Obiettivo: Accendere e spegnere tre LED tramite Raspberry via Server Java TCP/IP e Client Android.

Componenti:

• Raspberry Pi 3 Model B+ oppure Raspberry Pi 4
  Model B+
• N.1 LED Rosso
• N.1 LED Giallo
• N.1 LED Verde
• N.3 resistenze da 220 ohm

Teoria:

Alla base di questa esercitazione c’è Raspberry e la
libreria Pi4J.

Raspberry Pi 3 Model B+ è la versione finale della famiglia Raspberry Pi 3 (https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b-plus/).

Queste le caratteristiche:

• Broadcom BCM2837B0, Cortex-A53 (ARMv8) 64-bit SoC @ 1.4GHz
• 1GB LPDDR2 SDRAM
• 4GHz and 5GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth 4.2, BLE
• Gigabit Ethernet over USB 2.0 (maximum throughput 300 Mbps)
• Extended 40-pin GPIO header
• Full-size HDMI
• 4 USB 2.0 ports
• CSI camera port for connecting a Raspberry Pi camera
• DSI display port for connecting a Raspberry Pi touchscreen display
• 4-pole stereo output and composite video port
• Micro SD port for loading your operating system and storing data
• 5V/2.5A DC power input
• Power-over-Ethernet (PoE) support (requires separate PoE HAT)

Raspberry Pi 4 Model B è l’ultima versione di Raspberry (https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/).

Queste le caratteristiche:

• Processore
  1.5GHz quad-core 64-bit ARM Cortex-A72 CPU ( about 3x performance)
• 1GB,
  2GB o 4GB di LPDDR4 SDRAM
• Gigabit
  Ethernet
• Dual-band
  802.11ac wireless rete
• Bluetooth
  5.0
• 2
  porte USB 3.0 e 2 porte USB 2.0
• Supporto
  dual monitor, con risoluzione fino a 4K
• VideoCore
  VI Graphics supporta OpenGL ES 3.x
• 4Kp60
  hardware decode di HEVC video
• Compatibilità
  con i precedenti prodotti Raspberry Pi

Ed infine la libreria to Pi4J (https://pi4j.com/1.2/index.html).

Questa
libreria ha lo scopo di fornire un’API di I/O orientata agli oggetti implementata
per i programmatori Java per accedere alle funzionalità di I/O complete della
piattaforma Raspberry Pi. Questo progetto astrae l’integrazione nativa di basso
livello e il monitoraggio degli interrupt per consentire ai programmatori Java
di concentrarsi sull’implementazione della logica di business dell’applicazione.

Come funziona il progetto:

Il progetto è suddiviso in 2 gruppi, il server e il client.

Il server viene realizzato tramite Raspberry sul quale viene
fatto girare il Server TCP/IP Multithreading.

Il server in base a semplici comandi tipo “ON RED”, “OFF RED”,
“BLINK RED”, “ON YELLOW”, “OFF YELLOW”, “BLINK YELLOW”, “ON GREEN”, “OFF GREEN”,
“BLINK GREEN” tutti ovviamente senza virgolette, accende, spegne e fa
lampeggiare i vari LED collegati alle porte GPIO di Raspberry.

Il client invece è realizzato tramite Android Studio.

Il client ha una Activity contenente due Editbox per
digitare l’indirizzo IP e la porta di funzionamento del server e 11 bottoni in
grado di eseguire la connessione, accendere, spegnere, far lampeggiare i LED e
disconnettersi dal server.

È possibile anche utilizzare Putty da un qualsiasi PC, connettersi in modalità RAW all’indirizzo di Raspberry e alla porta 1050.

Schema Server:

Schermata Client:

Codice Sorgente:

Istruzioni installazione PI4J scrittura Server, compilazione ed esecuzione

Download Server TCP/IP Java

Download Client Android

Istruzioni per eseguire il server all’accensione di Raspberry come servizio

Obiettivo: Far suonare dei file MP3 di versi di uccelli tramite Arduino e lettore MP3 DFPlayer Mini visualizzando il numero della traccia su un display TM1637 e il nome il volume e lo stato su un display LCD 16×2 I²C con possibilità di cambiare la traccia tramite telecomando IR

Componenti:

• Arduino UNO
• 1 DFPlayer Mini
• 1 TM1637
• 1 Display LCD 16×2 I²C
• 1 Trasmettitore IR
• 1 Ricevitore IR

Teoria:

Alla
base di questa esercitazione c’è il modulo DFPlayer Mini

Sul sito del produttore è possibile studiare le principali informazioni che permettono di utilizzare in modo semplice il lettore.

Si possono notare il pinout a 16 pin di collegamento, necessario per interconnettere il DFPlayer mini a pulsanti per essere utilizzato senza microcontrollore, le alimentazioni, le uscite DAC per essere collegato ad un amplificatore esterno, e le uscite dirette ad un altoparlante.

Caratteristiche del modulo:

• Frequenze di campionamento supportate (kHz): 8 /
  11.025 / 12/16 / 22.05 / 24/32 / 44.1 / 48
• Uscita DAC a 24 bit, supporto per gamma dinamica
  90 dB, supporto SNR 85 dB
• Supporta pienamente FAT16, file system FAT32,
  supporto massimo 32G della scheda TF, supporto 32G di disco U, 64M byte
  NORFLASH
• Vasta varietà di modalità di controllo, modalità
  di controllo I/O, modalità seriale, modalità di controllo tramite pulsanti
• Funzione di attesa sonora pubblicitaria, la
  musica può essere sospesa. quando la pubblicità è finita nella musica continua
• Dati audio ordinati per cartella, supporta fino
  a 100 cartelle, ogni cartella può contenere fino a 255 canzoni
• 30 livelli di volume regolabile, 6 livelli EQ
  regolabili

Modalità di controllo

Sempre sul sito del produttore sono possibili vedere le tre modalità di funzionamento del lettore DFPlayer Mini che sono: Modalità Seriale, AD KEY Mode, I/O Mode.

Noi utilizzeremo la Modalità Seriale per interconnettere Arduino al modulo DFPlayer Mini e al tempo stesso utilizzare anche altri moduli quali Diplay LCD I²C 16×2, Display TM1637, Ricevitore IR

Una nota aggiuntiva deve essere anche posta al ricevitore IR che ci permetterà di acquisire il codice dal trasmettitore IR in grado di far avviare il file MP3 desiderato, spostandoci tra i file MP3, avendo la possibilità di mettere in pausa e in play il suono, alzare e abbassare il volume.

Cosa sono gli Infrarossi

La
radiazione infrarossa è una forma di luce simile alla luce che vediamo tutto
intorno a noi. L’unica differenza tra la luce IR e la luce visibile è la
frequenza e la lunghezza d’onda. La radiazione infrarossa si trova al di fuori
della gamma della luce visibile, quindi gli esseri umani non possono vederla.

Poiché l’infrarosso è un tipo di
luce, la comunicazione IR richiede una linea visiva diretta dal ricevitore al
trasmettitore quindi non è possibile trasmettere attraverso muri o altri
materiali come WiFi o Bluetooth.

Un tipico sistema di
comunicazione a infrarossi richiede un trasmettitore IR e un ricevitore IR. Il
trasmettitore ha l’aspetto di un LED standard, tranne per il fatto che produce
luce nello spettro IR invece che nello spettro visibile. Se si osserva la parte
anteriore del telecomando di un televisore, si vedrà il LED del trasmettitore
IR.

Il ricevitore IR è un fotodiodo e un preamplificatore che converte la luce IR in un segnale elettrico. I diodi del ricevitore IR in genere hanno questo aspetto:

Nel nostro caso è stato usato questo modulo preso nei soliti KIT per Arduino:

Schema elettronico

Preparazione Scheda MicroSD

La MicroSD card potrà essere di dimensioni massime di 32Gb è deve essere formattata con filesystem Fat16 o Fat32 oppure se possedete un Mac OS X, selezionare ExFat e poi puoi copiare i file MP3 che desiderate.
E’ conveniente che i file audio siano numerati per definirne l’ordine di esecuazione prograssiva. Al termine del trasferimento, si potrà estrarre la SD Card dal computer per puoi inserla nel DFPlayer mini.

Codice sorgente

Obiettivo: Realizzare una Pila con una Patata ed accendere un LED.

Componenti elettronici:

• 1 Patata
• 1 moneta da 5 centesimi (rame)
• 1 chiodo (zinco)
• Cavi
• 1 Led (opzionale – utilizzato per verificare il funzionamento della pila)
• 1 Multimetro (opzionale – utilizzato per verificare il funzionamento della pila)

Teoria: Dal punto di vista teorico, una pila è costituita da una soluzione elettrolitica nella quale sono immersi due differenti metalli (come ad esempio rame e zinco).
E’ importante considerare che ogni agrume possiede al proprio interno succhi che possono fungere da soluzioni elettrolitiche in quanto ricchi di ioni.
Per questo motivo, elementi come limoni, arance e patate possono essere facilmente trasformati in pile.

Procedimento:  Viene in seguito riportato un procedimento step by step per realizzare la pila utilizzando una patata

• Prima di iniziare, fare pressione con i palmi delle mani sulla patata appoggiata sul tavolo in modo schiacciarla e rompere i legami interni che producono il succo (questo permette di generare più energia).
• Introdurre alle due estremità della patata la moneta da 5 centesimi (è possibile anche utilizzare un chiodo di rame) ed il chiodo di zinco.
• Evitare che all’interno della patata i due elementi conduttori si tocchino tra di loro.
• Utilizzare il multimetro per determinare il livello di differenza di potenziale (tensione) prodotto.

Collegamento Circuitale:

Personalizzazioni: E’ possibile collegare più patate in serie al fine di incrementare il livello di tensione.

Obiettivo: Realizzare il primo sketch in grado di visualizzare dati sul Cloud

Componenti:

• Arduino MKR1010
• MKT IoT Carrier, che a sua volta include:
  Sensore di temperatura
  Sensore di umidità
• Cavo Micro USB

Link:

https://www.arduino.cc/
https://www.arduino.cc/education
https://create.arduino.cc/iot/things
https://create.arduino.cc/iot/dashboards/
https://create.arduino.cc/iot/dashboards/devices
https://create.arduino.cc/editor/

Obiettivo: Utilizzare il monitor seriale di Arduino per avviare una comunicazione dati Arduino-PC e comprendere se un pulsante funziona oppure no.

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• Pulsante
• Resistenza (1kOhm)

Prerequisiti

LED e Pulsante

Teoria: Non essendo disponibile un debugger per il controllore Arduino, l’utilizzo del monitor seriale rappresenta l’unica valida alternativa per comprendere i malfunzionamenti del codice scritto.
Il monitor seriale è uno strumento integrato nell’IDE di Arduino e nella piattaforma Tinkercad per visualizzare i dati ricevuti mediante comunicazione seriale.
La comunicazione seriale è una modalità di comunicazione tra dispositivi digitali nella quale i bit sono trasferiti lungo un canale di comunicazione uno di seguito all’altro. Nel caso specifico, la comunicazione avviene tra il Computer ed Arduino.
Le istruzioni per inviare messaggi da Arduino al Personal Computer sono due: Serial.begin e Serial.println

L’Inizializzazione della comunicazione avviene mediante l’istruzione:

Serial.begin(9600);

Questa istruzione deve essere inserita all’interno del corpo del setup e permette di impostare la comunicazione seriale definendo la velocità della comunicazione in bits per second (baud). 

La comunicazione vera e propria avviene invece mediante l’istruzione:

Serial.println(“Il valore del pulsante risulta:”);

Serial.println(valButton);

Nel primo caso viene stampato nel monitor seriale il testo: “Il valore del pulsante risulta:”. Mentre nel secondo caso viene stampato il valore della variabile valButton.
L’impiego delle println permette di capire il valore delle variabili e determinare il corretto funzionamento del circuito.
E’ possibile visualizzare i dati inviati da Arduino al PC cliccando sullo specifico tasto:

Collegamento Circuitale:

Codice: A seguire viene riportato il codice utilizzato per determinare se un pulsante è stato premuto oppure no. Questo permette di comprendere se un pulsante è stato montato in modo corretto. Nello specifico il codice utilizza la variabile di stato “valButton” per determinare lo stato del pulsante (premuto/non premuto).
Attraverso l’istruzione Serial.println(valButton) è possibile stampare sul monitor il valore della variabile.

Obiettivo: Determinare per quanto tempo un pulsante è stato premuto.

Componenti elettronici:

• Arduino UNO
• Breadboard
• Pulsante
• Resistenza (1kOhm)

Prerequisiti

Blinking Led Senza Delay: MILLIS()

Pulsante come Interruttore

Teoria: Poter misurare il tempo di pressione di un tasto può risultare utile in molte applicazioni. Infatti, questa informazione permette di discriminare le differenti modalità di iterazione con il pulsante come il click (tasto premuto) ed il long click (tasto premuto a lungo). Potere discriminare questi comportamenti permette di abilitare il pulsante a differenti funzioni. Ad esempio il single click potrebbe essere utilizzato per accendere un led mentre il long click potrebbe essere utile per farlo lampeggiare.
Dal punto di vista hardware il circuito necessario per realizzare questa applicazione è molto semplice ed è costituito dal singolo pulsante collegato a vcc e al ground mediante resistenza di pull-down.
Elemento centrale di questa esercitazione è la scrittura di un codice corretto che permetta di misurare esattamente lo scorrere quel tempo. Questo codice si basa sull’impiego di due elementi fondamentali:

• La funzione millis: questa funzione restituisce il numero di millisecondi che sono passati da quando la board Arduino ha eseguito il programma corrente. Questo numero si riazzera dopo circa 50 giorni. L’impiego di questa funzione è fondamentale per misurare il tempo di pressione del pulsante. Nel dettaglio, questa operazione può essere svolta semplicemente eseguendo la differenza tra le misure temporali prese quando il pulsante è premuto e quando il pulsante è rilasciato.
• La variabile di stato: questa variabile (di natura globale) permette di determinare quando un pulsante è premuto e quando il pulsante è rilasciato. Nello specifico grazie a questa variabile è possibile determinare un passaggio dallo stato logico basso a quello alto e viceversa.

Collegamento Circuitale:

Codice: A seguire viene riportato il codice utilizzato per determinare il tempo di pressione di un pulsante. Nello specifico il codice utilizza la variabile di stato “valButtonOld” per memorizzare lo stato del pulsante relativo al ciclo passato.
Quando i valori di “valButton” e “valButtonOld” differiscono, allora c’è stato un passaggio di stato.

ValButtonOld	ValButton	Evento
LOW	HIGH	Il pulsante è stato premuto
HIGH	LOW	Il pulsante è stato rilasciato

Nel caso specifico del passaggio di stato viene effettuata una misura del tempo trascorso mediante la funzione millis(). Per determinare il tempo trascorso basta semplicemente effettuare una differenza tra le due misure realizzate.

Personalizzazioni: E’ possibile modificare l’hardware introducendo due led. Quando il pulsante viene premuto per meno di un secondo deve accendersi il primo led, quando invece il pulsante viene premuto per più di un secondo deve accendersi il secondo.

Obiettivo: Invertire la polarità di un motore tramite pulsante (e relè DPDT)

Componenti elettronici:

• Arduino
• Relè DPDT
• Pulsante
• Motore DC 5V

Teoria: Uno dei problemi frequenti che si incontra quando si prova a pilotare un motore elettrico è quello di invertigli il senso di marcia. In commercio esistono molte tipologie di schede che permettono facilmente di controllare il senso di rotazione e la velocità di un motore a corrente continua. La maggior parte di esse monta uno o più relè DPDT, il cui funzionamento è illustrato in figura:

Una volta eccitata la bobina, il relè apre il contatto NC tra i pin 6-7 e 3-2 e apre quelli NA 5-7 e 4-2. I contatti 7 e 2 sono i COMUNI.

Nell’esempio trattato in questo articolo, un pulsante controlla l’impulso dato alla bobina e, una volta cliccato, la eccita commutando il relè.

Collegamento Circuitale:

Codice:

A seguire viene riportato il codice utilizzato:

Osservazioni:

1. Nel codice il pulsante è stato collegato al pin2 dichiarato come INPUT_PULLUP. Questa istruzione attiva sul pin la resistenza interna necessaria al funzionamento del pulsante.
2. Quello che succede è che, una volta premuto il pulsante, i collegamenti in viola al motore cambiano la polarità: il collegamento disposto più in alto passa da negativo a positivo, mentre quello in basso passa da positivo a negativo.

Obiettivo: Unboxing del kit Educational di Arduino Explorer IoT Kit

Componenti:

• Arduino MKR1010
• MKT IoT Carrier, che a sua volta include:
  2 relé 24V
  Slot scheda SD
  5 pulsanti touch
  Connettori plug-and-play per diversi sensori
  Sensore di temperatura
  Sensore di umidità
  Sensore di pressione
  Sensore UV
  Accelerometro
  Display RGB 1.20″
  Slot per batteria ricaricabile Li-Ion 18650
  5 LED RGB
• Cavo Micro USB
• Sensore di umidità
• Sensore a infrarossi passivo
• Cavi plug-and-play per tutti i sensori
• Accesso ad Arduino Create, una piattaforma online integrata che consente di scrivere codice, accedere a contenuti, configurare schede e condividere progetti
• Accesso alla piattaforma online dedicata con tutte le informazioni, le attività e i contenuti per usare il kit
• 10 lezioni hands-on passo-passo, che coprono tutti gli aspetti fondamentali legati all’IoT:
  Hardware
  Rete
  Algoritmi e programmazione
  Sicurezza
  Gestione dei dati
• 10 sfide aperte

Link:

https://store.arduino.cc/explore-iot-kit
https://www.campustore.it/arduino-education-explore-iot-kit.html

Obiettivo: Viene presentata una mappa concettuale di Arduino utile per studenti, DSA, BES, e curiosi vari.

E’ possibile scaricare la mappa in formato PDF qui.

Obiettivo: Comando di una campanella scolastica mediante un relè ed un pulsante.

Componenti elettronici:

• Arduino
• Campana Scolastica (4.5V e 150mA)
• Relè
• Pulsante
• Resistenza per pulsante (1kOhm)

Teoria: Uno dei problemi principali di Arduino è legato alla impossibilità apparente di comandare dispositivi che richiedono tensione e/o correnti elevate. Infatti, è importante considerare che Arduino, attraverso le sue istruzioni di digitalWrite può generare su uno specifico pin in uscita una tensione massima di 5 Volt con una corrente pari a 70 milliAmpere.
Nel caso specifico della campana scolastica, la corrente richiesta per il corretto funzionamento del dispositivo è pari a 125mA. Pertanto la possibilità di azionare mediante Arduino la campanella è vincolata dall’utilizzo di un componente elettromeccanico aggiuntivo denominato relè (in inglese relay). Il relè infatti può essere utilizzato come un interruttore (ad alta tensione) comandato elettronicamente (mediante digitalWrite).
Da un punto di vista fisico, il relè è costituto da un elettromagnete (costituito da una bobina di filo conduttore elettrico, tipicamente rame, avvolto intorno ad un nucleo di materiale ferromagnetico). Al passaggio di corrente elettrica nella bobina, l’elettromagnete modificherà la posizione di un contatto mobile aprendo o chiudendo il circuito ad esso collegato. Il contatto aperto quando la bobina non è alimentata prende il nome di normalmente aperto (NO); mentre, l’altro contatto, quello chiuso prende il nome di normalmente chiuso (NC).

Da un punto di vista elettronico, utilizzare un relè per comandare la Campanella scolastica mediante Arduino è una procedura particolarmente semplice. Il primo passo è quello di collegare, mediante il contatto normalmente aperto del relè, la campanella ad una sorgente di alimentazione esterna (come ad esempio il pin a 5Volt di Arduino il quale permette di erogare una corrente massima di circa 500mA). In seguito la bobina del relè viene collegata al pin digitale di Arduino impiegato per il controllo della campanella. Questo ci permette di modificare la posizione del contatto mobile del relè attraverso l’istruzione di digitalWrite con la quale la bobina può essere o non essere eccitata. In questo modo è possibile comandare la campana mediante una semplice istruzione.

Nel caso specifico, l’impiego di un pulsante permette di controllare l’attivazione della bobina e quindi il controllo della campanella.
A seguire viene riportato lo schema elettrico ed il codice utilizzato per il comando della lampada mediante relè.

Collegamento Circuitale:

Codice:

A seguire viene riportato il codice utilizzato:

Personalizzazioni:

E’ possibile introdurre un RTC per programmare l’orario della campanella.