INTERNET OF THINGS BASED SMART SYSTEMS 2024/25

Serra Smart - Progetto TIM

Autori

• Matteo Santanocito
• Silvia Garozzo
• Giorgio Di Bartolo

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Indice

1. Descrizione del Sistema
   1.1 Schema Complessivo
2. Modulo ESP32
3. Sensore di Rilevamento Fumo/Gas (MQ-135)
4. Sensore di Umidità del Terreno (Moisture Soil)
5. Sensore di Temperatura e Umidità dell'aria (DHT11)
6. Sistema di Controllo della Pompa e Relè
   • Il Relè
   • Schema di Collegamento del Relè e della Pompa
   • Il Level Shifter
7. Implementazione su ThingsBoard
   • Setup del Dispositivo ESP32
   • Gestione dell’Attributo Shared
   • Registrazione delle Telemetrie
   • Setup della Dashboard
   • Dashboard
8. Struttura del Codice ESP32 (Descrizione)
9. Struttura del Codice Bot Telegram (Descrizione)

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Descrizione del Sistema

L’architettura della serra è stata progettata per garantire un monitoraggio accurato delle condizioni ambientali e un controllo automatizzato dell’irrigazione. Il sistema include i seguenti componenti principali:

• Modulo Wi-Fi ESP32: responsabile della raccolta dati e della connessione alla rete.
• Sensore di rilevamento fumo/gas (MQ-135): per la protezione antincendio.
• Sensore di umidità del terreno (Moisture Soil): per monitorare le condizioni del terreno.
• Sensore di temperatura e umidità (DHT11): per monitorare le condizioni ambientali.
• Pompa per l’acqua (RS360SH): utilizzata per l’irrigazione.
• Relè: necessario per attivare e controllare la pompa.
• Level Shifter: per convertire i segnali da 3.3V (derivanti dall’ESP32) a 5V, necessari per alcuni componenti.

Schema Complessivo

Nella figura seguente è riportato uno schema complessivo dei componenti e dei collegamenti principali:

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Modulo ESP32

L’ESP32 è il cuore del sistema: si occupa di raccogliere i dati dai vari sensori e di gestire la comunicazione tramite rete Wi-Fi. I dati raccolti vengono inviati alla piattaforma ThingsBoard tramite protocollo MQTT.

Caratteristiche tecniche principali:

• Processore: Dual-core a 240 MHz.
• Memoria Flash: Fino a 4 MB.
• Connettività: Wi-Fi e Bluetooth integrati.
• I/O Multipli: pin digitali e analogici (ADC, DAC, UART, SPI, I2C, ecc.).
• Alimentazione: funziona a 3.3V con regolatori interni.

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Sensore di Rilevamento Fumo/Gas (MQ-135)

Il sensore MQ-135 è impiegato per monitorare la qualità dell’aria e rilevare gas potenzialmente pericolosi, contribuendo alla protezione antincendio della serra.

• Sensibilità multi-gas: rileva diverse sostanze (CO₂, NH₃, e altri gas).
• Uscita analogica: la tensione di uscita varia in funzione della concentrazione di gas.
• Tempo di risposta rapido: consente di rilevare variazioni di concentrazione in breve tempo.

Schema di Collegamento Principale

• Segnale: PIN analogico (A0) del sensore collegato a un GPIO analogico dell’ESP32 (ad esempio GPIO36).
• Alimentazione: 3V dall’ESP32 e GND condiviso.

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Sensore di Umidità del Terreno (Moisture Soil)

Misura il livello di umidità del terreno, dato fondamentale per il controllo dell’irrigazione.

• Uscita analogica: tensione variabile in base al livello di umidità, restituendo un valore in percentuale.
• Tempo di risposta rapido: rileva variazioni dell’umidità in breve tempo.

Schema di Collegamento Principale

• Segnale: collegato a un GPIO analogico dell’ESP32 (ad es. GPIO34).
• Alimentazione: 3V e GND comune.

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Sensore di Temperatura e Umidità dell'aria (DHT11)

Il sensore DHT11 misura sia la temperatura che l’umidità relativa dell’aria.

• Intervallo di temperatura: 0-50°C, con una precisione di ±2°C.
• Intervallo di umidità: 20%-90%, con una precisione di ±5%.

Schema di Collegamento Principale

• Segnale: collegato a un GPIO dell’ESP32 (ad es. GPIO4).
• Alimentazione: 3V e GND comune.

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Sistema di Controllo della Pompa e Relè

Il Relè

Il relè è un dispositivo elettromeccanico dotato di:

• Bobina (attuata con bassa tensione).
• Contatti elettrici (COM, NO, NC) per pilotare carichi più elevati.

Quando la bobina viene alimentata, il contatto NO (Normally Open) si chiude, consentendo il passaggio di corrente verso la pompa.

Schema di Collegamento del Relè e della Pompa

• Il terminale NO del relè è collegato al VCC della pompa.
• Il terminale COM è connesso al GND comune (tramite level shifter o direttamente, in base all’alimentazione).
• Pompa alimentata a 5V o più (in base alle specifiche), controllata dall’azione del relè.

Il Level Shifter

Permette di convertire i segnali a 3.3V (ESP32) in segnali a 5V per pilotare correttamente il relè:

• Alimentazione: lato LV (3.3V) dall’ESP32, lato HV (5V) da fonte esterna o USB. GND in comune.
• Segnale: dal GPIO dell’ESP32 → LV → HV → ingresso del relè.

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Implementazione su ThingsBoard

Setup del Dispositivo ESP32

Su ThingsBoard:

1. Creare un nuovo Device (es. “ESP32”).
2. Ottenere l’Access Token nella sezione “Manage credentials” del dispositivo.
3. Inserire il Token nel firmware dell’ESP32 per l’autenticazione MQTT.

Gestione dell’Attributo Shared

Nel progetto, un Bot Telegram aggiorna un attributo condiviso (“Shared Attribute”) su ThingsBoard, indicante la durata (in millisecondi) di attivazione della pompa:

• Creare l’attributo condiviso (chiave pompa) nella sezione Shared Attributes del device su ThingsBoard.
• L’ESP32 si iscrive a questo attributo e reagisce in tempo reale ai cambiamenti.

Registrazione delle Telemetrie

ThingsBoard raccoglie e visualizza i dati di telemetria inviati dall’ESP32, ad esempio:

• temperature
• humidityAir
• humiditySoil
• airQuality

Setup della Dashboard

Creare una Dashboard per visualizzare i dati:

1. Configurare la Datasource: selezionare il dispositivo “ESP32” e le chiavi di telemetria (ad esempio humidityAir, temperature, ecc.).
2. Aggiungere i widget: carte, gauge, grafici storici, indicatori, ecc.
3. Definire l’aspetto: icona, unità di misura, soglie di allarme, ecc.

Dashboard

Esempio di Dashboard con i dati in tempo reale dei sensori:

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Struttura del Codice ESP32

Nota:
I file sorgente completi e commentati per l’ESP32 si trovano nel repository, nella cartella dedicata. Di seguito viene riportata solo la logica generale (senza codice) per evitare duplicazioni.

1. Connessione a Wi-Fi: inizializzazione e riconnessione in caso di disconnessione.
2. Connessione a ThingsBoard via MQTT: utilizzo del token di autenticazione e invio periodico dei dati di telemetria.
3. Lettura Sensori:
   • Umidità del terreno (ingresso analogico).
   • Temperatura e umidità dell’aria (DHT11).
   • Qualità dell’aria (MQ-135).
4. Gestione della Pompa: controllo tramite pin digitale e relè; si attiva per il tempo specificato dall’attributo condiviso.
5. Callback Messaggi MQTT:
   • Ricezione valore pompa e conseguente attivazione del relè.

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Struttura del Codice Bot Telegram

Nota:
Il codice completo del bot è consultabile nella cartella dedicata del repository, già commentato. Di seguito una sintesi delle funzionalità principali.

1. Autenticazione e Configurazione:

   • Token del bot di Telegram.
   • Collegamento a ThingsBoard tramite JWT Token e Device ID.

2. Comandi Principali:

   • /start e /menu: inviano una tastiera interattiva con le opzioni “Stato serra” e “Avvia irrigazione”.
   • Stato serra: mostra i dati più recenti (temperatura, umidità aria/terreno, qualità dell’aria) recuperati da ThingsBoard.
   • Avvia irrigazione: chiede all’utente la durata (in secondi) per l’attivazione della pompa.

   

3. Gestione Attributo Shared:

   • Aggiornamento dell’attributo pompa su ThingsBoard per avviare l’irrigazione.

   

4. Notifiche Automatiche:

   • Controllo periodico dei valori di umidità del terreno e qualità dell’aria.
   • Se la lettura supera (o scende sotto) certe soglie, il bot invia una notifica di emergenza agli utenti attivi, offrendo anche la possibilità di avviare la pompa.

   

5. Stato Serra:

   • Tramite il comando Stato Serra, il bot verifica le condizioni ambientali registrate dai sensori collegati all'ESP32 e inviate a Thingsboard.

   

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Licenza

Questo progetto è rilasciato sotto licenza libera per scopi didattici. Tutti i file sorgente e il codice sono disponibili all’interno di questo repository.