Idea
Il progetto è stato realizzato per essere presentato a un concorso organizzato da Samsung, che richiedeva la creazione di un'applicazione incentrata sul tema della “Sicurezza”. Assieme al nostro prof. di riferimento, abbiamo pensato, oltre all’applicazione, di progettare un dispositivo coerente con il nostro indirizzo di studi: elettronica e robotica. Abbiamo quindi deciso di realizzare il progetto “Safe Air”, che permette di misurare la qualità dell’aria in un ambiente chiuso, rilevando parametri fondamentali per monitorare e migliorare la qualità dell'aria.
Descrizione
Safe Air è stato realizzato intorno a una scheda elettronica, gentilmente concessa da un ingegnere elettronico. La scheda è basata su un microcontrollore ESP8266, dotato di Wi-Fi e collegato a tre sensori specifici: l'SHT21 per misurare la temperatura e umidità, l'SGP30 per rilevare i VOC (Composti Organici Volatili) e la CO2 nell' aria, e un sensore per la misurazione della pressione (non usato in questo progetto).
La scheda elettronica è collegata a un'applicazione, realizzata su App Inventor, che permette di controllare i valori misurati dai sensori. I valori rilevati sono visibili in tempo reale e come grafico temporale. È possibile anche attivare una ventola esterna, rappresentativa di un sistema di ventilazione per il ricircolo dell’aria, quando i parametri non sono sicuri per l’ambiente interno.
Circuito Elettronico
Il circuito elettronico è costituito dalla scheda ESP8266 con i relativi sensori e un piccolo circuito a transistor per comandare un carico, che in questo caso è una ventola per computer.
Circuito di alimentazione
Un alimentatore fornisce 12V tramite un connettore cilindrico, che si collega direttamente al dispositivo. Questo permette di avere una linea 12V all’interno, che viene poi ridotta a 5V da un convertitore switching step-down, necessario per alimentare l’ESP8266. Quest’ultimo, grazie a un regolatore di tensione a bassa caduta interno, riduce ulteriormente la tensione a 3.3V per le periferiche come i sensori collegati.
Microcontrollore
Il microcontrollore è un ESP8266 costruito da Espressif. Ha caratteristiche che lo rendono superiore, sotto diversi aspetti, rispetto a una scheda come Arduino UNO. La prima è la possibilità di connettersi al Wi-Fi, che consente di realizzare progetti con pagine web locali, richieste HTTP e scambio di dati in tempo reale su internet. Inoltre, l’ESP8266 ha una maggiore capacità di memoria e velocità di elaborazione rispetto ad Arduino UNO, il che lo rende particolarmente adatto per applicazioni IoT e di monitoraggio remoto.
Sensori
I sensori utilizzati in questo progetto sono due: l'SHT21 e l'SPG30. Il primo è un sensore di temperatura digitale della Sensirion, che permette di misurare con precisione la temperatura e l’umidità dell’ambiente. Il secondo, sempre della Sensirion, rileva composti organici volatili (VOC) e anidride carbonica (CO2).
Cosa sono i VOC (Composti Organici Volatili)?
I composti organici volatili sono una vasta classe di composti chimici presenti anche negli ambienti interni. Questi vengono rilasciati da prodotti per la pulizia, profumatori d'ambiente o dai materiali/vernici dei mobili. Monitorarli è essenziale, poiché a lungo termine possono causare problemi di salute, anche a basse concentrazioni.
Circuito di Potenza
Il circuito di potenza è basato su un transistor BJT NPN modello 2N2222, che funziona come interruttore per la ventola esterna. Questo circuito è necessario all’ESP8266 per controllare la ventola, poiché non è possibile collegarla direttamente alle uscite GPIO, che funzionano a livelli logici di 3.3V e non sono adatte a carichi ad alto assorbimento di corrente. È stato quindi integrato un piccolo circuito on-off a transistor, in cui la base è collegata all’uscita del microcontrollore, mentre sul collettore è collegata la ventola a 12V con un diodo 1N4007 di protezione in antiparallelo.
Il circuito viene abilitato in base a condizioni automatiche, determinate dai valori misurati dai sensori, o tramite un pulsante dedicato nell’applicazione. Quando la ventola è attivata, il GPIO dell’ESP8266 viene posto a 3.3V, portando il transistor a operare in zona di saturazione. In questa zona, la caduta di tensione del transistor è bassa, e la ventola opera secondo le specifiche. Quando si vuole spegnere la ventola, il piedino del microcontrollore viene posto a 0V, portando il transistor in zona di interdizione e spegnendo la ventola.
Programmazione Software
Il microcontrollore è programmato con Arduino IDE utilizzando le librerie dei componenti. Sono stati applicati esempi di riferimento per realizzare diverse funzionalità: lettura dei sensori, scrittura di dati sul cloud e connessione alla rete. È implementata anche una serie di condizioni che, nel caso di valori pericolosi di VOC e CO2, attivano automaticamente la ventola esterna per il ricircolo dell’aria.
Firebase
Il codice relativo al Realtime Database di Firebase si basa su variabili per il salvataggio di ogni grandezza misurata e sullo stato degli attuatori. Sono state create cinque variabili in totale: quattro per le grandezze misurate dai sensori e una per monitorare lo stato della ventola. Tutte queste variabili vengono salvate sulla piattaforma Firebase Realtime Database, che permette aggiornamenti in tempo reale. L’ESP8266 si occupa della scrittura di questi dati e della lettura dello stato dell’attuatore, che serve per commutare il circuito di potenza collegato alla ventola.
ThingSpeak
ThingSpeak richiede la creazione iniziale dei grafici sul sito. Sono stati realizzati quattro grafici, uno per ogni grandezza misurata, popolati con i valori istantanei dell’ESP8266, che invia i dati direttamente a ThingSpeak. Questo crea un grafico temporale, dove i valori vengono registrati in funzione dell’ora.
Applicazione
L’applicazione è stata realizzata su App Inventor, con il supporto di Photoshop per la grafica di pulsanti, intestazioni, scritte e tabelle. La homepage presenta quattro pulsanti rappresentativi delle grandezze misurabili dal dispositivo. Cliccando su uno di essi si apre la pagina corrispondente alla grandezza selezionata.
All'inizio di questa pagina è presente il valore in tempo reale della grandezza, che viene letto regolarmente direttamente dal database di Firebase. Invece, sotto c'è il grafico della grandezza in funzione del tempo, che viene popolato con Thinkspeak, e permette di avere una visione completa dell'andamento nel tempo.
Scrorrendo verso il basso si trova una tabella con dei valori di riferimento associati alla qualità dell'aria. Attraverso questa l'utente può confrontare i valori misurati nel tempo, e capire intuitivamente la qualità dell'aria nell'ambiente chiuso.
Infine, in fondo è presente un pulsante con l’icona della ventola, che permette di attivare l’attuatore per fare il ricircolo dell’aria direttamente dall’applicazione. L’applicazione legge lo stato corrente della ventola e lo sovrascrive con quello opposto. Quindi cliccando il pulsante viene commutato il circuito di controllo della ventola.
Costruzione del dispositivo
La scheda ESP8266 con i sensori è stata montata su una basetta millefori, insieme al convertitore switching step-down e al circuito di controllo a transistor per la ventola.
Il tutto è stato inserito in un contenitore progettato su Fusion 360, che ha subito diverse iterazioni. Il design finale è ispirato a dispositivi come Google Home Mini e Alexa. I vari pezzi del contenitore sono stati stampati in 3D, utilizzando due colori diversi.
Il coperchio presenta una filettatura che permette di avvitarlo e svitarlo facilmente, consentendo di accedere al circuito interno senza bisogno di attrezzi, scelta fatta per facilitare la visibilità della parte interna del dispositivo.
Concorso e Riconoscimenti
Il progetto è stato successivamente presentato all'hackathon organizzato da Samsung presso la sede di Milano (Samsung District, Via Mike Buongiorno, MI). Dopo diverse sfide di gruppo, il progetto è stato valutato da esperti di Samsung e del MIUR, ottenendo il secondo premio del concorso (uno smartphone). A questo si è aggiunto, come ulteriore riconoscimento non previsto dal regolamento, un viaggio in Corea del Sud. Questo premio speciale ci è stato assegnato per l'eccezionalità del progetto e la qualità della sua realizzazione, permettendoci di visitare la sede operativa di Samsung insieme ai vincitori del primo premio.
Alcune foto del viaggio in Corea del Sud
Articolo sul progetto redatto da Repubblica
Conclusioni
In conclusione, questo progetto ha rappresentato una tappa fondamentale nel nostro percorso formativo, permettendoci di realizzare un prodotto completo, integrando hardware e software, e migliorando le nostre competenze tecniche e di problem-solving. La valutazione positiva da parte dei giudici di Samsung e MIUR ha confermato il valore del nostro lavoro e ci ha stimolato a continuare il nostro percorso di crescita.
Oltre a migliorare le competenze tecniche, il progetto ci ha aiutato a rafforzare le nostre capacità di comunicazione efficace, sia in italiano che in inglese, di fronte a un pubblico di vario tipo. La vittoria e il viaggio in Corea del Sud sono stati per noi una grande motivazione, incoraggiandoci a guardare a nuove sfide e opportunità nel mondo dell’innovazione tecnologica.