Scopo di questo progetto è la realizzazione di un semplice sistema per la pesatura e il monitoraggio di Arnie. Il sistema controlla il peso di un'arnia mediante bilancia a celle di carico, consente un monitoraggio continuo appoggiandosi ad una piattaforma Web e avvisa mediante notifica in caso di anomalia (peso troppo basso, batteria al minimo).

Il sistema funziona mediante batteria e GPRS ed è basato sulla scheda Arduino MKR GSM 1400.

• Componenti
• Schema e Montaggio
  • Schema
  • Descrizione componenti
• Configurazione
  • SIM
  • Telegram
  • Adafruit MQTT broker
• Installazione
  • Installazione scheda
  • Librerie
  • Caricare programma Arduino

• Arduino MKR GSM 1400 e relativa antenna
• Bilancia pesapersone (in alternativa 4 celle di carico da 50kg a 3 fili*)
• ADC HX711 per celle di carico
• Convertitore step down variabile LM2596
• Batteria Lipo 10000mAh
• Ricevitore GPS ublox NEO-M8N
• Pannello fotovoltaico
• SIM con contratto attivo
• Interruttore (per alimentatore)
• 2 pulsanti (un finecorsa e un pulsante per il reset)
• Transistor NPN (ad esempio BC337-40)
• Resistenza 10kΩ
• Jumper e/o cavi di collegamento

*le celle di carico devono essere tutte e 4 dello stesso tipo, si consiglia di acquistarle insieme dallo stesso venditore

ATTENZIONE: il convertitore di tensione deve essere regolato tra 5V e 6V (come da specifiche della scheda) PRIMA di essere collegato alla scheda, perché potrebbe essere regolato a tensioni maggiori. Tensioni superiori possono danneggiare irreversibilmente la scheda Arduino. Collegare quindi prima il pannello solare al regolatore di tensione, esporre il pannello al sole e regolare la tensione in uscita tra 5V e 6V usando un multimetro, ruotando il potenziometro sulla scheda (solitamente è di colore blu con un piccolo albero di metallo con testa a taglio in un angolo) fino al raggiungimento del valore desiderato.

• Celle di carico

  Come indicato in questo schema i colori (bianco - W, rosso - R, nero - B) dei fili dei singoli sensori di carico possono variare a seconda del produttore, è quindi consigliato controllare con un multimetro la coppia di fili tra cui si ha la maggiore resistenza, essi saranno il + e il - (solitamente sono il bianco e il nero, come mostrato nello schema). Invertendo la polarità di questi due fili i sensori non si danneggeranno, ma la scheda potrebbe misurare variazioni di peso negative, in tal caso invertire questi due fili per tutti i sensori.

• HX711

  Questo modulo per celle di carico contenente un ADC sigma-delta a 24 bit che permette di compiere misure con maggiore precisione rispetto l'ADC interno della scheda MKR GSM 1400 (ADC a 8, 10 o 12 bit). Il valore letto viene trasmesso in seriale alla scheda.

• Interruttori e pulsanti

  • SW1 è un pulsante usato per il reset della scheda, utile perché quello presente sulla scheda non è accessibile una volta chiusa ermeticamente la struttura.
  • SW2 interrompe l'alimentazione dalla batteria, ma la scheda rimane comunque alimentata dal pannello solare se collegato e illuminato.
  • SW3 è un finecorsa normalmente chiuso posizionato sulla base in modo che sia premuto (contatto aperto) quando l'arnia e appoggiata e sia rilasciato (contatto chiuso) quando viene sollevata; è usato come sensore per l'attivazione dei messaggi di allarme.

• LM2596 e pannello solare

  Il convertitore di tensione deve essere regolato tra 5V e 6V come spiegato in precedenza. Si consiglia di collegare il pannello solare al regolatore di tensione mediante un connettore, in modo che sia semplice scollegarlo durante il trasporto o per altri motivi.

• GPS, transistor e resistenza

  Il modulo GPS fornisce in protocollo UART i dati di posizione calcolati, la precisione è indicativamente di decine di metri, ma varia significativamente in base al numero di satelliti visibili. Per ridurre il consumo del modulo quando non viene utilizzato (l'utilizzo effettivo è di solo qualche minuto al giorno in condizioni normali) l'alimentazione viene interrotta da un transistor BJT quando non è necessario. Il dimensionamento della resistenza è tale da garantire il funzionamento in saturazione/interdizione (funzionamento come interruttore on/off)

• Batteria

  La capacità della batteria è stata scelta per garantire il funzionamento con contiua trasmissione per approssimativamente un paio di giorni. L'autonomia effettiva è molto maggiore perché per la maggior parte del tempo la scheda riduce i consumi limitando le attività svolte; in aggiunta il pannello solare, se esposto al sole per qualche ora al giorno, è sufficiente per conpensare l'energia consumata durante la notte.

Si consiglia una SIM IoT a consumo (ad esempio noi abbiamo utilizzato un SIM ThingsMobile) che, con un consumo di circa 400 KB/mese, avrà un costo indicativo di meno di 1 €/anno per un funzionamento normale e continuativo. I consumi aumentano notevolmente (ma restano comunque molto contenuti, nell'ordine di 0.10 €/giorno) nel caso di allarme per lo spostamento dell'arnia, in quanto il sistema trasmetterà in continuo i dati sulla posizione. Vedere l'analisi del consumo dati durante i test per maggiori dettagli. A questi costi periodici si somma solitamente una tantum per l'acquisto della SIM.

Per semplicità, ed evitare problemi con il blocco della SIM, si consiglia di rimuovere il PIN dalla SIM inserendola in un telefono cellulare e cercando questa opzione tra le impostazioni del telefono (in alternativa si possono impostare le credenziali nell'apposita sezione del file secrets.h, ma questa funzionalità non è stata testata)

In base all'operatore scelto è necessario configurare l'APN dalla riga 33 dove sono già indicati alcuni tra i più diffusi. È sufficiente commentare (con // davanti alla riga) tutti gli APN tranne quello desiderato.

Per ricevere le notifiche con messaggi Telegram è necessatio creare un BOT Telegram.

• Bisogna attivare un bot chiamato BotFather (cercare BotFather dalla ricerca Telegram oppure aprire il link precedente da un dispositivo con Telegram installato)
• Seguire le istruzioni per la creazione del BOT (/newbot, Scegli un nome, Scegli uno username che termini con 'bot')
• (1) Nel messaggio finale BotFather invierà un token univoco per il bot, nella forma 123456:ABC-DEF1234ghIkl-zyx57W2v1u123ew11
• Nell'implementazione attuale le notifiche vengono mandate ad un solo contatto/gruppo, quindi se si vuole che più persone ricevano le notifiche è necessario creare un gruppo con i partecipanti desiderati (tra cui il BOT stesso) e inviare il messaggio /start nella chat (per identificare con semplicità l'ID della chat); se invece è sufficiente un solo contatto attivare il BOT dall'account desiderato, aprendo il link inviato da BotFather nell'ultimo messaggio (nella forma di t.me/username_bot) e premere il pulsante START nella chat che si apre
• Aprire un browser (ad esempio Firefox) e digitare nella barra di ricerca https://api.telegram.org/bot<token>/getUpdates, sostituendo <TOKEN> con il token del BOT appena creato; la richiesta avrà quindi la forma di https://api.telegram.org/bot123456:ABC-DEF1234ghIkl-zyx57W2v1u123ew11/getUpdates
• (2) Il risultato della richiesta è in formato JSON e verrà formattato opportunamente da molti browser. L'ID della chat si trova seguendo il percorso result > N > chat > id dove N è il maggiore tra i numeri presenti (l'ultimo messaggio). L'ID è un numero intero positivo di 9 cifre nel caso di chat semplici e un numero intero negativo di 9 o 13 cifre nel caso di chat di gruppo
• Per verificare il corretto funzionamento digitare nella barra di ricerca del browser https://api.telegram.org/bot<TOKEN>/sendMessage?chat_id=<CHAT_ID>&text=Test, sostituendo <TOKEN> con il token trovato al punto (1) e <CHAT_ID> con l'ID trovato al punto (2); la richiesta avrà quindi la forma di https://api.telegram.org/bot123456:ABC-DEF1234ghIkl-zyx57W2v1u123ew11/sendMessage?chat_id=123456789&text=Test
• Se (dopo aver inviato la richiesta) viene inviato dal BOT un messaggio con il testo Test nella chat desiderata si può procedere ai passaggi successivi, altrimenti ricontrollare i passaggi precedenti (se nella pagina del browser la risposta alla richiesta è Bad Request: chat not found, l'ID della chat non è corretto; se la risposta è Unauthorized il token utilizzato non è valido, in tal caso controllare il token corretto tramite BotFather)

Nel file secrets.h sostuire il token di default alla riga 12 con quello ricavato al punto (1)

Sempre nel file secrets.h sostuire l'ID della chat di default a cui inviare i messaggi alla riga 11 con l'ID trovato al punto (2)

Per mostrare graficamente l'andamento di peso e carica della batteria nell'ultimo mese, oltre che la posizione dell'arnia sulla mappa e un colore che permette di monitorare rapidamente lo stato dell'arnia è necessario registrare un account su adafruit.io oppure effettuare il log in se si è già registrati.

• Dal menu Feeds, con il pulsante +New Feed creare i seguenti feeds (volendo i nomi possono essere cambiati, ma devono coincidere con il codice):
  • Batteria
  • Debug
  • Peso
  • Posizione
  • Stato
• Dal menu Dashboards, con il pulsante +New Dashboard creare una nuova dashboard e aggiungere i seguenti blocchi dalla rotella delle impostazioni in alto a destra > Create New Block:
  • Line chart con feed Peso
  • Line chart con feed Batteria
  • Gauge con feed Peso
  • Gauge con fedd Batteria
  • Color Picker con feed Stato
  • Map con feed Posizione
  • Stream con feed Debug
• Regolare le impostazioni di ogni blocco secondo le proprie preferenze (ad esempio tipo di mappa, range e scale dei grafici, durata storico da visualizzare)

Il risultato finale dovrebbe essere simile a questo:

Le credenziali private per inviare dati a questi feed si trovano nella sezione My Key. Nel file secrets.h sostituire lo username alla riga 6 e la AIO Key alla riga 7.

Selezionare la scheda Arduino MKR GSM 1400 dal menu Toos > Board oppure Strumenti > Scheda

Se è la prima volta che si programma la scheda MKR GSM 1400 è probabile che essa non sia presente nella lista delle schede disponibili, in tal caso è necessario aggiungerla:

• Aprire il gestore schede Toos > Board > Boards Manager oppure Strumenti > Scheda > Gestore Schede
• Cercare Arduino MKR GSM 1400
• Selezionare la versione 1.6.21
• Installare con l'apposito pulsante le schede Arduino SAMD boards (32-bits ARM Cortex-M0+) (assicurarsi di aver selezinato la versione corretta, le versioni successive non sono compatibili con le versioni delle librerie utilizzate, è quindi sconsiglia aggiornare alle versioni più recenti)
• Attendere il download e l'Installazione
• Tornare dal menu Toos > Board oppure Strumenti > Scheda e selezionare la scheda Arduino MKR GSM 1400 ora disponibile tra le opzioni (potrebbe essere in un sotto-menu differente rispetto alle altre)

Copiare le cartelle contenute nella cartella librerie all'interno nella cartella libraries contenuta nella cartella degli sketch di default di Arduino (il percorso di questa cartella è indicato in File > Preferences > Sketchbook location).

In alternativa è possibile comprimere ogni cartella in un file zip separato e includerle manualmente una ad una dal Sketch > Include Library > Add .ZIP Library ... oppure Sketch > #include libreria > Aggiungi libreria da file .ZIP ...

Si sconsiglia di utilizzare il gestore librerie per evitare problemi di retrocompatibilità, per lo stesso motivo si sconsiglia di aggiornare queste librerie alla versione più recente, come spesso proposto dall'IDE di Arduino.

Di seguito le versioni delle librerie utilizzate:

NOTA: affinché il caricamento vada a buon fine e il tutto funzioni correttamente bisogna assicurarsi che tutte le configurazioni e installazioni precedenti siano state svolte.

• Scaricare il repository da github dall'intefaccia grafica del sito (pulsante Code > Download zip; estrarre poi l'archivio scaricato) oppure da riga di comando con git clone https://github.com/fablab-imperia/PesaturaArnie.git
• Aprire il file PesaturaArnie/PesaturaArnie.ino nell'IDE di Arduino
• Selezionare la scheda e la porta corretta dal menu Tools > Port o Strumenti > Porta
• Compilare e caricare il programma sulla scheda con l'apposito pulsante (il secondo da sinistra, con una freccia verso destra)