Eh-1 progetto di un sistema domotico interattivo

EH – 1

Progetto di un sistema domotico interattivo sviluppato da

Marco Di Goro

VB ELT a.s. 2007/08

I.T.I.S. “A. Meucci” Firenze

Capitolo 1: Introduzione

Il “significato” del progetto

La domotica è la disciplina che si occupa di studiare le tecnologie atte a migliorare la qualità della vita nell’ambiente domestico grazie all’automazione, al controllo dei processi gestionali e all’integrazione dei sistemi. Il termine “domotica” è infatti un neologismo derivante dalla contrazione della parola latina domus (casa, abitazione) unita al sostantivo “automatica”, che quindi indica la “scienza dell’automazione delle abitazioni”. Ha dunque come oggetto di studio privilegiato proprio l’automazione della casa. Tutto ciò si ottiene utilizzando in modo combinato elettronica, informatica e meccanica.

Questa disciplina è nata nel corso della terza rivoluzione industriale e si prefigge obiettivi precisi:

• Migliorare la qualità della vita;
• Migliorare la sicurezza sotto tutti i punti di vista;
• Rendere più agevole la vita quotidiana per i portatori di handicap;
• Risparmiare energia;
• Semplificare la progettazione, l’installazione, la manutenzione e l’utilizzo della tecnologia;
• Ridurre i costi di gestione;
• Convertire i vecchi ambienti e i vecchi impianti.

Il concetto di casa intelligente

Con l’espressione “casa intelligente” si definisce l’integrazione di diversi dispositivi per il controllo automatizzato di apparati domestici, di sensori di rilevazione dello stato dell’ambiente, di funzioni intelligenti di supporto e di sistemi telecomunicativi.

Un’abitazione così integrata può essere controllata dall’utilizzatore tramite opportune interfacce utente (come pulsanti, telecomando, touch screen, tastiere, riconoscimento vocale) connesse direttamente con il sistema intelligente di controllo, basato su un’unità computerizzata centrale oppure basato su un sistema a intelligenza distribuita opportunamente interconnessa e organizzata con precise gerarchie.

Il sistema di controllo centralizzato, oppure l’insieme delle periferiche in un sistema a intelligenza distribuita, provvede a svolgere i comandi impartiti dall’utente (ad esempio l’accensione del calorifero o l’impostazione manuale/automatica della luce), a monitorare continuamente i parametri ambientali richiesti e a gestire in maniera autonoma alcune regolazioni (ad esempio la luce).

I sistemi di automazione sono di solito predisposti affinché ogni qualvolta venga azionato un comando, all’utente ne giunga comunicazione attraverso un segnale visivo di avviso/conferma dell’operazione effettuata (ad esempio LED colorati negli interruttori).

Obiettivi del progetto

Le soluzioni tecnologiche che possono essere adottate per la realizzazione di un sistema domotico sono caratterizzate da peculiarità d’uso proprie degli oggetti casalinghi:

• Semplicità: il sistema domotico è diretto a un pubblico vasto e non professionale, per questo deve essere semplice da usare e avere interfacce molto intuitive; deve inoltre essere sicuro e non deve presentare pericoli per chi non ne conosce o comprende le potenzialità.
• Continuità di funzionamento: il sistema deve essere costruito pensando al fatto che dovrà offrire un servizio continuativo ed essere semplice da riparare anche per personale non esperto o, nell’eventualità di un guasto, essere riparabile in breve tempo, fornendo nel frattempo almeno un servizio ridotto.
• Basso costo: affinché un sistema domotico sia alla portata di tutti deve avere un costo contenuto, sia all’acquisto che in fase di manutenzione.
• Automatizzazione di azioni quotidiane: il sistema deve semplificare alcune azioni quotidiane, soprattutto quelle ripetitive, non deve in alcun modo complicarle. Ciò costituisce un indispensabile ausilio per tutte quelle persone che sono soggette a limitazioni funzionali, anche temporanee (disabili, anziani, coloro che hanno subito un incidente ecc.)

Tutte queste caratteristiche, se non sviluppate singolarmente ma nel loro insieme, portano alla creazione di un sistema domotico integrato che può semplificare la vita all’interno delle abitazioni.

La casa diventa intelligente non perché vi sono installati sistemi intelligenti, ma perché essi sono capaci di controllare e gestire in modo facile il funzionamento degli impianti presenti. Attualmente le apparecchiature tecnologiche sono poco integrate tra loro e il controllo è ancora ampiamente manuale; nella casa domotica gli apparati sono invece comandati da un unico sistema automatizzato che ne realizza un controllo intelligente.

Capitolo 2: Descrizione del progetto

L’idea

EH-1 nasce da un grande interesse personale per i sistemi automatici di controllo di ogni genere e per la fusione sempre più profonda tra l’uomo e il frutto delle sue ricerche tecnologiche. Al giorno d’oggi troviamo infatti una sempre maggior integrazione dell’elettronica nella nostra vita quotidiana, nel lavoro come nell’intimità della propria abitazione. Essendo sempre stato affascinato da questo fatto, ho scelto di affrontare personalmente la sfida di creare un sistema di gestione intelligente, moderno e aggiornabile, applicato a un piccolo modello di casa.

La pianificazione

Al fine di sviluppare un progetto adeguato a un esame di Stato ho ritenuto sufficiente sviluppare un sistema di supporto all’utente in grado di controllare, rivelare e condizionare a piacimento l’ambiente abitativo, proteggendolo inoltre da minacce esterne. Tutto ciò prevede quindi un display per l’interfaccia uomo-macchina, vari sensori di luce e temperatura e alcuni utilizzatori in grado di intervenire in base alle impostazioni e ai parametri rilevati. È inoltre necessario un sistema di sicurezza di base che richieda l’inserimento di un codice tramite un tastierino numerico per avere accesso alle varie funzioni.

Le nozioni necessarie alla realizzazione di una casa elettronica non sono in gran parte contenute nel programma svolto nel corso di elettronica e telecomunicazioni nella scuola secondaria superiore, quindi ho dovuto prevedere un lungo periodo di tempo dedicato esclusivamente allo studio e all’utilizzo delle tecnologie impiegate.

Il livello di difficoltà del progetto non rende infatti possibile la realizzazione di un sistema che rispetti le caratteristiche elencate nel capitolo 1 con la normale logica integrata usata nei laboratori scolastici. Ho quindi scelto di utilizzare come unità di controllo i “PIC” (Programmable Interface Controller) prodotti dalla casa statunitense Microchip Technology, in particolare il modello 18F2685 (vedi più avanti la scelta componenti).

Per ridurre le dimensioni del sistema di gestione della casa, e per abbassare i costi di produzione per un’ipotetica produzione in serie, è previsto l’utilizzo (per quanto possibile) di componenti in formato SMD, ovvero Surface Mount Technology (tecnologia a montaggio superficiale).

Le unità logiche di controllo

Si denomina “PIC” una famiglia di circuiti integrati a semiconduttore con tutte le funzioni di un microcontrollore. Ad oggi sono molto usati per il loro basso costo l’alto livello applicativo e la loro continua evoluzione tecnologica. Al loro interno troviamo diversi tipi di memoria integrata: memoria di programma, di Stack, RAM ed EEPROM, aggiornando l’obsoleta tecnologia CMOS in favore dell’odierna Flash. Sono inoltre presenti diversi moduli integrati di input/output paralleli e seriali, USART (Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter), oscillatore interno programmabile, convertitori ADC a 10 bit e canali PWM. Tramite appositi pin di programmazione è possibile scrivere sulla memoria di programma il listato di istruzioni esadecimali (comprensibili al microcontrollore) derivato da un programma scritto in linguaggio Assembly. Un grande vantaggio dei PIC consiste nell’esiguo numero di istruzioni necessarie alla sua programmazione (in media sono 33), ma ad oggi la gestione è semplificata ulteriormente dalla presenza sul mercato e in rete di software in vendita o gratuiti che consentono la scrittura di un programma in linguaggio C, convertendolo poi automaticamente in listato esadecimale.

I sistemi di controllo e automazione si possono fondamentalmente distinguere in due tipi; uno basato su un’unità di elaborazione centrale che permette di gestire tutte le attuazioni a partire dai risultati di rilevazione, e uno a struttura distribuita dove le interazioni avvengono localmente in maniera distribuita ed eventualmente comunicate a un’unità centrale per un controllo di coerenza generale. Ai fini del progetto ho scelto di suddividere le operazioni tra due PIC in costante contatto per l’implementazione delle funzioni più complesse. Uno prende il nome di CPU (Central Processing Unit), e si occupa della gestione del display, della misura della temperatura interna ed esterna della casa e del riscaldamento della stessa; svolge inoltre le funzioni di “master” nelle comunicazioni tra i due PIC. La seconda unità gestisce il sistema di sicurezza della casa, della rilevazione del livello luminoso dell’ambiente e della sua regolazione tramite emettitori luminosi a piacimento dell’utente; svolge inoltre le funzioni di “slave” nelle comunicazioni tra i due PIC.

Particolarità del progetto 2

Protocollo di comunicazione seriale I²C

I²C (o IIC), acronimo di Inter Integrated Circuit, è un sistema di comunicazione seriale bifilare utilizzato tra circuiti integrati.