Stima WiFi V3¶
Citizen Science // Progetto RMAP // La Stazione STiMA
Stazione Stima // Hardware // Sensori
Configurazione // Firmware + Software // Python + Json // NodeRed
Introduzione¶
Stima Wi-Fi è una stazione di monitoraggio ambientale, uno strumento che misura in modo continuativo, a intervalli regolari, alcuni parametri chimici e fisici che caratterizzano l’inquinamento e le proprietà dell’ambiente in cui viviamo.
Non è una stazione di rilevamento meteorologico che segue i rigorosi standard dell’organizzazione meteorologica mondiale. I criteri per la sua installazione sono diversi e meno stringenti da quelli da seguire per la messa in opera e l’uso di queste ultime ma bisogna comunque prestare una certa attenzione nel suo assemblaggio. Non si tratta solamente di un problema di nomenclatura, perché i parametri analizzati, lo scopo ed i criteri di messa in opera sono molto differenti. Il kit di autocostruzione è progettato per poter essere assemblato senza richiedere particolari capacità o competenze, giusto un po’ di attenzione e manualità.
Messa in opera della stazione¶
La messa in opera della stazione può essere affrontata in più fasi, dopo aver assemblato la scheda elettronica ed averla posizionata nel proprio guscio bisognerà configurare la stazione, registrarla presso il sito che raccoglierà i dati per una prima elaborazione ed installare la stazione in una posizione individuata in precedenza.
In queste pagine tratteremo sommariamente queste operazioni preoccupandoci di dare delle direttive di massima su cosa fare e su materiali e strumenti necessari alla corretta esecuzione delle procedure necessarie alla messa in opera.
Assemblaggio scheda elettronica¶
La prima fase della messa in opera presuppone l’assemblaggio del modulo di sistema, la parte della stazione che si occupa di consultare periodicamente i sensori installati e di inviare i campionamenti al server centrale.
A seconda del kit utilizzato, potrebbe essere necessario utilizzare un saldatore a stagno per installare i connettori a pettine necessari a collegare tra loro i vari componenti ed assemblare i cavi di connessione (il progetto prevede che connettori e cavi siano preassemblati ma nulla vieta, per chi avesse tra gli obiettivi di migliorare la confidenza con la saldatura di componenti elettronici di utilizzare il kit senza il servizio di saldatura).
I diversi moduli dovranno essere collegati tra di loro rispettando la polarità. Prima di procedere alla connessione dei sensori, bisognerà controllare che il sistema funzioni attivandolo tramite l’alimentatore in dotazione oppure collegandolo via usb ad un computer.
L’apparizione sul piccolo schermo oled in dotazione della scritta Starting Up! seguito dal numero di versione del firmware e, nella schermata successiva dell’ESSID di configurazione della scheda, STIMA-Config, e della password indicano che l’assemblaggio è stato completato con successo.
Una volta completata con successo il primo avvio, visto che la scheda può essere alimentata in due modi diversi, tramite connettore micro usb e tramite alimentatore 12v, bisogna togliere l’alimentazione e provare il metodo ad alimentare la stazione verificando anche la modalità di alimentazione che non si è ancora utilizzata.
Strumentazione necessaria¶
cavo micro usb computer/Alimentatore per smartphone saldatore a stagno*
Dotazione Software¶
Nessuna
Caricamento firmware¶
Questa fase della messa in opera è facoltativa. La stazione arriva già con un firmware installato pronta per la configurazione iniziale ma, in caso si voglia modificare l’utilizzo della stazione, personalizzarne le funzionalità o cogliere l’occasione di impratichirsi con questa operazione fondamentale nel ciclo di vita del software per microcontrollori,
La stazione Stima è basata sul microcontrollore Esp8266 prodotto da ExpressIf. Si tratta di una soluzione economica e affidabile che da qualche anno sta aumentando esponenzialmente la propria popolarità. Il produttore mette a disposizione strumenti gratuiti e liberi per lo sviluppo, e sono diffuse librerie ed ambienti di progettazione per i maggiori linguaggi di programmazione.
Fatta salva la facoltà di usare la soluzione software con cui si ha più confidenza, abbiamo selezionato, per la ridotta invasività, la licenza di distribuzione e la disponibilità su tutti i maggiori sistemi operativi, dell’ambiente di sviluppo integrato Platformio disponibile all’Url https://www.platformio.org che è a sua volta basato su ambiente di sviluppo Python.
Questa scelta, val la pena notarlo, non influisce in alcun modo sulle dotazioni software adottabili successivamente per lo sviluppo di programmi che interagiscano con la stazione di monitoraggio dopo la sua installazione.
NOTA: Non tutti i cavi usb sono uguali, in special modo quelli forniti con gli smartphone. Alcuni sono adatti solo all’alimentazione ed alla ricarica dei dispositivi e non permettono lo scambio di dati. Se il computer non sembra riconoscere la stazione provare a sostituire il cavo di connessione. Se anche questa prova non sortisce effetti, ma la stazione si accende regolarmente, è probabile che il computer in uso non riconosca l’interfaccia seriale usb usata dalla stazione. In questo caso bisognerà caricare l’apposito driver prima di poter procedere.
Strumentazione necessaria¶
cavo micro usb computer
Dotazione Software¶
Ambiente di sviluppo Python Platformio (Piattaforma per lo sviluppo embedded)
Collegamento dei sensori¶
Prima di procedere con questa fase, disalimentare la stazione di monitoraggio.
Una volta assemblata e configurata la scheda madre della stazione, è necessario collegare i sensori alla scheda e verificarne il funzionamento.
Per farlo bisogna assemblare i cavi di collegamento secondo gli schemi forniti dal produttore dei sensori facendo in modo che corrispondono alla piedinatura dei connettori presenti sulla stazione Stima.
Dopo aver messo a punto la cavetteria bisogna collegare i sensori ognuno secondo lo standard facendo attenzione alla polarità ed al voltaggio (il sensore di polveri sottili ha bisogno di essere alimentato a 5v mentre gli altri sensori a 3,3v)
La prima installazione ed il collaudo dei sensori è una fase critica, errori possono rendere un sensore, la scheda o entrambi inutilizzabili. Prima di alimentare ancora una volta la stazione, è buona norma controllare la connessione con un multimetro che disponga della modalità test di continuità. Dopo le opportune verifiche bisogna collegare l’alimentazione esterna, usando l’alimentatore esterno in dotazione, e verificare che la stazione si avvii regolarmente.
Dovrebbe comparire sullo schermo un messaggio che invita a collegarsi alla rete wireless attivata per le operazioni di configurazione iniziale. Prima di procedere, però, è necessario censire la stazione presso il server centrale.
NOTA: Anche se operano in condizioni ideali, i sensori di rilevamento hanno, al netto di malfunzionamenti, una vita attesa non illimitata. Si stima che passino circa due anni prima che i sensori, in special modo quello per il particolato, comincino a perdere di precisione.
Strumentazione necessaria¶
Multimetro Computer, tablet o smartphone con connettività Wi-Fi
Dotazione Software¶
Un qualunque browser web Accesso alla rete Wi-Fi
Censimento stazione¶
Prima di poter operare, a meno che non sia stata dotata di un firmware specifico, la stazione deve essere censita presso un server di raccolta dati.
Esistono due punti di raccolta dati, test.rmap.cc ed rmap.cc. Il primo viene utilizzato per le procedure di collaudo, per controllare il funzionamento di prototipi di nuove stazioni e per mettere a punto l’adozione di nuovi sensori; il secondo viene usato per la raccolta e l’elaborazione dei dati sul campo.
Durante la fase di collaudo bisognerà registrare la stazione presso il sito di test, una volta completata l’installazione bisognerà ripetere la registrazione sul sito principare e censire nuovamente la stazione. Non è prevista, al momento, una procedura automatizzata per gestire la migrazione, da effettuarsi una tantum.
Prima di procedere al censimento vero e proprio, il gestore della stazione deve registrare un nuovo utente, nel caso disponga già di un profilo.
Una volta effettuato l’accesso al sito con nome utente e password, sarà possibile censire una o più stazioni.
Censire una stazione consiste nel dichiararne le caratteristiche:
Coordinate
Identificativo di stazione
Altezza dal livello del suolo
Classificazione del sito dal punto di vista qualità dell’aria
Alcune fotografie (5): una della stazione e 4 con le spalle alla stazione verso i 4 punti cardinali
L’identificativo di stazione non è altro che il nome che dovrà essere usato in fase di configurazione iniziale.
Strumentazione necessaria¶
Computer, tablet o smartphone
Dotazione Software¶
Un qualunque browser web
Collaudo Stazione¶
Dopo aver censito la stazione è possibile configurarla. A sensori collegati, si può accendere la stazione di monitoraggio.
Dovrebbe comparire sullo schermo un messaggio che invita a collegarsi alla rete wireless attivata per le operazioni di configurazione iniziale:
ssid: STIMA-config password: bellastima
L’access point è dotato di Capture Portal ma, se l’automatismo non dovesse funzionare, è sempre possibile visitare con un browser l’url http://192.168.4.1 per iniziare la procedura di configurazione.
Una volta raggiunta la pagina di configurazione, bisognerà inserire i dati necessari alla connessione al sito rmap, l’url dell’istanza prescelta e le credenziali per l’accesso alla rete Wi-Fi attraverso la quale la stazione avrà accesso ad internet.
Se tutto andrà per il meglio e la stazione configurata correttamente, sullo schermo cominceranno a scorrere le misure dei diversi sensori; misure che saranno visibili, dopo un lasso di tempo, anche sul sito preposto alla raccolta dei campionamenti.
NOTA: Non è previsto l’uso di proxy con autenticazione per accedere ad internet. In caso l’istituto preveda questa modalità di navigazione sarà necessario derogare in base al mac address della stazione o creando una sottorete Wi-Fi dedicata.
Reset della configurazione¶
Quando necessario, ad esempio per un cambio di configurazione dell'access point wifi, è possibile procedere al reset delle configurazioni effettuando un reset con l'apposito ponticello mentre il ponticello di riconfigurazione è cortocirduitato. Questo video mostra una modalità per procedere alla riconfigurazione.
Strumentazione necessaria¶
Computer, tablet o smartphone con connettività Wi-Fi
Dotazione Software¶
Un qualunque browser web Accesso alla rete Wi-Fi
Preparazione del guscio¶
Una volta completata l'assemblaggio, la configurazione ed il collaudo della parte elettronica della stazione, bisognerà procedere ad installarla, insieme ad alcuni sensori, all’interno del suo guscio protettivo. Il sensore di temperatura, per non essere influenzato nelle sue misurazioni dal funzionamento della stazione, viene installato in un involucro separato denominato schermo solare passivo.
Con delle forbici o un taglierino, bisognerà tagliare da un foglio di schiuma per imballaggi, che può essere riciclato, dei riquadri che permettano separare l’interno della scatola di derivazione usata come guscio della stazione, in tre compartimenti, uno per l’elettronica, uno per l’ingresso dell’aria da analizzare e un altro alloggiamento che permetterà a sensore di polveri sottili, che andrà installato a cavallo delle due sezioni, di emettere l’aria analizzata senza influenzare il flusso in ingresso.
Il foglio di schiuma andrà fissato alla scatola di derivazione con nastro biadesivo o colla a caldo, a seconda se la parete debba essere rimovibile, insieme ai sensori. Utilizzeremo un cacciavite per praticare dei piccoli tagli nel foglio di schiuma per far passare i cavi di collegamento dei sensori. Per poter controllare lo schermo della stazione dall’esterno, andrà rimosso un passacavi laterale. L’apertura andrà chiusa con un piccolo, 4x4cm, riquadro in plexiglas fissato con la colla a caldo all’interno della scatola di derivazione.
Altri due passacavi laterali dovranno essere intagliati per permettere l’ingresso di cavo di alimentazione e cavo dati del sensore di temperatura.
Infine andranno rimossi i passacavi posti sul lato inferiore per permettere il ricircolo d’aria.
Strumentazione necessaria¶
Forbici o taglierino Colla a caldo Nastro biadesivo Un foglio di Foam a celle chiuse (schiuma per imballaggi) Multimetro Cacciavite Plexiglas
Dotazione Software¶
Nessuna
Installazione in loco¶
L’installazione della stazione prevede opere in muratura ed elettriche che andrebbero eseguite da personale competente.
È possibile usare una staffa per parabola satellitare per ottenere un economico sostegno che allontani la stazione dalla muratura dell’edificio che la sosterrà dello spazio necessario ad una corretta analisi del particolato. Alla staffa andranno fissati sia lo schermo solare, più in basso, la stazione vera e propria. La stazione vinen alimentata a non più di 12v e quindi i rischi di incidenti elettrici sono inesistenti, a patto che l’allaccio alla presa elettrica sia protetto dalle intemperie secondi gli standard vigenti.
Appendice A¶
Checklist installazione Stima wifi Per mettere in opera una stazione stima bisogna tenere da conto tre fattori che permettono di farla operare al meglio:
L’accesso all’alimentazione di rete
L’accesso ad un access point wifi
Una corretta installazione per permettere ai diversi sensori di operare al meglio
Essendo un apparato che opera all’esterno, bisogna assicurarsi che la corrente elettrica raggiunga il sito di installazione seguendo tutto gli standard del caso e che la connessione possa sopportare le intemperie. Questa attività esula dal mero assemblaggio della stazione ed andrebbe demandata ad un tecnico specializzato.
La stazione dovrà essere alimentata continuamente, il consumo elettrico è trascurabile, qualche decina di mA, ma non è possibile togliere alimentazione alla stazione, ad esempio nei weekend o in tarda serata, pena l’impossibilità di registrare e conferire i dati raccolti.
Appendice B¶
Pin¶
Pin |
ESP-8285 Pin |
name |
Function |
ESP32 C3 Pin |
name |
Function |
Stima use |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
dx8 |
TXD |
TX |
TXD |
TXD (21) |
TX |
TXD |
TXD/encA |
dx7 |
RXD |
RX |
RXD |
RXD (20) |
RX |
RXD |
RXD/encB |
sx7 |
A0 |
A0 |
Analog input, max 3.2V |
GPIO3 |
D9/A3 |
IO |
encBtn/CLEAR |
sx6 |
GPIO16 |
D0 |
IO |
GPIO2 |
D0/A2 |
IO, Analog input, max 3.2V |
RAIN/Analog input |
dx6 |
GPIO5 |
D1 |
IO, SCL |
GPIO10 |
D1 |
IO, SCL |
SCL |
dx5 |
GPIO4 |
D2 |
IO, SDA |
GPIO8 |
D2 |
IO, SDA |
SDA |
dx4 |
GPIO0 |
D3 |
IO |
GPIO7 |
D3 |
RGB_LED |
RGB LED (V3) |
dx3 |
GPIO2 |
D4 |
IO, 10k Pull-up, BUILTIN_LED |
GPIO6 |
D4 |
IO |
LED (V2) SS (V3) |
sx5 |
GPIO14 |
D5 |
IO, SCK |
GPIO1 |
D5/A1 |
IO, SCK |
SCK |
sx4 |
GPIO12 |
D6 |
IO, MISO |
GPIO0 |
D6/A0 |
IO, MISO |
MISO |
sx3 |
GPIO13 |
D7 |
IO, MOSI |
GPIO4 |
D7/A4 |
IO, MOSI |
MOSI |
sx2 |
GPIO15 |
D8 |
IO, 10k Pull-down, SS |
GPIO5 |
D8/A5 |
IO, 10k Pull-down, SS |
SS (V3 with RTC) |
dx2 |
GND |
G |
Ground |
GND |
G |
Ground |
GND |
dx1 |
- |
5V |
5V |
- |
5V |
5V |
5v |
sx1 |
3.3V |
3V3 |
3.3V |
3.3V |
3V3 |
3.3V |
3.3V |
sx8 |
RST |
RST |
Reset |
RST |
RST |
Reset |
RST |
Nota
All of the IO pins run at 3.3V.
Accesso WiFi¶
Le stazioni Stima, utilizzano una rete WiFi a 2.4Ghz* per collegarsi ad internet e non possono utilizzare un proxy. Prima di procedere con l’installazione è bene confrontarsi con il personale dell’ufficio tecnico per assicurarsi che la rete che si vuole utilizzare per la connessione sia adatta
Annotare l’SSID della rete wifi a cui dovrà connettersi la stazione Stabilire se l’accesso alla rete wifi è protetto da password.
Assicurarsi che la stazione possa accedere ad internet senza passare per un proxy Solitamente, si può derogare al filtro dei dati, indicando all’ufficio tecnico della scuola l’indirizzo MAC della stazione La connessione WiFi deve essere assicurata 7/24
Una volta soddisfatti i prerequisiti, basta assicurarsi che la rete WiFi copra con un segnale stabile il punto prescelto per l’installazione.
[*] Anche se più veloce, la rete a 5Ghz non garantisce, nel nostro caso, migliorie significative rispetto a quella a 2.4Ghz e, di contro, è molto più sensibile agli ostacoli che dovessero frapporsi tra l’access point e la stazione.