il progetto LoRa Lupo) per trasmettere i dati che ci interessano. Per visualizzare i i dati (o per inviare anche comandi esecutivi verso i nostri dispositivi) su un comune browser internet utilizziamo la piattaforma Adafruit.io ma, se richiesto dal cliente, siamo in grado di collegarci ad altri server/piattaforme.
Il nostro processo di realizzazione:
1) nella prima fase realizziamo il circuito su una basetta di prototipazione (breadboard) come riportata in foto.
2) Il secondo passaggio consiste nel programmare il/i microcontrollore/i: in questa fase è possibile modificare direttamente i collegamenti hardware tra a) microcontrollore e sensore/i e b) microcontrollore e attuatore/i grazie al fatto che i collegamenti elettrici non sono altro che piccoli cavetti “volanti”.
3) Nella fase finale la maggior parte delle volte rendiamo definitivo il circuito disegnando la PCB (Printed Circuit Board = Scheda a Circuito Stampato) dove vengono montati tutti i componenti ed i cavetti “volanti” vengono sostituiti da tracce in rame impresse sulla scheda.
La PCB permette di avere un prodotto fisicamente robusto con contatti elettrici duraturi e stabili nel tempo. E’ di fatto una scheda elettronica con tutti i componenti necessari per svolgere una o più funzioni dove il cuore del sistema è il microcontrollore con relativi sensori ed attuatori collegati.
Confezionamento finale
Tutti i nostri prodotti, se richiesto dal cliente, vengono chiusi in involucri/scatole di alta qualità con un attento studio della componente dell’alimentazione.
Standard IP:
tutti i nostri dispositivi vengono inseriti in appositi contenitori di alta qualitàper materiale elettrico con standard di protezione ambientale che varia dall’IP55 fino all’IP68 (IP = Ingress Protection) . Si ricorda che il primo numero riguarda la protezione da particelle solide mentre il secondo numero riguarda la protezione contro l’accesso da liquidi. Ad esempio un codice IP 55 per una scatola elettrica significa che (n. 5) è protetta contro l’ingresso di polvere (l’ingresso di polvere non è completamente impedito, ma non deve entrare in una quantità sufficiente da interferire con il funzionamento soddisfacente dell’apparecchiatura e (n. 6) che è protetta da ondate ( durata del test: 1 minuto per metro quadrato per almeno 3 minuti, volume d’acqua: 100 litri al minuto, pressione: 100 kPa alla distanza di 3 m). Su Wikipedia la tabella completa.
Alimentazione:
La nostra “strategia” sull’alimentazione lavora su tre diversi livelli: 1) cerchiamo di scegliere i microcontrollori che nativamente abbiano il più basso consumo energetico possibile, 2) durante la programmazione cerchiamo, se possibile, di indurre il sonno profondo durante le fasi di inattività del microcontrollore e di eventuali sensori/attuatori connessi e 3) se possibile utilizziamo pannelli solari per ricaricare delle batterie.
Le nostre scelte
Per quanto riguarda i microcontrollori abbiamo una preferenza per gli ESP32 di Espressif per il loro robusto design, il loro basso consumo energetico, il Bluetooth ed il WiFi integrati. Nello specifico ci affidiamo ad M5Stack che produce una serie di dispositivi basati sull’ESP32, alcuni dei quali già dotati di schermo LCD. A questo si aggiunge un’ampia scelta di sensori ed attuatori implementati su moduli di espansione studiati ad hoc per i loro dispositivi al fine di ottenere una rapida integrazione hardware ed una semplice programmazione degli stessi.
Ovviamente non ci capita raramente di ricorrere direttamente alle schede Arduino che integrano molti microcontollori diversi, ognuno con le sue caratteristiche peculiari. Anche in questo caso cerchiamo di scegliere modelli compatti, come ad esempio la serie “Nano” o “Mini”, con consumi energetici relativamente bassi.
Per quanto riguarda sensori ed attuatori generalmente scegliamo di volta in volta ciò che meglio si adatta al progetto specifico, in base sia al budget previsto, sia alla precisione e qualità del dato richiesto. Quando si tratta però di strumenti di misura dei parametri chimico-fisici dell’acqua abbiamo una netta preferenza per la strumentazione prodotta da Atlas Scientific, mentre per misure di precisione delle distanze ci affidiamo ai sensori ad ultrasuoni di Maxbotix.
