IOT: pilotare le tapparelle tramite Shelly 2.5

IoT: L’Internet delle cose

Teorizzata per la prima volta nel 1999 da Kevin Ashton, fondatore degli Auto-ID Labs del MIT, l’IoT o Internet of Things, nasce dalla convergenza tra sensoristica, elaborazione e comunicazione in rete di apparati digitali.

IoT significa estendere a qualunque oggetto, sia esso un termostato, un orologio, un frigorifero o un’automobile, i benefici dell’uso di internet, permettendo alle “cose” di interagire tra loro in modalità smart, ovvero attraverso un insieme di tecnologie e di protocolli (generalmente è utilizzato il protocollo MQTT) che permettono di raccogliere ed elaborare informazioni al fine di integrare apparati diversi.

Vi sono diversi esempi di applicazione dell’IoT: le tecnologie Internet of Things sono già usate nel settore utility come nella pubblica amministrazione, nelle linee di produzione così come nella sanità, ma sono ancora tantissime le potenzialità d’uso.

Nella pubblica amministrazione, ad esempio, l’IoT è utilizzato per il monitoraggio ed il corretto funzionamento delle gambling machines (slot machines) o l’introduzione obbligatoria dei contatori intelligenti per la telegestione. Un altro esempio, questa volta nel campo del manufacturing, prevede l’utilizzo di sensori e attuatori per il controllo della produzione, con l’obiettivo di effettuare analisi in tempo reale sull’andamento, al fine di ottimizzare il processo produttivo. Non è da sottovalutare, inoltre, la raccolta dei dati al fine di creare modelli predittivi che possano abbattere i costi di manutenzione.

Secondo alcune stime datate ottobre 2017 il mercato dell’Internet of Things nel 2023 dovrebbe valere quasi 200 miliardi di dollari rispetto ai 16 miliardi del 2016, facendolo così diventare uno dei settori più importanti e strategici del mondo dell’hi-tech.

Grafico dispositivi connessi nel mondo

Il protocollo MQTT

Il protocollo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), realizzato da Andy Stanford-Clark (IBM) e Arlen Nipper (Eurotech) nel 1999, rappresenta lo standard per lo scambio dati nel mondo dell’IoT ed è un protocollo specificatamente studiato per le situazioni in cui è richiesto un basso consumo e dove la banda è limitata.

Al posto del modello client/server di HTTP, il protocollo MQTT adotta un approccio di tipo Publish/Subscriber per lo scambio di messaggi attraverso un apposito “Message Broker”. Invece di inviare messaggi a un determinato set di destinatari, i mittenti pubblicano i messaggi sul Message Broker. Ogni destinatario si iscrive agli argomenti che lo interessano e, ogni volta che un nuovo messaggio viene pubblicato su quel determinato argomento, il Message Broker lo distribuisce a tutti i destinatari. In questo modo è molto semplice configurare una messaggistica uno-a-molti.

I punti di forza di questo protocollo sono la leggerezza, la capacità di lavorare con tre differenti livelli di servizio ed un overhead di trasporto ridotto grazie ad un header di soli 2 byte.

La leggerezza è insita nella sua progettazione dato che è stato pensato per dispositivi limitati e reti a bassa larghezza di banda con alta latenza e sostanzialmente inaffidabili. L’obiettivo principale è quello di abbassare al minimo le esigenze in termini di ampiezza di banda e risorse, mantenendo nel contempo una certa affidabilità e grado di certezza di invio e ricezione dei dati.

I tre livelli di servizio sono: “at most once”, “at least once” e “exaclty once”. Il primo (al massimo una volta) prevede che in caso di perdita di messaggi o loro duplicazione, questi non vengano reinviati; l’uso ottimale è identificato con i dati raccolti da sensori ambientali, dove non importa se una singola lettura viene smarrita in quanto quella successiva godrà presto di un’altra pubblicazione. Con il secondo livello di servizio (almeno una volta) viene invece assicurato l’arrivo dei messaggi anche se possono comunque verificarsi dei duplicati. L’ultimo grado di servizio (esattamente una volta) assicura che i messaggi arrivino esattamente una volta. I tre livelli insieme consentono di minimizzare al massimo gli scambi al fine di ridurre il traffico sulla rete.

Il progetto

In questo articolo vedremo come è possibile rendere “intelligenti” le tapparelle elettriche di casa attraverso l’utilizzo del componente Relè Wi-Fi Shelly 2.5 prodotto dall’azienda Allterco e di come poterle pilotare tramite App.

Magari può non sembrare un progetto ambizioso ma pensate al caso in cui siete fuori casa, magari a lavoro, e inizia a piovere e avete i panni stesi in terrazza. Sarebbe bello poter chiudere le tapparelle o una tenda a caduta da remoto in modo che il vostro bucato non si sciupi? Beh, personalmente lo trovo molto comodo!

La caratteristica principale dei componenti Shelly è quella di essere molto piccoli per integrarsi perfettamente con un impianto già esistente. Infatti, come per questo progetto, è sufficiente avere a disposizione uno slot libero nella scatola 503 (scatolina a muro dove sono alloggiati gli interruttori) per poterlo inserire nell’impianto.

L’azienda inoltre è stata molto attenta ad assecondare tutte le tipologie di utenti; da quello che vuole un prodotto pronto all’uso, a quello più smanettone amante delle personalizzazioni e della programmazione più spinta. Infatti tutti i componenti della famiglia Shelly una volta installati possono lavorare semplicemente con il cloud proprietario (integrandosi anche con gli assistenti vocali come Google Home e Amazon Alexa) oppure si ha la possibilità di attivare il protocollo MQTT in modo da poterli gestire tramite controller esterni come il noto Home Assistant o attraverso una app sviluppata ad hoc.

Le caratteristiche dello Shelly 2.5 sono le seguenti:

  • Peso: 40.8 gr
  • Dimensioni: 1,7 x 3,6 x 3,9 cm
  • Tensioni supportate: 110-230 V ± 10, 50 / 60Hz AC e 24-60 V DC
  • Consumo energia elettrica inferiore a 1 W
  • Canali: 2 con corrente di carico massima per uscita 10A / 230V 50 / 60Hz.
  • Sensore di temperatura per protezione da surriscaldamento (temperatura operativa -40°/+40°)
  • Controllo a microprocessore
  • Elementi: 2 circuiti elettrici
  • Elementi esecutivi: 2 relè
  • Protocollo Wireless/WiFi: 802.11 b/g/n con supporto dei protocolli HTTP e/o UDP

Il motivo per il quale è stato scelto il Relè Wi-Fi Shelly 2.5 è perché questo componente supporta due differenti canali che risultano indispensabili per il collegamento delle due direzioni di apertura e chiusura. In pratica è come avere due pulsanti uno dedicato all’apertura ed uno dedicato alla chiusura della tapparella.

Come si può vedere dallo schema elettrico di partenza, senza lo Shelly le tapparelle prevedono la connessione di due differenti cavi elettrici di segnale, uno verso il pulsante di salita (Filo Nero denominato R2) ed uno verso il pulsante di discesa (Filo Giallo denominato R1) dell’interruttore doppio interbloccato.

Per quanto riguarda l’inserimento dello Shelly, il nuovo componente si inserisce tra il pulsante doppio interbloccato ed il modulo elettrico del motore delle tapparelle secondo lo schema sottostante. Come si può vedere i due fili elettrici (R1 ed R2) che prima entravano direttamente del pulsante adesso si attestano nei canali 01 e 02 del Relè Wi-Fi. Altrettanti cavi, il Rosso ed il Rosa, escono dallo Shelly per agganciarsi al pulsante doppio interbloccato in modo da mantenere anche la funzionalità di apertura e chiusura manuale.

Ovviamente non possono mancare i fili elettrici di Fase e Neutro e per l’alimentazione e la chiusura del circuito elettrico, il tutto rigorosamente cablato a corrente staccata.

Una volta installato, il componente è subito pronto all’uso, ma per poterlo pilotare dalla rete Wi-Fi dell’ambiente in cui si trova è necessario configurarlo sull’app Shelly Cloud, sempre che non si voglia implementare una App dedicata. Nel nostro progetto abbiamo utilizzato l’app messa a disposizione dal costruttore.

Una volta scarica l’applicazione ed effettuata la registrazione al servizio gratuito, è necessario collegare il dispositivo mobile che stiamo utilizzando alla rete Wi-Fi messa a disposizione dallo Shelly. Tutti i dispositivi della famiglia Shelly permettono di controllare le nostre “cose” attraverso tre differenti modalità di collegamento:

  • Access Point: lo smartphone od il PC si collega direttamente all’access point WiFi del singolo dispositivo utilizzando poi, mediante browser, la web app incorporata nel dispositivo stesso
  • Locale: smartphone e dispositivi sono collegati al router WiFi di casa senza accedere ad internet
  • Cloud: i dati sono scambiati dal device con l’app sul vostro smartphone attraverso l’uso di un server in cloud attraverso il collegamento ad internet

In questo progetto abbiamo utilizzato la modalità Access Point per configurare lo Shelly per farlo lavorare con la rete Wi-Fi dell’ambiente tramite inserimento di SSID e Password della rete e la modalità Locale come metodo di collegamento a regime.

Una volta configurato lo Shelly, la app consente di creare le “stanze” che altro non sono che contenitori di sensori e dispositivi per una visualizzazione raggruppata e ordinata. Carina la possibilità di caricare un’immagine personalizzata per caratterizzare la singola stanza.

Le funzionalità messe a disposizione dalla app sono:

  • Elenco e gestione delle stanze
  • Elenco e gestione dispositivi associati ad una stanza
  • Elenco e gestione gruppi
  • Elenco e gestione scene (per la creazione di attività automatiche in base alle rilevazioni dei sensori)
  • Storico degli eventi
  • Monitoraggio dei consumi

Per quanto riguarda la procedura di accoppiamento di un dispositivo Shelly alla app, una volta che il dispositivo è associato alla rete Wi-Fi, esso diventa automaticamente visibile alla app e quindi facilmente inseribile in una stanza. L’unico limite è dato dalla velocità di rilevamento dei componenti, che non è il massimo, però la procedura è tutta automatica e l’utente deve solo confermare con un click.

Per quanto riguarda il relè utilizzato nel progetto, esistono due modalità di utilizzo: la modalità Relay e la modalità Roller Shutter.

La prima, come da documentazione, consente i due stati ON ed OFF. In questo caso attivando il circuito è come se tenessimo premuto il pulsante di salita o di discesa. È la modalità “interruttore” semplice.

Nel secondo caso invece gli stati supportati sono UP, DOWN e STOP che consentono di automatizzare il processo di apertura e chiusura della tapparella inviando comandi tipo “apri completamente la tapparella” o “chiudi completamente la tapparella” senza dover tener premuto il pulsante per tutto il tempo di salita o discesa della stessa dato che lo Shelly, tramite la rilevazione della potenza assorbita, è in grado di capire quando una tapparella ha raggiunto la fine della corsa.

In questo progetto abbiamo configurato la modalità Roller Shutter come visibile nelle schermate successive rimanendo stupiti della velocità con la quale le tapparelle rispondono ai comandi.

Conclusioni

In questo articolo abbiamo descritto come integrare un piccolo componente nell’impianto elettrico già esistente per rendere più “intelligenti” le tapparelle di casa. Al fine di automatizzare ulteriormente il processo di apertura e chiusura è possibile dotare l’impianto di un sensore di pioggia, tramite il quale creare una scena sulla app che in caso di pioggia chiude automaticamente le tapparelle. Oppure è possibile utilizzare un sensore di temperatura che consente di chiudere parzialmente le tapparelle quando la temperatura supera una determinata soglia (magari in una giornata di sole pieno e ci fa piacere un po’ di ombra).

In aggiunta a quanto già descritto c’è da dire che, per renderlo ancora più smart, è possibile dotare l’impianto di attivazione tramite comando vocale, poiché lo Shelly 2.5 supporta sia Amazon Alexa che Google Home.

Il progetto, se pur piccolo e di facile realizzazione, rappresenta un primo passo verso il mondo dell’IoT. Per cablare e configurare tutto il sistema è stata impiegata una singola ora di un sabato mattina.

Quel che è certo è che il settore dell’Internet delle Cose è un mondo giovane, da esplorare ma soprattutto pieno di opportunità. Basti pensare a tutto ciò che è possibile connettere: dalle videocamere per la sorveglianza ai termostati per il controllo da remoto, fino ai sistemi di illuminazione che possono rispondere in maniera differente in base alle condizioni esterne. Per non parlare poi di tutti i benefici che si possono ottenere nel campo della produzione, della sanità e dei trasporti.