Allarme lora per porte e finestre

Realizziamo un allarme che avvisa dell’apertura di porte e finestre anche a notevole distanza, utilizzando un TX palmare LoRa modificato.

La tecnologia di comunicazione dati a radiofrequenza a lunga portata, meglio conosciuta come LoRa, trova applicazione in svariati campi, che vanno dall’IoT (impiego elettivo) all’automazione, fino a coprire applicazioni sinora basate su ricetrasmittenti tradizionali.

In questo articolo vogliamo proporre una nuova applicazione “civile” dei moduli LoRa a 433MHz: si tratta di un sistema di allarme che scatta in caso di apertura di porte o finestre.

Per la realizzazione del caso abbiamo utilizzato l’hardware del radiocomando LoRa già proposto in questo post, composto da una scheda trasmittente (Fig. 1) che viene attivata in seguito alla pressione di un pulsante o alla chiusura a massa della linea corrispondente.

 

La possibilità di raggiungere sul PCB i contatti del pulsante di trasmissione ci permette di comandare il trasmettitore con un dispositivo esterno, che può essere uno switch o un circuito con uscita a contatto pulito o a transistor; per ottenerla è sufficiente “portare fuori” con dei fili i contatti dei pulsanti e identificare quello di massa, così da riconoscere anche quello “caldo” che va posto a massa per avviare la trasmissione.

Per chiarire meglio questo concetto pubblichiamo, nella Fig. 2, lo schema a blocchi del trasmettitore del radiocomando, dal quale appare evidente il collegamento dei pulsanti e quindi come inserire un interruttore di attivazione esterno.

 

 

Normalmente il trasmettitore non consuma energia perché è spento (viene acceso e attivato chiudendo a massa gli ingressi di controllo o premendo i rispettivi pulsanti), per cui può tranquillamente essere alimentato da una batteria, garantendo lunghi intervalli di sostituzione.

A riguardo va detto che nel trasmettitore FT1250 è presente una batteria A23 da 12V, ma questa è stata scelta solo per il pochissimo spazio imposto dalle dimensioni del TX; la A23 non permette più di 300÷400 attivazioni, quindi per il nostro trasmettitore d’allarme abbiamo deciso di utilizzare qualcosa di più capiente.

Naturalmente questo ha comportato il dover utilizzare un contenitore di dimensioni più generose che possa ospitare una batteria ben più capiente di una serie di pile a bottone che costituiscono la A23.

Applicare una batteria differente non è un problema, perché l’alimentazione richiesta dalla scheda del trasmettitore può spaziare tra circa 4 e 15 Vcc, perché internamente al circuito c’è un regolatore di tensione lineare che ricava 3,3V stabilizzati con cui funziona l’elettronica.

Per utilizzare il trasmettitore palmare LoRa come sensore di apertura porte si può considerare l’applicazione di un interruttore magnetico del tipo 6720-HAA27; quest’ultimo, in realtà è composto da un deviatore e da un magnete.

Il deviatore ha un contatto normalmente aperto (NO) ed un contatto normalmente chiuso (NC). Il contatto NO viene chiuso dalla prossimità del magnete e viceversa per NC (Fig. 3).

 

 

Per applicare questo contatto magnetico alla scheda del radiocomando bisogna tenere presente che quest’ultimo è azionato in modo impulsivo da un pulsante, mentre il contatto magnetico è un azionamento persistente.

Occorre quindi trasformare la chiusura del contatto magnetico in un impulso e questo lo facciamo tramite un piccolo circuito adattatore come mostrato in Fig. 4.

L’allarme si attiva quando la calamita, posizionata sulla porta, si allontana dal contatto magnetico, quindi, in posizione normale il contatto carica un condensatore che viene scaricato sulla base di un transistor quando la porta viene aperta e così il pulsante viene cortocircuitato per un tempo di alcune decine di millisecondi, necessario a far intervenire l’ATmega32U4 per pilotare il transistor che mantiene l’alimentazione.

 

Per l’applicazione descritta, malgrado l’integrazione circuitale il firmware caricato nell’ATmega32U4 del trasmettitore è assolutamente uguale a quello originale del radiocomando LoRa, ovvero all’accensione attiva immediatamente il transistor che mantiene l’alimentazione, spedisce il messaggio di allarme e disattiva il transistor spegnendo la scheda; infatti il nostro hardware aggiuntivo asseconda il funzionamento nativo del TX.

Sull’unità che utilizzerete come ricevente potrete poi implementare le funzioni desiderate: nella situazione più semplice potrete abbinare il trasmettitore dotato di contatto magnetico a un ricevitore LoRa, ma se volete qualcosa di più, potrete realizzare un server che riceverà il messaggio di allarme di un’unità trasmittente o i segnali d’allarme di più TX. Questo server potrà registrare l’evento, attivare un allarme o spedire una mail o un messaggio SMS nel caso fosse basato su un hardware RandA (e quindi Raspberry Pi).

Rispetto ad un classico allarme wireless per ambienti domestici e fabbricati in generale, tenete conto che con la trasmissione LoRa possono essere raggiunte distanze notevoli; dovrete quindi scrivere un firmware specifico che abbia come base Arduino e che sfrutti la libreria specifica LoRa, la quale può gestire numerosi nodi che possono quindi coprire un consistente numero di punti da sorvegliare.

Realizzazione pratica del trasmettitore LoRa

Ciò detto, vediamo come mettere insieme il trasmettitore per realizzare con esso un sensore wireless LoRa per porte e finestre: la prima cosa da fare è procurarsi un trasmettitore LoRa FT1250 da montare e scartare il contenitore, tenendo solo il circuito stampato. In questo bisogna indentificare le piazzole corrispondenti ai contatti dei pulsanti, connetterle secondo il circuito mostrato nella Fig. 4.

Per identificare le piazzole del pulsante fate riferimento alla Fig. 5, che mostra il PCB visto dal lato saldature evidenziate dalle frecce (i contatti sottostanti replicano quelli in alto); nella foto anzidetta, GND è il contatto di massa del pulsante mentre P è il polo caldo, ossia quello che comanda il circuito e che corrisponde al collettore del transistor Q1 dello schema proposto nella Fig. 4.

 

Dopo aver collegato due fili ai contatti del pulsante per portarli al transistor, il circuito stampato del trasmettitore LoRa FT1250 va dotato di due fili di alimentazione (consigliamo rosso per il positivo e nero per il negativo o GND…) da collegare alle piazzole del positivo e negativo riservati ai contatti a molla per la pila originale (che non va quindi montata) prevista e da utilizzare per alimentare il trasmettitore con la batteria scelta.

L’insieme va collocato in un nuovo contenitore, di dimensioni adeguate, su un lato del quale va applicato il contatto reed, vale a dire il deviatore a comando magnetico del contatto per porte e finestre, come vedete nella Fig. 6.

 

L’installazione

Il contenitore utilizzato nel nostro prototipo è in plastica ed ha dimensioni di 130 x 70 x 28 mm, quindi, seppure più grande di quello originale del TX, è ancora abbastanza piccolo da poter essere posizionato facilmente sull’intelaiatura della porta.

Per il fissaggio, notate che il magnete è già predisposto con due occhielli idonei ad ospitare due viti, mentre l’unità elettronica potrà essere applicata con del biadesivo particolarmente tenace o con un paio di staffe o collari in plastica, sempre ricorrendo a piccole viti (piccole per non danneggiare l’anta o il telaio della finestra o porta dove verrà applicato il sistema LoRa).

Quanto all’alimentazione, son le batterie utilizzate, ossia 4 ministilo AAA Ni-MH ricaricabili (per complessivi 4,8V) o con 4 ministilo al litio non ricaricabili (in questo caso abbiamo 6V), possono essere garantite alcune migliaia di eventi, ovvero, considerato l’utilizzo caratteristico, periodi di autonomia di almeno un anno.

Infatti ogni trasmissione a seguito dell’allontanamento del magnete dal deviatore reed comporta un consumo di circa 85mA (a 5÷6V di alimentazione) per una priodo di circa 300 millisecondi, quindi la durata di un anno è ragionevole, considerato che l’apertura e la chiusura non avvengono continuamente.

Il consumo riportato è stato calcolato considerando che l’unità trasmittente dell’RTX LoRa operi alla potenza prefissata di 10dBm (10mW), ma può variare tra 70mA e 150mA diminuendo o aumentando la potenza stessa.

La programmazione

Lo sketch da caricare nel trasmettitore (chiamato allarmeporta.ino) è riportato nel Listato 1.

Resta inteso che per la programmazione bisognerà collegare la scheda al Personal Computer tramite un cavetto terminante con un connettore microUSB, adatto alla connessione esistente sulla scheda TX (infatti l’FT1250 riporta sul lato del PCB un connettore microUSB).

Ricordiamo che l’hardware del radiocomando è basato su una MCU Atmega32u4 (come Leonardo, con l’unica differenza che in questo caso il microcontrollore funziona con un clock alla frequenza di 8MHz), quindi per la sua programmazione è necessario selezionare, nell’IDE Arduino, la scheda Lilypad USB che utilizza la stessa configurazione di CPU e clock.

In virtù della generosa copertura offerta dal protocollo LoRa, l’allarme può essere posizionato anche a grande distanza dalla centralina e può essere replicato su diverse aperture (porte, finestre, saracinesche ecc.); siccome in tal caso potrebbe verificarsi la sovrapposizione dei messaggi generati da più unità, la libreria potrà attendere per un certo tempo (500 millisecondi nello sketch esempio) che non ci sia traffico radio e riuscirà quindi a superare, entro certi limiti, l’affollamento della banda causato da allarmi multipli.

Listato 1

#include “LoraNode.h” //Include la libreria Lora

LoraNode Node(2); //Istanza del nodo con indirizzo 2
#define pinon 6 // pin che tiene accesa la scheda
#define psound 5 // pin per il cicalino
#define pinf 13 // pin per il led di segnalazione (non utilizzato)

#define eventHandler 1 //Indirizzo del nodo server a cui spedire l’allarme

void setup() {
  pinMode(pinon, OUTPUT);
  digitalWrite(pinon, 1); // mantiene accesa la scheda
  pinMode(pinf, OUTPUT);
  pinMode(psound, OUTPUT);
  digitalWrite(psound, 1); // cicalino spento (logica inversa)
  //  Serial.begin(9600); while(!Serial){ delay(10);}; // solo per debug
  //  Serial.println(“Pin ON!”); // “

  sendEvent(); //Spedisce l’allarme
  sketchend(); //Spegne tutto 
}

void loop() { // non utilizzato
}

void sendEvent() {
  //  Serial.println(“Sending alarm”); // solo per debug
  Node.writeMessage(eventHandler, ”DoorOpen”, 500); //spedisce messaggio 
  //  Serial.println(“Alarm sent”); // solo per debug
  bsound(); // commentare se si vuole silenzioso
}

void sketchend() {
  digitalWrite(pinon, 0); // toglie l’alimentazione
}

void bsound() //eco sonoro (buzzer)
{
  digitalWrite(psound, 0);
  delay(100);
  digitalWrite(psound, 1);
}