Sistema di automazione

Il sistema di automazione per la serra intelligente è costituito da due componenti principali: il primo, basato su Arduino, si occupa della gestione dei vari sensori e attuatori presenti nella serra. Il secondo, basato sulla scheda NodeMCU Esp8266, si occupa della comunicazione via rete per permettere il monitoraggio e il controllo a distanza.

Lo schema del collegamento del circuito è visibile nella figura 1.

Analizzando le funzionalità che deve svolgere il sistema di automazione, sono stati identificati tre principali moduli, da cui ne deriva l’architettura:

• Modulo di rilevazione dei valori, è costituito dai sensori presenti all’interno della serra quali: la fotoresistenza, il sensore di temperatura e umidità e il sensore di umidità del suolo. Questi sensori raccolgono i dati ambientali all’interno della serra e li inviano al modulo di comunicazione;
• Modulo di esecuzione delle operazioni, si occupa di eseguire le operazioni richieste dal sistema per correggere i valori rilevati e mantenere le condizioni ambientali ottimali all’interno della serra. È costituito dai moduli di correzione quali: la lampada, la lampada termica, la pompa dell’acqua e il sistema di ventilazione;
• Modulo di comunicazione, è rappresentato dalla scheda NodeMCU con relativo modulo WiFi, e svolge il ruolo di intermediario per lo scambio di messaggi tra il sistema di automazione e il backend via rete.

Architettura a super-loop

L’architettura del sistema di automazione per la serra, utilizza una struttura a super loop, che prevede una prima fase di inizializzazione e una successiva di esecuzione di un ciclo a ripetizione continua.

Per capire meglio il comportamento seguito dal sistema durante il ciclo continuo, è possibile fare riferimento alla seguente figura 2, che mostra un diagramma degli stati il quale descrive il comportamento seguito da Arduino:

• Sensing, rappresenta lo stato in cui il sistema si occupa di raccogliere i valori rilevati dai sensori;
• Sending, una volta registrati i diversi valori dei sensori questi vengono inviati all’ESP;
• Listening, è lo stato in cui il sistema è in ascolto di eventuali messaggi provenienti dal Server ed inoltrati dall’ESP, che richiedono l’attivazione o disattivazione di particolari sistemi;
• Actuating, rappresenta lo stato in cui il sistema si occupa di effettuare l’operazione richiesta.

Desigin di dettaglio

La struttura principale del sistema di Arduino è gestita da uno Scheduler che controlla l’esecuzione dei diversi task, come rappresentato dalla figura 3. I task del sistema Arduino sono due: SensingTask, che si occupa di rilevare i valori dai sensori e ListenerTask, che si mette in ascolto delle richieste sulle diverse operazioni da compiere.

Per la realizzazione e programmazione dei diversi sensori, cercando di adottare i principi del Domain Driven Design, si è deciso di associare un’interfaccia generica ai diversi sensori e attuatori, che rappresentasse il parametro di riferimento e di implementare tale interfaccia mediante la classe specifica, che rappresenta il componente hardware.

Per capire meglio questo concetto, possiamo fare riferimento alla seguente figura (figura 4), che ci mostra il diagramma delle classi relativo alle componenti necessarie per regolare l’irrigazione.

In questo caso, abbiamo un’interfaccia generica Irrigation che determina quali sono i metodi che un sistema di irrigazione dovrebbe implementare; il nostro sistema di irrigazione, per il momento, è costituito da un pompa ad acqua, di conseguenza, l’interfaccia WaterPomp estende l’interfaccia generica Irrigation ereditando i suoi metodi ed infine, l’implementazione dell’interfaccia WaterPomp è effettuata dall’omonima classe.

L’architettura che è stata adottata, quindi, ci consente non solo di inserire i termini dell’ubiquitous language in modo efficacie all’interno del codice, ma ci dà anche la possibilità di aggiungere ulteriori sistemi di irrigazione in modo indipendente da quelli già esistenti. Nel caso il sistema dovesse evolversi, risulterà essere molto semplice andare ad apporre le modifiche di aggiunta o rimozione di un componente, all’interno della serra.

Per quanto riguarda la struttura del sistema basato sulla scheda NodeMCU, esso è progettato per gestire la comunicazione tra il sistema Arduino e il backend. Utilizza la comunicazione seriale per interfacciarsi con Arduino e il protocollo MQTT per comunicare con il backend. Ogni volta che vengono rilevati nuovi valori da parte dei sensori su Arduino, essi vengono inviati al backend attraverso il protocollo MQTT pubblicando messaggi su un argomento specifico. Il backend elabora i valori ricevuti e, se necessario, invia le operazioni che devono essere compiute dagli attuatori.

Nella seguente figura (figura 5) è possibile vedere le due componenti principali del sistema di comunicazione, che sono:

• Esp8266, la quale si occupa della connessione al broker MQTT e dell’ invio e ricezione dei massaggi ad Arduino;
• MsgServiceArduino, rappresentante la componente che viene utilizzata dal sistema per comunicare con Arduino attraverso il bus seriale.

Componenti Cloud

Per la realizzazione del progetto relativo all’ESP, si è deciso di utilizzare la piattaforma Arduino Cloud. Le funzionalità principali che questa piattaforma offre, sono le seguenti:

• Data Monitoring, consente di monitorare i dati relativi ai sensori di Arduino attraverso apposite dashboard;
• Variable Synchronisation, offre la possibilità di sincronizzare variabili fra i diversi dispositivi, abilitando la comunicazione fra questi scrivendo una quantità minima di codice;
• Scheduler, consente di schedulare diversi job attivandoli o disattivandoli per un certo quantitativo di tempo;
• Over-The-Air-Uploads, consente il caricamento di codice su dispositivi che non sono connessi al computer;
• Webhooks, da la possibilità di integrare il progetto con altri servizi, come ad esempiop IFTTT
• Amazon Alexa Support, consente di introdurre nel prorpio progetto il controllo vocale di Amazon Alexa;
• Dashboard Sharing, consente di condividere i propri dati con altre persone sparse nel mondo.

Per poter utilizzare Arduino Cloud, è necessario iscriversi alla piattaforma, una volta fatto questo è possibile registrare diverse “Things”, che si vogliono programmare e nel nostro caso si è proceduto alla registrazione dell’ESP relativa alla serra.

Una volta creata la propria “Thing” e impostato i parametri necessari per il Cloud, è possibile associare ad essa delle variabili Cloud, le quali danno la possibilità di registrare, modificare e visionare i valori attraverso la piattaforma.

Nel nostro caso sono state specificate otto varibili, quattro di sola lettura riferite ai parametri rilevati dai sensori e quattro riferite ai sistemi di attuazione alle quali è possibile accedere sia in lettura che in scrittura.

Per poter gestire al meglio i componenti del Cloud sono state create tre nuove classi (figura 8) :

• CloudVariableManager, il quale si occupa di mantenere il riferimento ai due diversi componenti che si occupano di gestire le variabili relative ai parametri e quelle relative ai sistemi di attuazione;
• CloudParameterHolder, che si occupa di gestire l’aggiornamento delle variabili relative ai parametri quando vengono notificati dei nuovi dati;
• CloudActuatorSystemHolder, il quale invece si occupa di aggiornare lo stato delle variabili relative ai sistemi di attuazione, ogni qual volta una nuova operazione viene compiuta.