Idea nata da una piccola disavventura
Vi è mai capitato di essere fuori casa e di scoprire al vostro rientro che c’è stato un guasto dell’impianto che ha causato un blackout nel vostro appartamento?
A noi purtroppo è successo e da questo evento è nata l’idea per un nuovo progetto da condividere con il nostro pubblico.
In questo articolo usiamo il nostro caro circuito SIM800L. Non ci dilungheremo sul suo funzionamento perché abbiamo già detto tutto in questo articolo: Guida completa modulo GSM SIM800L
Iniziamo con le basi
Prima di tutto facciamo qualche premessa di carattere generale sulle caratteristiche fondamentali di questo dispositivo.
Queste sono le caratteristiche di base di un dispositivo che invia un SMS in caso di blackout:
- Rilevamento dell’interruzione: Il dispositivo è costantemente collegato alla rete elettrica e monitora la tensione. Quando questa scende al di sotto di una certa soglia, rileva l’interruzione di corrente.
- Invio del messaggio: Una volta rilevato il blackout, il dispositivo è programmato per inviare un messaggio SMS a uno o più numeri di telefono precedentemente impostati. Il messaggio può contenere informazioni come l’ora esatta dell’interruzione e, in alcuni modelli, anche la durata.
- Ripristino: Quando la corrente torna, il dispositivo può inviare un secondo messaggio per segnalare il ripristino e, eventualmente, la durata totale dell’interruzione.
- Alimentazione: Affinché il dispositivo possa funzionare anche durante un blackout e inviare l’SMS, è dotato di una batteria interna che si ricarica quando è presente la corrente.
Ovviamente non vi nasconderemo che esistono in commercio dispositivi già pronti…
Ma non saremmo qui (e neanche voi!) se non volessimo progettarne uno da zero, tutto nostro, in modalità DIY.
Hardware
Arduino Nano
Arduino Nano è una piccola ma potente scheda elettronica, ideale per progetti fai da te. Compatta e versatile, è perfetta per chi inizia nel mondo dell’elettronica. Con i suoi numerosi pin di input/output, offre numerose possibilità di creazione. Noi la utilizziamo spesso nei nostri progetti perché è facile da inserire in una PCB anche di piccole dimensioni. Di solito usiamo la versione “commerciale” perché è una scheda molto piccola e priva delle protezioni tipiche delle sorelle maggiori, motivo per cui è molto facile bruciarla facendo prototipi ed esperimenti. Ha lo stesso integrato dell’originale Arduino ATMEGA328P. Tuttavia, il convertitore USB – Seriale utilizza i chip CH340G e i driver per questo Chip non sono compresi nell’installazione dell’IDE di Arduino. Motivo per cui dovranno essere installati separatamente. In questo articolo https://www.makerslab.it/installare-i-driver-per-il-modulo-ftdi-ch340g-per-i-cloni-di-arduino/ trovate le informazioni e i link per scaricare e installare i driver per il CH340G.
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Interfaccia BMS usb 5V per batteria LIPO
Il sistema deve funzionare in assenza di corrente dalla rete elettrica e pertanto, oltre ad una batteria, ha bisogno di un sistema di ricarica della stessa. In questo progetto abbiamo deciso, per semplicità, di collegarci alla rete tramite un banale alimentatore per ricaricare uno smartphone e una scheda di ricarica con interfaccia USB 5V per ricaricare la batteria LiPo. Questa interfaccia include circuiti di protezione per prevenire sovraccarichi e cortocircuiti, garantendo la sicurezza della batteria durante la ricarica.
Oltre a ricaricare la batteria, sarà il punto di ingresso per l’alimentazione di tutto il nostro sistema e dai suoi contatti dell’ingresso a 5V, tramite il fotoaccoppiatore, “leggeremo” la presenza di tensione e attiveremo l’allerta SMS in caso di interruzione di corrente.
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Modulo step up 5V MT3608
Il circuito MT3608 è un convertitore DC-DC step-up compatto e efficiente. Trasforma una tensione di ingresso bassa in una tensione di uscita più alta, ideale per alimentare dispositivi che richiedono più tensione di quella fornita dalla batteria e per aumentare quindi le tensioni al livello desiderato. Il convertitore di tensione MT3608 elabora tensioni di ingresso nell’intervallo di 2-24 volt e restituisce tensioni in di uscita tra 2-28V tramite regolazione per mezzo di un potenziometro.
Questo modulo ci serve per alimentare Arduino a 5V utilizzando la tensione della batteria che invece è a 3.7V.
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Fotoaccoppiatore a transistor PC817
Il PC817 è un popolare fotoaccoppiatore a transistor utilizzato per isolare elettricamente due circuiti. Questo componente permette di trasmettere segnali da un circuito all’altro senza una connessione fisica diretta, proteggendo così i dispositivi da sovratensioni e cortocircuiti. Il PC817 è composto da un LED e un fototransistor all’interno dello stesso package, e trova ampio impiego in applicazioni come controllo industriale, automazione e interfacciamento tra microcontrollori e circuiti esterni.
Lo useremo per convertire la presenza/assenza di tensione in input dall’alimentatore di rete in un input logico che il microcontrollore utilizzerà per attivare le routine garantendo la separazione fisica del circuito.
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Batteria LIPO
Le batterie LiPo da 3.7V sono celle al litio-polimero leggere e ad alta densità energetica, molto utilizzate in dispositivi elettronici portatili. Offrono un’alta tensione nominale e una capacità che varia a seconda delle dimensioni. Richiedono una gestione attenta per evitare sovraccarichi e cortocircuiti che potrebbero causare danni o incendi, motivo per cui utilizziamo un BMS con interfaccia USB 5V.
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Modulo GSM SIM800L
Il SIM800L è un modulo GSM/GPRS compatto e versatile, ideale per aggiungere funzionalità di comunicazione wireless ai tuoi progetti. Supporta chiamate vocali, invio SMS, trasmissione dati GPRS e molto altro. È facile da integrare con microcontrollori come Arduino e viene utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, dall’IoT all’automazione domestica. Grazie al suo basso consumo energetico e alle dimensioni ridotte, è perfetto per progetti portatili e autonomi.
Non entreremo nel dettaglio e rimandiamo alla nostra guida per chi volesse saperne di più: Guida completa modulo GSM SIM800L
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Descrizione del funzionamento
Questo è, in estrema sintesi, il workflow che descrive il funzionamento del dispositivo. Di solito parto da questo per poi sviluppare il software.
Misurazione della tensione:
- Misurazione: siccome lavoriamo su un dispositivo alimentato da un trasformatore a 5V, non abbiamo bisogno di un vero e proprio sensore di tensione. Ci è sufficiente sapere solo se è presente o meno.
- Conversione Analogico-Digitale (ADC): Il valore analogico della tensione viene convertito in un segnale digitale comprensibile dal microcontrollore attraverso il fotoaccoppiatore a transistor PC817. Avremmo potuto utilizzare un banalissimo partitore di tensione ma con il fotoaccoppiatore garantiamo la separazione fisica dei circuiti e abbiamo un dispositivo più raffinato.
Rilevamento interruzione:
- Lettura del valore logico della tensione: Il fotoaccoppiatore fornisce un valore logico (1) in input al microcontrollore quando è presente la tensione. Al contrario, in assenza di tensione, il fotoaccoppiatore fornisce un valore logico (0).
- Confronto Continuo: Il microcontrollore controlla costantemente il valore digitale della tensione misurata.
Generazione di Allarme:
- Verifica condizione di Allarme: Se il valore in input differisce da quello impostato in caso di presenza di tensione, il microcontrollore rileva una condizione di allarme
- Invio SMS: grazie alla batteria, il microcontrollore è in grado, attraverso il modulo GSM, di inviare un SMS di allarme.
Schema elettrico
Questo è lo schema elettrico generale delle connessioni (sia immagine che pdf scaricabile)
Ora analizziamo i blocchi funzionali singolarmente nell’ordine del loro coinvolgimento
Gestione batteria e connessione rete
Per prima cosa abbiamo bisogno dell’alimentazione. Vediamo nel dettaglio come funziona questa parte del dispositivo.
- Il modulo di gestione batteria (BMS) USB/5V riceve corrente (2A) e tensione (5V) dalla rete attraverso un normalissimo trasformatore per smartphone sui pin 1 e 2 (in realtà attraverso l’apposita porta USB-C).
- La batteria è connessa ai pin 4 e 5. Attraverso questi pin verrà ricaricata dal modulo quando è presente la corrente in rete e, al contrario, fornirà corrente (1.1A) e tensione (3.7V) al nostro dispositivo in assenza di corrente dalla rete. Attenzione, il modulo SIM800L, in determinati contesti, arriva ad assorbire anche 2A.
- Il modulo fornirà sempre una tensione (sui pin 3 e 6) pari a quella della batteria (VCC = 3.7V), anche in presenza di corrente dalla rete. Non è dotato di uno step-up integrato. Questa VCC di 3.7V è sufficiente ad alimentare il modulo SIM800L.
Step-up e microcontrollore
Come dicevamo nel paragrafo precedente, per avere una tensione di 5V per l’alimentazione del microcontrollore abbiamo inserito uno step-up MT3608 che ha il compito (esclusivo) di innalzare la tensione di 3.7V ai 5V.
Optoaccoppiatore PC817
Fino a questo punto era abbastanza semplice. Ora introduciamo il nostro optoaccoppiatore PC817 che richiede qualche approfondimento.
Il PC817 è composto da due parti principali: un LED e un transistor. Quando il LED viene illuminato, il transistor conduce la corrente. Questa caratteristica lo rende perfetto per isolare un segnale elettrico da un altro, evitando interferenze.
Il led del fotoaccoppiatore è collegato ai pin 1 e 2 del modulo BMS che, in presenza di corrente dalla rete elettrica, si illumina. Il LED del fotoaccoppiatore ha una polarità ben precisa. Il catodo deve essere collegato al polo negativo dell’alimentazione. La resistenza in serie al LED (non presente nello schema) serve a limitare la corrente che lo attraversa. Il valore della resistenza dipende dalla tensione di alimentazione e dalla corrente massima consentita dal LED. Questi dati sono presenti nel datasheet del PC817 che trovi qui:
Essendo la prima volta che utilizzavo questo circuito, ho fatto diverse ricerche e diverse simulazioni utilizzando lo stesso software per la progettazione dei circuiti.
Questo è il risultato finale (utilizzando un ideale generatore di tensione a 5V a scopo simulativo.
Ricordatevi che cambiando R2 si modifica anche la tensione misurata sui pin 3 e 4 del PC817.
Abbiamo impostato una R2 di 1.1K in modo da ottenere sulla porta digitale di ingresso di Arduino un valore di circa 450mV, sufficiente ad essere interpretata come valore HIGH ma non pari al massimo previsto dalle specifiche del microcontrollore.
Modulo GSM SIM800L
Software
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