I.T.I.S. Enea Mattei Sondrio
ESAME DI STATO A.S. 2011/2012
Sistemi di comunicazione wireless
Automobilina radiocomandata
Foppoli Andrea
Classe 5° E - INFORMATICA
Foppoli Andrea
Sistemi di comunicazione wireless Automobilina radiocomandata
Esame di Stato A. S. 2011/2012
Indice
- 1: Introduzione ---------------------------------------------------------------------- 2
o 1.1: Comunicazioni wireless --------------------------------------------- 3
o 1.2: Protocollo di comunicazione -------------------------------------- 8
o 1.3: Trasmissione seriale ------------------------------------------------- 9
- 2: Automobilina radiocomandata --------------------------------------------- 15
o 2.1: I microcontrollori: Arduino --------------------------------------- 16
o 2.2: Progettazione ---------------------------------------------------------- 18
- 3: Approfondimento: standard ZigBee e serie XBee -------------------- 24
o 3.1: Antenne e Onde Elettromagnetiche ----------------------------- 30
- 4: Fonti -------------------------------------------------------------------------------- 41
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1. Introduzione
Le reti wireless sono un’importante forma di comunicazione per molte attività, e con
il continuo miglioramento dei relativi sistemi ci si aspetta lo saranno sempre più,
soprattutto per le imprese.
Il mercato dei dispositivi wireless è stimato in continua crescita e il giro d’affari, di
300 milioni di dollari nel 1998, è passato ad 1,6 miliardi nel 2005.
Un tempo, a causa del costo degli apparecchi wireless, questa tecnologia veniva
utilizzata solo in caso di condizioni in cui l’uso di cavi era problematico o impossibile.
Man mano che i prezzi diminuiscono, però, le reti WLAN stanno entrando anche
nelle case, permettendo la condivisione di dati e dalla connessione internet
(mediante router e acces point) tra i computer di una famiglia.
Molti ritengono che la tecnologia wireless rappresenti il futuro della connettività.
Nella seguente trattazione andrò a presentare i principali protocolli e il
funzionamento dei sistemi di comunicazione wireless soffermandomi sul controllo
remoto di un dispositivo, un’automobilina radiocomandata.
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1.1 Comunicazioni wireless
In informatica e telecomunicazioni il termine wireless indica una comunicazione tra
dispositivi elettronici che non fa uso di cavi, differenti dai tradizionali dispositivi
basati su connessioni cablate detti wired.
Ogni sistema wireless è composto da un trasmettitore, un ricevitore e dagli elementi
incaricati alla trasmissione: antenne, laser, foto rilevatori. La comunicazione può
essere monodirezionale, bidirezionale half-duplex o bidirezionale full-duplex:
- monodirezionale: se il flusso dei dati trasmetti passa dal trasmettitore al
ricevitore;
- half-duplex (bidirezionale non simultaneo): fornisce una comunicazione in
entrambe le direzioni (da trasmettitore a ricevitore e viceversa), ma con la
possibilità di usare soltanto una direzione alla volta (non simultaneamente);
- full-duplex (bidirezionale simultaneo):come l’half-duplex permette la
comunicazione in entrambe le direzioni, ma diversamente la permette
simultaneamente.
Comunicazione Half-duplex
Comunicazione Full-duplex
La motivazione che spinge alla realizzazione di reti wireless è l’abolizione del
cablaggio che può risultare fastidioso, nei dispositivi a corto raggio per sovraccarico
di fili, oppure estremamente oneroso nel cablaggio di reti informatiche nel
medio/lungo raggio. Un singolo dispositivo si ricetrasmissione radio può invece
coprire un’ampia zona di utenza ad un presso di impianto notevolmente più basso.
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I principali standard di riferimento per la comunicazione wireless sono:
- Bluetooth : è uno standard di trasmissione dati per reti personali senza fili
(WPAN: Wireless Personal Area Network). Fornisce un metodo standard,
economico e sicuro per scambiare informazioni tra dispositivi diversi
attraverso una frequenza radio sicura a corto raggio. Bluetooth ricerca
dispositivi coperti dal segnale entro un raggio di qualche decina di metri e li
mette in comunicazione tra loro. Questi dispositivi possono essere ad
esempio palmari, telefoni cellulari, personal computer, portatili, stampanti,
fotocamere digitali, console per videogiochi.
- IrDA (infrarosso): è la radiazione elettromagnetica con una frequenza
inferiore a quella della luce visibile, ma maggiore di quella delle onde radio.
L’infrarosso è utilizzato come mezzo di trasmissione dati: nei telecomandi dei
televisori (per evitare interferenze con le onde radio del segnale televisivo),
tra computer portatili e fissi, palmari, telefoni cellulari e altri apparecchi
elettronici. IrDA è lo standard di trasmissione dati dati; telecomandi e
apparecchi IrDA utilizzano diodi emettitori di radiazione infrarossa, questa
viene messa a fuoco da lenti di plastica e modulata (accesa e spenta molto
rapidamente) per trasportare i dati. Il ricevitore usa un fotodiodo al silicio per
convertire la radiazione infrarossa incidente in corrente elettrica.
- IEEE 802.11 per le reti WLAN (Wi-Fi): Ilsimbolo Wi-Fi, termine con cui si
identificano i dispositivi 802.11, indica l’appartenenza del dispositivo stesso
alla Wi-Fi Alliance, che raccoglie numerosi costruttori di hardware (Cisco,
Netgear, Nokia, Intel, Broadcom, Philips, Asus). Wi-Fi indica la tecnica, e i
relativi dispositivi, che consente a terminali di utenza di collegarsi tra loro
attraverso una rete locale in modo wireless (WLAN) basandosi sullo standard
IEEE 802.11. A sua volta, la rete locale ottenuta può essere allacciata alla rete
Internet tramite un router ed usufruire di tutti i servizi di connettività offerti
da un ISP (Internet Service Provider).
Qualunque terminale di utenza (computer, cellulare, palmare) può
connettersi a reti di questo tipo se integrato con le specifiche tecniche del
protocollo Wi-Fi. IEEE 802.11 definisce un insieme di standard per le reti
WLAN.
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La prima versione venne presentata nel 1997 e venne chiamata 802.1y
(802.11legacy) , specificava velocità di trasmissione comprese tra 1 e 2 Mb/s e
utilizzava i raggi infrarossi o le onde radio nella frequenza di 2.4 GHz per la
trasmissione del segnale. La trasmissione infrarosso venne eliminata dalle
versioni successive dato lo scarso successo. Venne invece promossa la
trasmissione radio.
Poco dopo questo standard vennero realizzate delle evoluzioni che riunite e
migliorate portarono alla definizione dello standard 802.11b. la capacità di
trasmissione del nuovo standard arrivava fino a 11Mb/s e utilizza il Carrier
Sense Multiple Access (CSMA/CA) ; nessuna stazione trasmette se il canale è
occupato, se non lo è trasmette tutto il frame, a differenza del CSMA/CD che
rimane invece in ascolto, il protocollo utilizza frequenze nell’intorno dei
2.4GHz. In pratica il massimo trasferimento ottenibile è di 5,9 Mb/s in TCP e di
7,1 Mb/s in UDP.
Nel 2001 venne ratificato il protocollo 802.11a approvato nel 1999. Questo
standard utilizza lo spazio di frequenza nell’intorno dei 5 GHz e opera con una
velocità massima di 54 Mb/s. La velocità massima può essere ridotta a 48, 36,
24, 18, 9 o 6 se le interferenze elettromagnetiche lo impongono. Lo standard
definisce 12 canali non sovrapposti, 8 dedicati alle comunicazioni interne e 4
per le comunicazioni punto a punto. Quasi ogni stato ha emanato una
direttiva diversa per regolare le frequenze ma dopo la conferenza mondiale
per la radiocomunicazione del 2003 l'autorità federale americana ha deciso di
rendere libere secondo i criteri già visti le frequenze utilizzate dallo standard
802.11a.
Lo standard 802.11g venne ratificato nel giugno del 2003. Utilizza le stesse
frequenze dello standard 802.11b cioè la banda di 2,4 GHz e fornisce una
banda teorica di 54 Mb/s che nella realtà si traduce in una banda netta di
24,7 Mb/s, simile a quella dello standard 802.11a. È totalmente compatibile
con lo standard b ma quando si trova a operare con periferiche b deve
ovviamente ridurre la sua velocità a quella dello standard b.
Prima della ratifica ufficiale dello standard 802.11g avvenuta nell'estate del
2003 vi erano dei produttori indipendenti che fornivano delle apparecchiature
basate su specifiche non definitive dello standard.
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I principali produttori comunque preferirono aderire alle specifiche ufficiali e
quando queste vennero pubblicate molti dei loro prodotti furono adeguati al
nuovo standard. Alcuni produttori introdussero delle ulteriori varianti
chiamate g+ o Super G nei loro prodotti. Queste varianti utilizzavano
l'accoppiata di due canali per raddoppiare la banda disponibile anche se
questo induceva interferenze con le altre reti e non era supportato da tutte le
schede.
Nel gennaio 2004 IEEE ha annunciato di aver avviato lo studio di un nuovo
standard per realizzare reti wireless di dimensioni metropolitane. La velocità
reale di questo standard dovrebbe essere di 100 Mb/s (quella fisica dovrebbe
essere prossima a 524 Mb/s), quindi dovrebbe essere 5 volte più rapido del
802.11g e 40 volte più rapido dell'802.11b, 802.11n. La versione definitiva
dello standard è stata approvata l'11 settembre 2009 e la pubblicazione è
avvenuta il 29 ottobre 2009. 802.11n include anche la possibilità di utilizzare
la tecnologia MIMO (multiple-input multiple-output). Questo consentirà di
utilizzare più antenne per trasmettere e più antenne per ricevere
incrementando la banda disponibile utilizzando una multiplazione di tipo
spaziale. La specifica 802.11n ha la possibilità di operare sia nell'intorno dei
2.4 GHz sia nell'intorno dei 5 GHz. I prodotti che permettono questa
possibilità vengono chiamati "dual band" proprio perché trasmettono dai
2.4 GHz ai 5 GHz.
Standard
Frequenza
802.11 legacy FHSS, 2,4 GHz, IR
Velocità di trasferimento ( Mbit/s)
1, 2
802.11°
5,2, 5,4, 5,8 GHz
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
802.11b
2,4 GHz
1, 2, 5.5, 11
802.11g
2,4 GHz
1, 2, 5.5, 6, 9, 11, 12, 18, 24, 36, 48, 54
802.11n
2,4 GHz, 5,4 GHz 1, 2, 5.5, 6, 9, 11, 12, 18, 24, 36, 48, 54, 125
Tabella riassuntiva degli standard IEEE 802.11
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- WPAN (ZigBee): ZigBee è il nome di una specifica per un insieme di protocolli
di comunicazione ad alto livello che utilizzano piccole antenne digitali a bassa
potenza e basati sullo standard IEEE 802.15.4 per WPAN (Wireless Personal
Area Network, la WPAN è una PAN, Personal Area Network, che utilizza come
mezzo di trasmissione le onde radio). La relazione tra ZigBee e IEEE 802.15.4 è
simile a quella che c’è tra Wi-Fi e IEEE 802.11.
I protocolli ZigBee sono progettati per l’uso in applicazioni embedded (sistemi
elettronici di elaborazione a microprocessore progettati appositamente per
una determinata applicazione ovvero non riprogrammabili) che richiedono
una bassa velocità di trasmissione e bassi consumi.
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1.2 Protocollo di comunicazione
Un protocollo di comunicazione è un insieme di regole formalmente descritte,
definite al fine di favorire la comunicazione tra una o più entità. Tutte queste regole
sono implementate mediante specifici protocolli, a seconda delle entità interessate
e il mezzo di comunicazione.
Determinati protocolli, di rilevanza strategica internazionale, sono gestiti da
organismi quali il World Wide Web Consortium (W3C), oltre che da organismi
internazionali per gli standard, quali ISO/OSI. I protocolli più utilizzati sono:
- Transmission Control Protocol (TCP): è un protocollo di rete a pacchetto a
livello di trasporto;
- HTTP e HTTPS: principale sistema per la trasmissione di informazioni sul web;
- Internet Protocol (IP): un protocollo di rete a pacchetto su cui si basa la rete
Internet;
- User Datagram Protocol (UDP): è un protocollo a livello di trasporto a
pacchetto, usato di solito in combinazione con il protocollo IP.
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1.3 Trasmissione seriale
La trasmissione seriale è una modalità di comunicazione tra dispositivi digitali nella
quale le informazioni sono comunicate una di seguito all'altra e giungono
sequenzialmente al ricevente nello stesso ordine in cui le ha trasmesse il mittente.
Nonostante la maggior complessità architetturale e gestionale rispetto alla
trasmissione parallela, la modalità seriale è una delle più diffuse in ambito
informatico perché:
- richiede un minor numero di fili con conseguente riduzione dei costi
- è più tollerante rispetto alle interferenze e agli errori di trasmissione
Ovviamente, il circuito trasmissivo più semplice ha come contropartita una maggior
complessità di gestione.
- USB: La connessione tipo USB, Universal Serial Bus, è stata progettata negli
ultimi anni ed ha avuto una gran diffusione quale sistema di connessione a
breve distanza (massimo 5 m) fra le varie periferiche di un Personal
Computer.
- SATA: La connessione tipo SATA, Serial ATA (ATA: Advanced Technology
Attachment standard) è uno standard di connessione seriale per connettere
dischi rigidi (Hard Disk) all'interno di un computer.
- FireWire: La connessione tipo FireWire (IEEE 1394) viene comunemente usata
per collegare dispositivi di archiviazione o dispositivi di acquisizione video
I dispositivi digitali, come memorie e microprocessori, di norma lavorano con unità
minime di 4 o 8 bit. Nell'architettura dei primi processori, il meccanismo di
trasmissione dei dati da un dispositivo all'altro è stato quindi spontaneamente
progettato per trasportare i dati utilizzando un filo per bit, a cui vanno aggiunti una
connessione di massa e il segnale di clock per il coordinamento di tutte le
operazioni.
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- Modalità Sincrona: Come prima alternativa alla trasmissione parallela, è
possibile trasmettere su un singolo filo tutti i bit in sequenza sincronizzandoli
con un segnale periodico (clock) trasmesso con un altro filo.
Questa modalità, detta sincrona, richiede tre fili (segnale, clock e massa) e
permette alte velocità, ma, seppur potendo eliminare il filo di massa, usando
la terra, l'uso di un filo di sincronizzazione non la rende adatta, ad esempio,
all'uso di impianti già esistenti, come la rete telefonica o quella elettrica.
Per ovviare a questo devono venir usati dei MODEM (DCE) adatti alla
trasmissione dati in modo sincrono e connessi al terminale dati (DTE) tramite
una linea seriale sincrona tipo EIA RS232 o equivalenti.
- Modalità asincrona: Nella modalità asincrona il trasmettitore ed il ricevitore si
sincronizzano usando i dati stessi: il trasmettitore invia inizialmente un bit di
"partenza", poi il dato vero e proprio (tipicamente da cinque a otto bit, con il
bit meno significativo per primo), un bit opzionale di "parità", e infine un
tempo di "stop" che può avere diverse lunghezze tipiche (uno, uno e mezzo o
due tempi di bit).
Il bit di partenza è di polarità opposta alla condizione normale (space o 0).
Il bit di stop è di polarità normale (mark o 1) e crea uno spazio prima della
partenza del carattere successivo.
La modalità asincrona, in caso di trasmissioni di una certa lunghezza, usa i
segnali in modo molto meno efficiente della modalità sincrona, in cui, dopo
un preambolo di sincronizzazione, tutti i bit trasportano dati.
I primi dispositivi seriali, usati nelle telescriventi, erano dei commutatori
meccanici rotanti, che inviavano i caratteri codificati a 5 bit in formato Baudot
al posto del codice Morse. Più tardi, i caratteri vennero codificati usando 7 bit
nel formato ASCII. Quando l'IBM realizzò il primo computer, agli inizi degli
anni '60, basato su un'architettura a 8 bit, estese anche il codice per utilizzare
i 128 caratteri aggiuntivi disponibili: EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal
Interchange Code).
Nelle telescriventi meccaniche il bit di stop è spesso esteso a due tempi di bit,
per dare al meccanismo più tempo per terminare la stampa di un carattere.
Il bit di parità può essere dispari o pari o omesso.
Il bit di parità dispari è più affidabile in quanto assicura che vi sarà sempre una
transizione o un passaggio di dati, consentendo ai dispositivi di
risincronizzarsi.
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Attualmente il controllo di parità non è più usato, poiché il sistema è
inaffidabile, specialmente perché, con l'aumentata velocità di trasmissione un
possibile disturbo elettromagnetico può avere durata superiore al tempo
stesso di trasmissione di un bit.
In questo caso il sistema di controllo di parità darà falsi riscontri di "parità
soddisfatta", quando si ha la perdita (errore) di due bit aventi stesso valore (0
o 1).
Il controllo di esattezza dei flussi di dati è ora affidato al protocollo di
trasmissione e a verifiche di tipo CRC.
La maggior parte delle comunicazioni seriali asincrone oggi vengono
effettuate con un formato carattere di 8N1 (8 bit dati, nessuna parità, 1 bit di
stop). In questo caso ogni carattere sarà trasmesso usando un totale di 10 bit
(1 Start, 8 dati, 1 Stop).La velocità standard per un dispositivo seriale
asincrono dipende dal tipo di linee dati e si misura in bit per secondo (bps) o,
in alternativa, in simboli per secondo (baud).
Le trasmissioni seriali utilizzano differenti cablaggi e tensioni standard. Nella
modalità Full duplex sono consentite la trasmissione e la ricezione in
simultanea (es. telefono). Nella modalità Half duplex si consente invece una
trasmissione per volta, in una sola direzione (es. walkie-talkie).
Nel caso che andremo ad analizzare ci interessa creare un protocollo che traduca i
comandi che passiamo da tastiera e li invii (tramite antenna XBee) al
microcontrollore (Arduino); quest’ultimo invierà i segnali elettrici necessari al
funzionamento della automobilina.
Computer ed Arduino utilizzano due moduli a onde radio (XBee):
- emettitore: si collega al computer con una presa USB e viene riconosciuto,
come Arduino, come una porta seriale (nel nostro specifico caso la COM3).
- ricevitore: collegato direttamente sull’arduino tramite la sua shield.
Modulo XBee
Arduino XBee shield
USB XBee shield
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Quello riportato è il programma in C# che invia il comando ricevuto ad Arduino:
namespace WindowsFormsApplication1
{
public partial class Form1 : Form
{
public Form1()
{
InitializeComponent();
serialPort1.PortName = "COM3";
serialPort1.BaudRate = 9600;
serialPort1.Handshake = System.IO.Ports.Handshake.None;
serialPort1.Parity = System.IO.Ports.Parity.None;
serialPort1.StopBits = System.IO.Ports.StopBits.One;
serialPort1.Open();
}
private void Form1_KeyDown(object sender, KeyEventArgs e)
{
serialPort1.Write(e.KeyCode.ToString()+'$');
label1.Text = e.KeyCode.ToString();
}
}
}
- PortName: nome porta seriale (COM3);
- BaudRate: velocità di comunicazione seriale in baud (n° di simboli inviati in
un secondo);
- Handshake: scambio di dati all’apertura della comunicazione per regolare i
parametri di connessione;
- Parity: bit di parità (controllo e prevenzione errori);
- StopBits: intervallo di tempo per separare, temporizzare la connessione;
- serialPort1.Write(e.KeyCode.ToString()+'$'): l’emettitore
invia il codice del tasto premuto, più un carattere jolly ($) che servirà per far
capire all’Arduino che il segnale inviato è finito.;
- label1.Text = e.KeyCode.ToString(): visualizza a video il tasto
premuto.
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Riportiamo invece ora la funzione che permette ad Arduino di ricevere il segnale:
String leggi_stringa()
{
String text;
byte temp;
Serial.flush();
text = "";
do
{
if (Serial.available() > 0)
{
temp = Serial.read();
text += temp;
}
}
while ( temp!='$');
{
return text.substring(0,text.length()-1);
}
}
La funzione leggi_stringa() legge la stringa ricevuta dal PC carattere per carattere
fino a leggere il carattere $, quindi smette (altrimenti rimarrebbe in costante attesa
di caratteri da leggere).
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Il programma caricato su Arduino è il seguente:
#include <Servo.h>
Servo motore1;
Servo motore2;
String s;
String before = 0;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
motore2.attach(13);
motore1.attach(12);
}
String leggi_stringa()
{
String text;
byte temp;
Serial.flush();
//svuota il buffer
text = "";
do
{
if (Serial.available() > 0)
{
temp = Serial.read();
text += temp;
}
}
while ( temp!='$');
{
return text.substring(0,text.length()-1);
}
}
void loop()
{
s = leggi_stringa();
if(s=="Up") //avanti
{
motore1.write(180);
motore2.write(2);
before = "Up";
}
if(s=="Down") //indietro
{
motore1.write(2);
motore2.write(180);
before = "Down";
if(s=="Space") //fermo
{
motore1.write(94);
motore2.write(94);
}
if (s=="Right") //destra
{
if(before == "Up")
{
motore1.write(98);
motore2.write(84);
}
else
{
motore1.write(89);
motore2.write(104);
}
}
if (s=="Left") //sinistra
{
if(before == "Up")
{
motore1.write(104);
motore2.write(89);
}
else
{
motore1.write(84);
motore2.write(98);
}
}
}
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2. Automobilina radiocomandata
Presenterò ora il mio progetto: le varie fasi di costruzione e programmazione; prima
formulerò alcune osservazioni relative al mondo dei microcontrollori, in particolare
su Arduino.
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2.1 I microcontrollori: Arduino
I microcontrollori sono dei sistemi che integrano in un solo dispositivo tutti i circuiti
necessari alla realizzazione di un sistema digitale programmabile completo. In un
microcontrollore sono integrati oltre al microprocessore o ALU (Aritmetic Logic Unit)
anche altri componenti quali l’oscillatore (regola il CLOCK temporizzando il
microprocessore), il convertitore A/D (convertitore Analogico/Digitale), la RAM e la
memoria di programma o ROM ( può essere PROM, EPROM, EEPROM o FlashROM) e
una serie di interfacce di I/O standard.
Queste sue caratteristiche lo rendono particolarmente adatto per risolvere sistemi
di automazione; tali sistemi non necessitano di grandi velocità di calcolo, ma
piuttosto preferiscono la stabilità di lavoro, la robustezza e le dimensioni ridotte.
I microcontrollori sono quindi progettati per ottenere la massima autosufficienza
funzionale ed ottimizzare il rapporto prezzo-prestazioni per una specifica
applicazione, a differenza dei microprocessori impiegati nei personal computer,
adatti per un uso più generale.
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Fino a poco tempo fa costruire un circuito elettronico e programmare uno di questi
microcontrollori richiedeva conoscenze pari a quelle di un ingegnere elettronicco ma
nelgi ultimi anni si sono fatti sforzi continui per rendere questa operazione semplice.
Un esempio è Arduino.
Arduino ti permette di creare applicazioni che si interfacciano con la realtà. Puoi ad
esempio accendere led, comandare motori ed interfacciarti con altri componenti
elettronici.
Arduino è una piccola scheda elettronica che rende facile ed accessibile imparare a
programmare un microcontrollore.
Arduino
Oltre alla scheda elettronica, Arduino include anche un ambiente di sviluppo che ti
permette di creare e caricare i programmi (sketch) sul tuo Arduino collegato al PC
tramite una porta USB. L’ambiente di sviluppo è compatibile con PC, MAC, Linux ed
utilizza il linguaggio C.
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2.2 Progettazione
Come carrozzeria utilizzo quella di una vecchia automobilina, modificata
opportunamente per ospitare Arduino, i motori, la batteria e i pannelli solari.
Per muovere l’automobilina utilizzo due motori passo-passo a rotazione continua
alimentati direttamente da Arduino.
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La scelta è ricaduta su questo tipo di motori perché molto semplici da controllorare
e sono inoltre disponibili sul mercato a prezzi modesti.
Con una pila da 9V sarà possibile alimentare Arduino e, quindi, i motori.
Visione dei due motori passo-passo e dell’ impianto di alimentazione.
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Il comando ,trasmesso da Arduino, viene ricevuto dai motori tramite un cavetto
(giallo) mentre gli altri due sono la massa (nero) e l’alimentazione (rosso).
Il “cofano” ospita Arduino e l’antenna XBee.
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Ho deciso di utilizzare una batteria ricaricabile, direttamente dall’automobilina;
utilizzando due pannelli solari fotovoltaici da circa 6V l’uno, collegati in serie,
ottenendo quindi un totale di 12V, è possibile ricaricare la batteria.
Pannelli solari.
Non è possibile utilizzare direttamente i pannelli perché i tempi di carica e utilizzo
sono diversi; mentre Arduino ha bisogno subito di 9V, la batteria impiega diverse ore
di sole per ricaricarsi.
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Per impedire che la batteria ricarichi i pannelli ho utilizzato un diodo collegato tra il
positivo dei pannelli ed il positivo della batteria l’1N4007.
Collegamenti tra pannelli e batteria.
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I comandi vengono inseriti da tastiera e tramite il modulo XBee inviati all’Arduino.
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3. Approfondimento: standard ZigBee e serie XBee
Lo standard ZigBee si differenzia dal WiFi e dal Bluetooth principalmente per le sue
finalità. Più che per trasmettere dati o suoni, è concepito per il telecontrollo e il
monitoraggio ambientale, più in generale per applicazioni di Intelligent Building
(edilizia intelligente; è possibile, per esempio, controllare porte, finestre, luci, allarmi
di sicurezza e temperatura della nostra “casa intelligente” da un singolo dispositivo
di controllo remoto). Non interessa più la velocità di trasmissione ma l’affidabilità e
la costanza del collegamento a consumi ridotti.
I dispositivi ZigBee hanno la capacità di autoorganizzarsi, configurandosi
automaticamente in reti a maglia, in cui i vari nodi possono passarsa “a staffetta” i
messaggi (routing Multi-Hop, instradamento a salto multiplo) , permettendo così di
raggiungere portate molto più grandi di quelle del singolo dispositivo.
Lo standard ZigBee è uno stack di vari protocolli. La specifica IEEE 802.15.4 definisce
il livello fisico (PHY) e quello di accesso ai mezzi di comunicazione (MAC). Configura
un sistema wireless con velocità 250 Kd/s e portata intorno ai 10m, che può
adottare 3 diverse bande:
- 868.0-868.6 MHz, un unico canale, in Europa;
- 902-928 MHz, fino a 10 canali, nel Nord America;
- 2400-2483.5 MHz, fino a 16 canali, in tutto il mondo.
Dal punto di vista hardware è un sistema DSSS (sistema di trasmissione a frequenza
diretta), in modulazione QPSK, con sistema anticollisione CSMA/CA (specifiche simili
a quelle delWiFi 802.11.b) . Di particolare, l’ 802.15.4 aggiunge un controllo CRC a 16
bit ai pacchetti dati: il destinatario richiede la trasmissione di un pacchetto corrotto
fino a 3 volte, prima d’ informare la sorgente della presenza di un errore di
trasmissione.
Lo ZigBee è uno strato superiore ai protocolli che si innesta sull’802.14.4 e realizza i
livelli, a partire dal 3 in su, dello stack ISO/OSI.
I protocolli ZigBee comprendono un sistema di crittografia AES con chiave a 128 bit,
che garantisce un’elevata protezione dei dati.
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I moduli ZigBee operano su tre funzioni:
- ZigBee Coordinator (ZC): uno per rete, la definisce scegliendo il canale da
utilizzare e l’id di rete. Manda richieste all’intorno per scoprire se ci sono altri
moduli nelle vicinanze e se sono già inseriti in una rete; in questo modo può
scegliere un identificatore che non si confonde con quelli di altre reti a portata
di collegamento ( funge anche da router) .
- ZigBee Routers (ZR): nodi che “passano” i pacchetti lungo la rete e
permettono agli altri dispositivi di agiungersi alla rete se permesso.
- ZigBee End-Devices (ZED): costituiscono la periferia della rete, non
partecipano al routing. Se la loro funzione è tramettere, anziché ricevere (se
per esempio sono collegati a dei sensori) , possono stare in “sonno” e quindi
comunicare solo quando hanno qualche cosa da trasmettere,rendendo
possibile un forte risparmio energetico.
Il consumo dei moduli ZigBee è particolarmente basso, grazie al fatto che
l’allargamento della banda permette di lavorare con rapporti segnale/rumore bassi,
quindi con basse poenze irradiate. Inoltre nelle applicazioni di telecontrollo e
sensoristica ambientale non è necessario mantenere il collegamento
perennemene,maingenere bastano pochi secondi di funzionamento intervallati da
lunghi periodi di inattività. Questo permette di mantenere in stand-by i moduli che
non devono funzionare da router, e attivarli solo sul verificarsi di un evento esterno
o su temporizzazione di un timer interno.
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La serie XBee è il nome commerciale di una implementazione molto diffusa dello
ZigBee. Sono moduli dotati di 9 linee di input/output digitale, 5 di queste linee
possono essere, in alternativa, usate come ingressi analogici e interfacciarsi
direttamente ai sensori. Funzionano in banda ISM 2,4 MHz. possono essere di tre
diverse tipologie:
- antenna a baffo;
- antenna integrata;
- connettore di uscita in radiofrequenza, per connetterlo a sistemi d’antenna
più elaborati.
Il modulo XBee soddisfa la necessità di una rete a basso costo e a basso consumo,
pensata soprattutto per l'utilizzo con sensori.
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I moduli i possono trovare attualmente tre versioni dei moduli: la Serie 1, la Serie
2 e la Serie Pro con caratteristiche crescenti.
Questi moduli lavorano con una frequenza operativa di 2.4GHz e permettono di
raggiungere, a seconda del modello, coperture che vanno da 30mt (all’interno di
locali) oltre a 1500mt all’esterno per la versione XbeePRO; per un confronto delle
varie versioni dei moduli fare riferimento alla Tabella sotto riportata.
Con i moduli XBee è possibile compiere trasmissioni di tipo: Point-to-Point, Point-toMultipoint, Peer-to-Peer sia in modo Unicast che Broadcast; con velocità che
arrivano fino a 250Kbps.
Le ridotte dimensioni permettono altresì un notevole risparmio di spazio e cosa più
importante implementano una comunicazione seriale come quella presente sulla
porta RS232. Fisicamente tutte e tre le tipologie presentano una doppia fila di 10 pin
con passo 2 mm, la cui funzione è riportata in tabella:
Indoor/Urban range
Outdoor RF line-of-sight
range
Transmit Power Output
RF Data Rate
Receiver Sensitivity
Supply Voltage
Transmit Current (typical)
Idle/Receive Current
(typical 3.3V)
Power-down Current
Frequency
Dimensions
Operating temperature
Antenna Options
Number of Channels
Filtration Options
XBee Serie 1
XBee Serie 2
XBee Pro
Up to 30m
Up to 100m
Up to 40m
Up to 120m
Up to 90 m,
Up to 1600 m
1 mW (0dbm)
2 mW (+3dbm)
250 Kbps
-98dbm (1% PER)
63mW (18dBm)
-92dbm (1% PER)
2.8 - 3.4 V
45 mA (3.3 V)
50 mA
10 uA
-100 dBm (1% PER)
2.8 - 3.6 V
40 mA (3.3 V)
40 mA
250mA (3.3 V)
55mA
1 uA
ISM 2.4 GHz
< 10 μA
2.4cm x 2.8cm
-40 to 85 C
Chip, Integrated Whip, U.FL
16 Direct Sequence Channels
PAN ID, Channel & Source/Destination
2.4cm x 3.3 cm
12 Direct Sequence
Channels
PAN ID, Channel and
Addresses
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Piedinatura del modulo XBee
Tabella con indicazione dei pin
Pin
#
Nome
Input/output
Descrizione
1
VCC
-
Alimentazione +3.3V
2
DOUT
O
UART Data Out
I
UART Data In
3 DIN / CONFIG
4
DIO12
I/O
Digitale I/O 12
5
RESET
Input
Pin di Reset del modulo (impulso di reset deve essere di almeno 200
ns
6
PWM0 / RSSI /
DIO10
I/O
PWM Output 0 / Indicatore intensità del segnale RX / Digitale I/O 10
7 PWM / DIO11
I/O
Digitale I/O 11
8
[riservato]
-
Non connesso
9
DTR /
SLEEP_RQ/
DIO8
I/O
Pin Sleep Control Line or Digitale I/O 8
10
GND
-
Terminale di massa
11
DIO4
I/O
Digitale I/O 4
12
CTS / DIO7
I/O
Clear-to-Send Flow Control or Digitale I/O 7
13
ON / SLEEP /
DIO9
Output
Module Status Indicator or Digitale I/O 9
14
[riservato]
-
Non connesso
15
Associate /
DIO5
I/O
Associated Indicator, Digitale I/O 5
16
RTS / DIO6
I/O
Request-to-Send Flow Control, Digitale I/O 6
17
AD3 / DIO3
I/O
Input analogico 3 o Digitale I/O 3
18
AD2 / DIO2
I/O
Input analogico 2 o Digitale I/O 2
19
AD1 / DIO1
I/O
Input analogico 1 o Digitale I/O 1
I/O
Input analogico 0 o Digitale I/O 0 oppure Commissioning Button
AD0/DIO0/
20 Commissioning
Button
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Diversi sono i vantaggi di questi moduli:
- Il primo grande vantaggio consiste nel fatto che i moduli XBee sono
bidirezionali, parecchi sistemi economici a 433MHz sono unidirezionali, con
questo sistema il trasmettitore non ha idea se il ricevitore stia ricevendo i dati
o meno.
I moduli XBee trasmettono e ricevono i dati in entrambe le direzioni, in questo
modo e' possibile testare facilmente (da entrambe i lati) se il sistema sta
funzionando correttamente.
- Il secondo vantaggio consiste nell'indirizzamento univoco di questi moduli.
Ogni XBee ha un numero seriale univoco, questo significa che 2 o più unità
possono essere settate per parlare esclusivamente tra loro, ignorando tutti i
segnali di altri moduli.
- Il terzo vantaggio consiste nella logica precostruita all'interno dei moduli
XBee, infatti sono già implementati tutti i necessari controlli tipici di una
trasmissione wireless, quali ad esempio l'error checking.
Infine il protocollo XBee consente diversi numeri di canali, settando differenti
unità in differenti canali, possono essere minimizzate eventuali interferenze.
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3.1 Antenne e Onde Elettromagnetiche
- Onde Elettromagnetiche
Consideriamo un conduttore filiforme percorso da corrente i, per la legge di
Ampere si origina un campo magnetico nel piano perpendicolare al
conduttore.
Per la legge di Faraday la variazione del campo magnetico genera un campo
elettrico concatenato e perpendicolare al flusso magnetico.
E= ∆ α / ∆ t
E: campo elettrico [V/m]
H: campo magnetico [A/m]
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Se si effettua il prodotto vettoriale tra campo elettrico e campo magnetico si
ottiene un terzo vettore S; vettore di pointing.
S=EɅH
La direzione e il verso indicano la propagazione nello spazio, il valore S [W/m2]
la potenza elettromagnetica.
I due campi , sono legati dall’impedenza caratteristica del mezzo attraversato:
Z0 = E/H
Z0 dipende dalle proprietà elettriche e magnetiche del mezzo attraversato:
Z0 = √(µ/Ɛ)
µ: permeabilità magnetica
Ɛ: costante dielettrica
Z0 nel vuoto vale 377Ω.
Avendo la stessa natura della luce, le onde elettromagnetiche, si propagano
nello spazio a una velocità di:
C = 1/√(Ɛ µ) = 1/√(Ɛ0 Ɛr µ0 µr) = [1/√(Ɛ0 µ0)] [1/√(Ɛr µr)]
[1/√(Ɛ0 µ0)]: velocità della luce; C0 = 3 10^8
[√(Ɛr µr)]:indice di rifrazione; n
Ɛ0: 8.85 10^(-12) [F/m]
µ0: 1.25 10^(-6) [H/m]
C = C0 / n
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- Classificazione delle onde elettromagnetiche
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- Propagazione delle onde Elettromagnetiche nell’Atmosfera
Idealmente, nello spazio, le onde elettromagnetiche si propagano in maniera
rettilinea, mentre nell’atmosfera terrestre la propagazione dipende dalle
frequenze e dagli strati, d’atmosfera, attraversati.
L’atmosfera si divide quindi nel seguente modo:
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- Antenne
I dispositivi che permettono di irradiare le onde magnetiche nello spazio sono
le antenne. Esse, sono in grado di intercettare le onde e trasformarle in
segnali elettrici.
Per le antenne valgono due principi fondamentali:
o Reciprocità: la proprietà di radiazione di un’antenna rimane inalterata
in trasmissione e in ricezione.
o Immagini elettriche: il piano di massa, o un piano conduttore, posto
perpendicolarmente rispetto all’antenna raddoppia l’effetto di
radiazione.
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- Antenne a Dipolo Hertziano e Marconiano
Se si aprono i due conduttori di 90°, le onde di corrente I e di tensione V
generano a loro volta delle onde di campi magnetici ed elettrici.
Le onde generate si diffondono in tutto lo spazio con conseguente
diminuzione della densità di potenza. Se, viceversa, la medesima antenna
viene investita da un flusso di onde elettromagnetiche, nei conduttori si
otterranno segnali di corrente I e tensione V, proporzionali alla potenza dei
campi magnetici ed elettrici ricevuti.
Per massimizzare la corrente I che percorre l’antenna, occorre dimensionare
la lunghezza di ciascun conduttore ad ¼ della lunghezza d’onda λ. Quindi la
lunghezza totale L dell’antenna sarà λ/2. Questa antenna si chiama dipolo
Hertziano o dipolo a λ/2.
Guadagno G = 1.65
Si definisce resistenza di radiazione Rr il rapporto tra la potenza irradiata
dall’antenna ed il quadrato della corrente I efficace fornita dal generatore.
Rr = Pr / Ieff2 = 73Ω
Mediante lo studio della propagazione si ricava che per il dipolo Hertziano la
resistenza di radiazione Rr vale 73Ω.
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Un’altra antenna filiforme è il dipolo Marconiano o dipolo a λ/4.
Guadagno G = 3.3
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- Antenna Isotropica
Se emette radiazioni in maniera omogenea in tutte le direzioni dello spazio,
un’antenna, si dice Isotropica.
In questo caso, il fronte delle onde ha la forma di una sfera avente il centro
presso un’antenna.
Più l’onda si propaga, più la potenza P si distribuisce su una sfera più grande,
per cui ad una distanza α dall’antenna, si ha una densità di potenza pari a:
S = Pr / 4πd2
Pr: potenza trasmessa
4πd^2: superficie
S=EɅH
Ogni antenna reale ha delle direzioni privilegiate in cui i campi
elettromagnetici sono più intensi. Queste caratteristiche vengono descritte
mediante diagrammi di radiazione che rappresentano l’intensità del campo
ad una distanza fissa, al variare dell’angolo di propagazione.
λ/2 -> 78°
λ/4 -> 39°
L’apertura dell’angolo entro cui la densità di potenza emessa non scende al di
sotto di 3dB (al di sotto del 50%) rispetto al suo valore massimo, si dice
angolo di radiazione o apertura del fascio.
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La maggior potenza emessa nella direzione di massima propagazione viene
calcolata mediante il guadagno di antenna, indicato con G, definito come
rapporto tra la potenza isotropica (potenza che dovrebbe avere un’antenna
isotropica per irradiare con la stessa densità di potenza dell’antenna
considerata) e la direzione trasmessa nella direzione di massima
propagazione.
G = Piso / Pr
Piso: è chiamata EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) e viene espressa in dBW (dBW = dBm - 30dB)
Analizzando i diagrammi di radiazione delle antenne a dipolo si ricava che, per
il dipolo Hertziano il guadagno G vale 1.65, mentre per il dipolo Marconiano è
il doppio, G = 3.3 . Per avere guadagni maggiori si utilizzano tipologie di
antenne di forme diverse o formate da un allineamento di più dipoli.
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- Collegamento tra Antenne
Per calcolare quanta potenza viene ricevuta si utilizza l’area o apertura
efficace Ae dell’antenna che esprime una superficie fittizia all’interno della
quale il fronte d’onda trasmesso viene captato. La sua ampiezza dipende sia
dalla direttività G dell’antenna che dalla lunghezza d’onda λ del segnale
intercettato.
Ae = (λ2 / 4π) G
La potenza ricevuta dall’antenna posta ad una distanza d dall’antenna
trasmittente è uguale alla potenza trasmessa fratto la superficie della sfera
moltiplicato per il guadagno dell’antenna trasmittente e l’area equivalente.
Pr = (Pt / 4πd2) Gt Ae = (Pt / 4πd2) Gt (λ2 / 4π) Gr = (λ / 4πd)2 Pt Gt Gr
λ=C/f
(λ / 4πd)2: attenuazione dello spazio libero (ASL)
ASL = Pt / Pr = (λ / 4πd)2 = (4π / C)2 d2 f2
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- Antenna Parabolica
La sua caratteristica è di avere una superficie di forma parabolica che, per le
sue proprietà geometriche, riflette nel fuoco tutte le onde parallele al suo
asse e/o viceversa.
Poiché l’antenna è molto direttiva e dotata di un elevato guadagno è utilizzata
per la trasmissione satellitare dove i disturbi e le attenuazioni dovute allo
spazio libero sono elevate.
Il guadagno dipende dal diametro D del disco riflettente, dall’apertura del
fascio emesso dal riflettore e la levigatezza o rugosità della superficie.
Rugosità < 1/8 λ
Ageometrica = πd2 / 4 = πr2
Aefficace = η πr2
0,4 < η < 0,7: efficienza di riflessione (eta)
Ae = (λ2 / 4π) G
G = Ae (4π / λ2) = η π D2 / λ2
σ = 70° λ/d: apertura del fascio (Att = ASL / G2)
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Bibliografia
- Appunti lezioni di Elettronica sulle Antenne e le Onde Elettromagnetiche
- Testo “Telecomunicazioni” edizione: Tramontana; autori: E. Ambrosini, P.
Maini, I. Perlasca:
o capitolo sullo standard ZigBee e serie XBee.
- It.wikipedia.org :
o comunicazioni wireless;
o protocollo di comunicazione;
o trasmissione seriale.
- www.arduino.cc:
o homepage del sito ufficiale di Arduino.
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