PN Modulo di misurazione della corrente e della tensione su una linea AC. Jacopo Grecuccio

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Modulo di misurazione della corrente e della tensione su una linea AC

Jacopo Grecuccio

IoT consultant and Firmware developer

SP 72, 73042 Casarano (Lecce) Italy - VAT Number: IT-05116090753 E-mail: jacopogrecuccio1994@gmail.com

A�ività svolta nell’ambito dell’Avviso promosso dal Ministero dell’Università e della Ricerca per la presentazione di Idee proge�uali per Smart Cities and Communities and Social

Innovation di cui al D.D. n. 391/Ric. del 5 luglio 2012 e ss.mm.ii.. - SIN_00968 THE LEARNING METERS NETWORK: workpackage formativo del SCN_00398 - CUP

J49G14000140008

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PN21004

Documentazione Tecnica

Indice

1 Introduzione 3

2 Specifiche tecniche 4

2.1 Condizioni operative consigliate . . . 4

3 Unità funzionali 5 3.1 Alimentazione . . . 5

3.2 Misuratore di corrente AC . . . 5

3.2.1 Calcolo della corrente AC a partire dal segnale analogico in uscita dal sensore ACS724LLCTR . . . 5

3.3 Misuratore di tensione AC . . . 6

3.3.1 Calcolo della tensione AC a partire dal segnale analogico . . . 6

3.4 Misurazione della temperatura della scheda . . . 7

3.4.1 Calcolo della temperatura a partire dal segnale analogico . . . 7

3.5 Interru�ore magnetico (Reed-Switch) . . . 7

4 Interfacce e pin-out 9 4.1 Conne�ore di ingresso-uscita linea AC (J2-J3) . . . 9

4.2 Interfaccia con PN00120 (J1) . . . 10

5 Cara�eristiche meccaniche 12

6 Silk-screen 13

7 Documenti allegati 14

8 Licenza e condizioni di utilizzo 15

Maggio 2021 1

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Elenco delle tabelle

1 Parametri operativi consigliati . . . 4

2 Pin-out conne�ore ingresso/uscita AC . . . 10

3 Pin-out conne�ore J2 . . . 10

5 Dimensioni e specifiche di realizzazione della scheda . . . 12

6 Specifiche conne�ori . . . 12

7 Specifiche meccaniche per le viti di fissaggio . . . 13

8 Elenco documenti allegati . . . 14

Elenco delle figure

1 Scheda PN21004 . . . 3

3 Circuito di misurazione della corrente AC . . . 5

4 Circuito di misurazione della tensione AC . . . 6

5 Circuito di misurazione della temperatura della scheda . . . 7

6 Reed-switch . . . 8

7 Schema dei conne�ori . . . 9

8 Conne�ori J3-J2 . . . 9

9 Conne�ore J1 . . . 10

10 Meccaniche della scheda . . . 12

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1 Introduzione

La scheda PN-21004 è stata proge�ata come modulo aggiuntivo per la scheda PN-00120 che consente la misurazione della potenza utilizzata su una linea di alimentazione ele�rica domestica (220V AC).

La misura della potenza può essere ricavata in maniera indire�a a partire dalla misurazione del valore della tensione e della corrente e�e�uate tramite il modulo descri�o in questo documento. Il modulo PN21004 è composto da qua�ro unità funzionali:

• Alimentatore AC/DC (non-isolato) : preleva l’alimentazione dalla linea 220V AC in ingresso e, e�e�uando le opportune operazioni di conversione AC/DC ed ada�amento dei livelli di tensione, genera una linea di alimentazione 3.3V DC dallaquale vengono alimentati i restanti componenti sulla scheda PN21004 e PN00120

• Misuratore di corrente : la misurazione dellacorrente viene e�e�uata a�raverso un sensore analogico ad e�e�o-hall (ACS724LLCTR-20AB),

• Misurazione della tensione : il segnale di tensione viene misurato (in valore assoluto) utilizzando un partitore di tensione

• Misurazione temperatura della scheda : un sensore NTC-10k consente al sistema di controllo di monitorare la temperatura della scheda per evitare condizioni di

surriscaldamento del sistema e rilevazione di eventuali guasti dello stesso.

• Switch digitale isolato : un reed-switch che può essere utilizzato come input digitale dal sistema che utilizza il modulo, e che consente all’utente che lo utilizza di interagire con esso senza entrare a dire�o conta�o con la scheda, la quale durante il

funzionamento è so�oposta ad alta tensione

Figura 1: Scheda PN21004

Maggio 2021 3

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2 Specifiche tecniche

Di seguito sono riportate le principali specifiche tecniche per la scheda ed eventuali componenti ele�ronici rilevanti. Per informazioni più de�agliate si rimanda ai datasheets, rilasciati dai produ�ori, degli specifici componenti.

2.1 Condizioni operative consigliate

Descrizione Simbolo Minimo Val. Tipico Massimo Unità di misura Temperatura di

funzionamento

Tamb -40 25 85 °C

Tensione di alimentazione

V_AC - 220 - V AC

Corrente massima in ingresso (AC)

Iin - - 20 A

Potenza massima in ingresso (AC)

Pin - - 1.5 kW

Tensione sui pin digitali

Vdig -0.3 3.3 4.1 V DC

Tensione sui pin analogici

V_an -0.3 3.3 3.8 V DC

Tabella 1: Parametri operativi consigliati

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3 Unità funzionali

3.1 Alimentazione

(a) Trasformatore AC/DC 220V-5V

(b) Regolatore di tensione 5V - 3.3V Il circuito di alimentazione consente di alimentare il modulo misuratore PN21004 ed il modulo di controllo e radio-trasmissione PN00120 a partire da una linea ele�rica

"domestica" 220V AC 50Hz. Il circuito utilizza un ponte raddrizzatore ed un trasformatore per o�enere 5 V DC a partire da 220 V AC. A valle, a partire dalla tensione di 5 V o�enuta viene ricavata una tensione di alimentazione di 3.3V a�raverso un regolatore di tensione.

3.2 Misuratore di corrente AC

Figura 3: Circuito di misurazione della corrente AC

Il modulo PN21004 utilizza un sensore ad e�e�o-hall per trasformare il segnale di corrente prelevato dalla linea AC ("fase") in un segnale in uscita avente la stessa forma sinusoidale e frequenza ma ampiezza limitata tra 0 e 3.3 V. �esto segnale può in seguito essere

campionato a�raverso un sensore Analogico-Digitale per calcolarne il valore e�icace (IRM S) necessario per il calcolo della potenza ele�rica erogata sulla linea AC.

Il sensore utilizzato è ACS724LLCTR-20AB-T prodo�o da Allegro Microsystems, per il quale si rimanda al datasheet del componente.

3.2.1 Calcolo della corrente AC a partire dal segnale analogico in uscita dal sensore ACS724LLCTR

Facendo riferimento al datasheet del sensore ACS724LLCTR-20AB-T (pag. 11) si o�engono i valori, in condizioni nominali, dei parametri cara�eristici del componente. In particolare si o�engono i valori VIOU T (Q)(i.e. tensione in uscita dal sensore quando la corrente misurata è 0 A) e Sens (i.e. sensitività del sensore, ovvero fa�ore di scala tra la corrente misurata e

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l’uscita in tensione). A partire da questi valori costanti, e dalla tensione del segnale ADC_CURRENT, è possibile ricavare il valore di della corrente sulla linea di fase AC come segue:

IAC = (ADC_CURRENT − VIOU T (Q))∗ 1 Sens

Tenendo in considerazione che il segnale di tensione in uscita dal sensore è utilizzato come ingresso di un partitore resistivo che né riada�a l’ampiezza tra 0 V e 3.3 V , i le costanti sopra citate assumono i seguenti valori:

Sens = 0.1mV /A VIOU T (Q) = 1.5 V

3.3 Misuratore di tensione AC

Figura 4: Circuito di misurazione della tensione AC

Per misurare il segnale di tensione presente sulla linea AC (fase) viene utilizzato un circuito di ripartizione della tensione per o�enere in uscita un segnale sinusoidale con avente frequenza 50 Hz ed ampiezza compresa tra 0 e 3.3 V.

3.3.1 Calcolo della tensione AC a partire dal segnale analogico

Il circuito di misurazione della tensione AC riporta semplicemente l’onda di tensione presente sulla linea di fase AC al microcontrollore, e�e�uando un opportuno

condizonamento del segnale. La relazione tra tensione in ingresso e tensione misurata dall’sensore analogico digitale è quindi la seguente:

ADC_V _F ASE = VF ASE−AC ∗ R10

R8 + R9 + R10 [V ] dall quale, sviluppando i calcoli si ricava

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3.4 Misurazione della temperatura della scheda

Figura 5: Circuito di misurazione della temperatura della scheda

A�raverso un apposito circuito di ripartizione della tensione ed un sensore NTC-10k è possibile monitorare la temperatura della scheda tramite un opportuno segnale analogico.

Ciò può essere utile al sistema per rilevare eventuali guasti o condizioni di surriscaldamento.

La tensione di riferimento in ingresso al circuito di misurazione (VCC_AUX) è applicata dire�amente dal sistema di controllo, consentendo quindi a quest’ultimo di disa�ivare il circuito, quando non necessario, riducendo quindi il consumo energetico del sistema.

3.4.1 Calcolo della temperatura a partire dal segnale analogico

La tensione sul segnale ADC_NTC è il risultato di una ripartizione della tensione VCC_AUX tra il resistore R1, avente valore fissato a 10kΩ e la resistenza del termistore NTC, che varia in funzione della temperatura, come riportato nella formula seguente.

ADC_NT C = V CC_AUX ∗ RN T C(T )

R₁+ R_{N T C}(T ) [V ]

Invertendo l’equazione, noto il valore di tensione in uscita dal circuito ADC_NT C(T0), si ricava RN T C(T0)come segue.

RN T C(T0) = R1∗ ADC_NT C(T0)

V CC_AU X − ADC_NT C(T0) [Ω]

Infine, a partire dalla funzione cara�eristica RNT C(T ) è possibile ricavare la temperatura T0 rilevata dal termistore.

3.5 Interru�ore magnetico (Reed-Switch)

L’interru�ore magnetico (Reed-switch) può essere utilizzato dal sistema per o�enere un meccanismo di interazione con l’utente che non richieda che quest’ultimo entri a dire�o conta�o con il circuito ele�ronico, so�oposto ad alta tensione (220 V AC), in conformità alle normative di sicurezza vigenti. Il reed-switch viene infa�i a�ivato a�raverso l’applicazione di un campo magnetico, ad esempio utilizzando una comune calamita. L’interru�ore è realizzato in configurazione di pull-up, pertanto quando l’interru�ore è chiuso (i.e. nessun campo magnetico è applicato in prossimita dello stesso) il segnale di input all’ MCU si

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Figura 6: Reed-switch

troverà a livello alto (3.3 V), al contrario in presenza di un campo magnetico l’interru�ore sarà invece "a�ivo" ed il pin di input all’ MCU riporterà un ingresso di "livello basso"

(tensione prossima a GND).

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4 Interfacce e pin-out

Figura 7: Schema dei conne�ori

4.1 Conne�ore di ingresso-uscita linea AC (J2-J3)

I connetori J3 e J2 consentono l’ingresso e l’uscita dei segnali di FASE e NEUTRO della linea AC.

Figura 8: Conne�ori J3-J2

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Pin Nome segnale Tipologia segnale

J3-1 IN_FASE Linea di fase AC (ingresso) J3-2 IN_NEUTRO Linea neutro AC (ingresso) J2-1 OUT_FASE Linea di fase AC (uscita) J2-2 OUT_NEUTRO Linea di fase AC (uscita) Tabella 2: Pin-out conne�ore ingresso/uscita AC

4.2 Interfaccia con PN00120 (J1)

Figura 9: Conne�ore J1

La scheda si interfaccia con il modulo di controllo e radio-trasmissione PN00120 a�raverso il conne�ore J1. In particolare, il modulo PN21004 riporta alla scheda di controllo i seguenti segnali:

Nome segnale Tipologia segnale

IN_REED_1 Input digitale dal Reed-Switch

ADC_CURRENT Segnale di input analogico per la misurazione della corrente AC

ADC_NTC Segnale di input analogico per la misurazione della temperatura della scheda ADC_V_FASE Segnale di input analogico per la misura-

zione della tensione AC Tabella 3: Pin-out conne�ore J2

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1 3.3 V Alimentazione

2 Ground (GND) Alimentazione

3 VCC_AUX Tensione di riferimento per il sensore NTC

5 IN_REED_1 Input digitale dal Reed-Switch

6 - Non connesso

7 ADC_CURRENT

(GND)

Input analogico per la misurazione della corrente AC

8 - Non connesso

9 ADC_NTC Input analogico per la misurazione della temperatura della scheda

10 ADC_V_FASE Input analogico per la misurazione della tensione AC

Tabella 4: Pin-out conne�ore J1

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5 Cara�eristiche meccaniche

A livello meccanico il modulo ricalca le dimesioni della scheda PN00120 fa�a eccezione per un opportuna area lasciata volutamente libera per evitare che, in caso di montaggio

sovrapposto dei due moduli, la scheda PN21004 interferisca con l’antenna stampata sul PCB della "scheda madre".

Figura 10: Meccaniche della scheda

Dimensione Simbolo Valore

Lunghezza A 60.00 mm

Larghezza B 42.00 mm

- C 15.00 mm

- D 33.50 mm

Spessore PCB - 1.50 mm

Numero di livelli - 2

Spessore piste in rame - 35 um

Tabella 5: Dimensioni e specifiche di realizzazione della scheda

Conne�ore Tipologia

J1 5x2 pin / Passo 2.54mm

J2 Morse�o 2 pin / Passo 5.08mm J3 Morse�o 2 pin / Passo 5.08mm

Tabella 6: Specifiche conne�ori

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Vite Tipologia

V1 Foro M3

V2 Foro M3

Tabella 7: Specifiche meccaniche per le viti di fissaggio

6 Silk-screen

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7 Documenti allegati

Documento Tipo documento Autore

PN21004_3D.pdf 3D Render Jacopo Grecuccio

PN21004_SCH_R01.pdf Schema ele�rico Jacopo Grecuccio PN00120-HW.pdf Documentazione

tecnica della scheda PN00120

Jacopo Grecuccio

ACS724-Datasheet.pdf Datasheet del sensore di corrente

Allegro microsystems

Tabella 8: Elenco documenti allegati

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8 Licenza e condizioni di utilizzo

Il so�oscri�o Jacopo Grecuccio, nato a Casarano (Lecce) il 24/04/1994, in qualità di autore del proge�o e di questo documento autorizza l’Università degli Studi di Perugia e i

proponenti del proge�o SIN_00968, senza limiti di tempo, anche ai sensi degli ar�. 10 e 320 cod.civ. e degli ar�. 96 e 97 legge 22.4.1941, n. 633, Legge sul diri�o d’autore, alla

pubblicazione, modifica e/o di�usione in qualsiasi forma del presente elaborato e prende a�o che la finalità di tali pubblicazioni sono meramente di cara�ere informativo ed eventualmente promozionale.

Casarano (LE), 17 Maggio 2021

Jacopo Grecuccio

Maggio 2021 15

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Sistema di controllo con interfaccia di comunicazione radio 868 MHz

Jacopo Grecuccio

J49G14000140008

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PN00120

Documentazione Hardware

Indice

1 Introduzione 3

2 Specifiche tecniche 4

2.1 Condizioni operative consigliate . . . 4 2.2 Cara�eristiche dei canali Analogico-Digitale . . . 4

3 Interfacce e pin-out 5

3.1 Interfaccia con sensori digitali/analogici (J1) . . . 5 3.2 Interfaccia con sistema Host/Slave (J2) . . . 6 3.3 Conne�ore di programmazione (J3) . . . 7

4 Cara�eristiche meccaniche 8

5 Silk-screen 9

Aprile 2021 1

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Elenco delle tabelle

1 Parametri operativi consigliati . . . 4

2 Cara�eristiche del convertitore Analogico-Digitale . . . 4

6 Dimensioni e specifiche di realizzazione della scheda . . . 8

7 Specifiche conne�ori . . . 8

8 Specifiche meccaniche per le viti di fissaggio . . . 9

9 Elenco documenti allegati . . . 10

Elenco delle figure

1 Scheda PN00120 . . . 3

2 Schema dei conne�ori . . . 5

3 Conne�ore J1 . . . 5

6 Meccaniche della scheda . . . 8

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1 Introduzione

Figura 1: Scheda PN00120 La scheda PN-00120 è stata

proge�ata per svolgere il ruolo di modulo di comunicazione radio all’interno di una rete di sensori (Wireless-Sensors-Network WSN) che utilizzano la banda di frequenza 868MHz.

Il dispositivo si basa sul microcontrollore Texas Instruments CC1310 il quale è composto, ad alto livello, da due unità funzionali:

• RF-Core : ele�ronica che consente al dispositivo di comunicare e gestire in maniera e�iciente il canale radio 868MHz

• MCU-Core : basato su un

core Cortex-M3 e dotato delle principali periferiche per l’interfacciamento con sensori/dispositivi/sistemi esterno (I2C,UART,SPI,ADC) e di un modulo

cri�ografico hardware che può consentire l’implementazione di protocolli di trasmissione sicuri sul canale radio

La scheda è stata proge�ata in modo tale da poter utilizzare due tipologie di antenne:

• un’antenna “circuit-printed”, ovvero realizzata dire�amente sul PCB

• un’antenna esterna, connessa all’apposito conne�ore SMA di cui la scheda è dotata, per consentire eventuali miglioramenti delle prestazioni di trasmissione/ricezione sul canale radio

La proge�azione della scheda ele�ronica è stata condo�a al fine di creare un unico modulo hardware che potesse essere utilizzato per la realizzazione di due diversi a�ori all’interno di una rete wireless di sensori:

• Nodo periferico: dispositivo tipicamente collocato nel punto di misurazione (i.e. punto in cui viene “osservata” la grandezza da misurare) ed interfacciato con il/i

sensore/sensori utilizzati per rivelare la misura, che viene inviata poi al concentratore

• Concentratore: dispositivo tipicamente connesso al sistema che si occupa di elaborare i dati provenienti dai nodi periferici ed eventualmente inviarli verso altri sistemi (e.s.

a�raverso la rete internet).

Infine, il chip scelto (CC1310) consente di poter realizzare applicazioni low-power, essendo proge�ato secondo le specifiche di “ultra-low power device” e consentendo, a livello firmware, la gestione di vari stati di funzionamento (running, standby, sleep).

Aprile 2021 3

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2 Specifiche tecniche

2.1 Condizioni operative consigliate

Descrizione Simbolo Minimo Val. Tipico Massimo Unità di misura Temperatura di

funzionamento

Tamb -40 25 85 °C

Tensione di alimentazione

Vss 1.8 3.3 3.8 V

Tensione sui pin digitali

Vdig -0.3 3.3 4.1 V

Tensione sui pin analogici

Van -0.3 3.3 3.8 V

Banda del canale radio

Fband 718 868 878 MHz

Tabella 1: Parametri operativi consigliati

2.2 Cara�eristiche dei canali Analogico-Digitale

Condizioni standard : Tamb = 25C, Vin = 3.0V

Descrizione Simbolo Minimo Val. Tipico Massimo Unità di misura Tensione in in-

gresso

VADC 0 - Vin V

Risoluzione N 12 bits

Frequenza di campionamento

Fs 200 Ksample/s

Errore di o�set Eof f s 2.1 LSB

Errore di guada- gno

Egain -0.14 LSB

Non-linearità di�erenziale

DN L >−1 LSB

Non-linearità integrale

IN L 2 LSB

Tabella 2: Cara�eristiche del convertitore Analogico-Digitale

(22)

3 Interfacce e pin-out

Figura 2: Schema dei conne�ori

3.1 Interfaccia con sensori digitali/analogici (J1)

Il conne�ore J1 consente alla scheda di essere interfacciata con sensori aventi interfaccia di comunicazione digitale, dispositivi di I/O digitali (es. LED, Bo�oni), segnali analogici. Sul conne�ore sono riportati i pin DIO_0, DIO_1, DIO_5, DIO_6, DIO_7, DIO_8, DIO_9 dell’MCU CC1310, i quali possono essere configurati, a livello firmware, per svolgere le funzioni riportate nella tabella seguente.

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Pin Nome segnale Tipologia segnale 1 V3v3(+3.3 V) Alimentazione 2 Ground (GND) Alimentazione

3 IO5 Input/Output digitale o Input analogico 4 Ground (GND) Alimentazione

5 IO6 Input/Output digitale o Input analogico

6 IO0/RXD1 Segnale di ricezione UART , I/O Digitale o Input analogico 7 IO7 Input/Output digitale o Input analogico

8 IO1/TXD1 Segnale di trasmissione UART , I/O Digitale o Input analogico 9 IO8 Input/Output digitale o Input analogico

10 IO9 Input/Output digitale o Input analogico Tabella 3: Pin-out conne�ore J1

3.2 Interfaccia con sistema Host/Slave (J2)

A�raverso i pin disponibili sul conne�ore J2, la scheda può essere connessa ad un sistema host sfru�ando, a seconda delle specifiche del sistema host, uno qualsiasi dei seguenti protocolli di comunicazione seriale:

• UART

• SPI

Su tale conne�ore sono infa�i mappati i pin DIO_10, D_11, DIO_12, DIO_13, DIO_14 dell’MCU CC1310, che a livello firmware possono essere opportunamente configurati per implementare i protocolli di cui sopra.

Per maggiori informazioni sulla configurazione dei pin e sullo sviluppo del firmware, fare

(24)

2 Host/Slave IO / SPI CS 1 SPI Chip-select , Input/Output digitale 3 RXD2 / SPI MOSI SPI MOSI , Segnale di ricezione UART 4 TXD2 / SPI MISO SPI MISO , Segnale di trasmissione UART 5 Host/Slave IO 2 / SPI SCLK SPI Clock , Input/Output digitale

6 RST CC1310 Segnale di reset del MCU

8 - Non connesso

9 - Non connesso

10 Vin Alimentazione

3.3 Conne�ore di programmazione (J3)

Il conne�ore J3 presente sulla scheda, rende disponibili i segnali JTAG per la programmazione della MCU.

Pin Nome segnale Tipologia segnale 1 RST CC1310 Segnale di reset del MCU 2 V3v3 (+3.3 V) Alimentazione

4 JTAG TCK Interfaccia di programmazione JTAG 5 JTAG TMS Interfaccia di programmazione JTAG

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4 Cara�eristiche meccaniche

Figura 6: Meccaniche della scheda

Dimensione Simbolo Valore

Lunghezza A 60.00 mm

Larghezza B 42.00 mm

Spessore PCB - 1.50 mm

Numero di livelli - 2

Spessore piste in rame - 35 um

Tabella 6: Dimensioni e specifiche di realizzazione della scheda

Conne�ore Tipologia

U1 SMA / 5-pin Through-hole

BTH_1 Conne�ore ba�eria "a bo�one"

Tabella 7: Specifiche conne�ori

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Vite Tipologia

V1 Foro M3

V2 Foro M3

Tabella 8: Specifiche meccaniche per le viti di fissaggio

5 Silk-screen

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Documenti allegati

PN00120_SCH_R01.pdf Schema ele�rico Jacopo Grecuccio CC1310_datasheet.pdf Datasheet Texas Instruments CC1310_tech_ref.pdf Manuale Tecnico Texas Instruments

Tabella 9: Elenco documenti allegati

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6 Licenza e condizioni di utilizzo

Casarano (LE), 12 Aprile 2021

Jacopo Grecuccio

Aprile 2021 11

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consumo energetico domestico

Jacopo Grecuccio

J49G14000140008

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Indice

1 Descrizione del sistema 3

1.1 Componenti del sistema . . . 3

1.2 Interfacce di comunicazione . . . 4

1.3 Entità-Relazioni . . . 4

2 Comunicazione sul canale radio 6 2.1 Specifiche del protocollo radio . . . 6

2.2 Protocollo dell’applicazione . . . 6

3 Nodo di misurazione 8 3.1 Specifiche Hardware . . . 8

3.2 Descrizione funzionale . . . 8

3.2.1 A�ivazione della procedura di pairing . . . 8

3.2.2 Pairing con un concentratore . . . 9

3.2.3 Reset delle informazioni di pairing . . . 11

3.2.4 Rilevazione dei dati dal campo . . . 11

3.3 Invio di una le�ura al concentratore . . . 12

4 Concentratore radio 13 4.1 Specifiche Hardware . . . 13

4.2 Descrizione funzionale . . . 13

4.3 Interazione con il gateway IoT-Blockchain . . . 14

4.4 Registrazione di un dato in blockchain . . . 14

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Elenco delle tabelle

1 Riepilogo dei principali parametri del canale radio . . . 6

2 Stru�ura dell’intestazione di un pacche�o . . . 6

3 Tipologie dei pacche�i scambiati tra nodo e concentratore . . . 7

4 Specifiche di interconnessione tra PN00120 e PN21004 . . . 8

5 Parametri della comunicazione UART . . . 13

6 Documenti allegati . . . 16

Elenco delle figure

1 Schema logico del Sistema di Monitoraggio Energetico . . . 3

2 Diagramma Entità-Relazioni . . . 5

3 Rendering del nodo di misurazione . . . 8

4 Diagramma di sequenza della procedura di pairing . . . 10

5 Diagramma di sequenza dell’invio dei dati . . . 12

6 Rendering del concentratore . . . 13

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1 Descrizione del sistema

Il sistema sviluppato consente il monitoraggio del cosnumo energetico di vari

dispositivi/ele�rodomestici all’interno di una singola utenza domestica e registrare i dati all’interno di un’infrastru�ura blockchain interagendo con un opportuno Smart-Contract.

1.1 Componenti del sistema

Figura 1: Schema logico del Sistema di Monitoraggio Energetico

Il sistema, a livello hardware, è composto da tre tipologie di a�ori: Nodi di misurazione, Concentratori di rete, gateway IoT-Blockchain . I nodi di misurazione sono dei dispositivi in grado di misurare la potenza assorbita da un utilizzatore alimentato a�raverso la linea AC 220 V. I nodi inviano periodicamente i dati rilevati ai concentratori di rete, i quali sono incaricati di inoltrare questi dati all’infrastru�ura residente sul livello blockchain. Ogni nodo è univocamente identificabile a�raverso un identificativo di tipo EUI-64, contenuto all’interno della memoria ROM (Read-Only-Memory) del dispositivo.

I dati inviati dai vari nodi, installati nei pressi delle prese ele�riche ai quali i dispositivi ogge�o del monitoraggio sono collegati, vengono collezionati da un concentratore di rete il quale si occupa di tenere aggiornate le statistiche di ogni singolo nodo, ed inviare

periodicamente queste ultime all’opportuno Smart-Contract. Il gateway IoT-Blockchain è un dispositivo ele�ronico in grado da svolgere il ruolo di ponte tra un sistema

Internet-of-Things (IoT) ed un’infrastru�ura blockchain. La principale funzionalità o�erta dal gateway è quella di rendere possibile l’interazione dire�a tra il sistema e l’IoT. Infa�i,

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(33)

esso si occupa di firmare "on-device" ed o�-line le transazioni da inviare ai nodi della rete Peer-to-Peer (P2P), per poter scrivere il dato all’interno della "catena di blocchi" ed

eventualmente interagire con degli Smart-Contracts. Il gateway IoT-Blockchain si presenta come un dispositivo flessibile con il quale è possibile interagire utilizzando, a livello

hardware, un’interfaccia di comunicazione seriale ed un protocollo definito dal fornitore del sistema. Nel Sistema di Monitoraggio Energetico sviluppato, il gateway viene utilizzato per interagire con lo Smart-Contract che si occupa della memorizzazione dei dati rilevati dai nodi e della loro associazione ad una determinata utenza nella rete ele�rica. Ogni gateway è identificato univocamente mediante un identificativo numerico a 256-bits, calcolato a partire dall’identificativo EUI-64 associato al dispositivo.

Ai componenti hardware sopra descri�i, si aggiungono due ulteriori a�ori: l’infrastru�ura blockchain e lo Smart-Contract di gestione dei dati.

1.2 Interfacce di comunicazione

I componenti sopra descri�i, sono interconnessi tra loro utilizzando diverse tipologie di canali di comunicazione e protocolli. In particolare:

• La comunicazione tra i nodi ed il concentratore avviene a�raverso un canale wireless sulla banda di frequenza radio 868 Mhz, inclusa tra le bande di frequenza

Industrial-Scientifical-Medical (ISM) non so�oposte a licenza.

• La comunicazione tra il concentratore radio ed il gateway IoT-Blockchain avviene a�raverso un canale cablato basato su interfaccia hardware

Universal-Asyncronous-Transmission-Line (UART) ed il protocollo di livello applicativo indicato dal produ�ore del dispositivo

• La comunicazione tra il gateway IoT-Blockchain e la rete peer-to-peer, parte dell’infrastru�ura, avviene, a livello hardware, utilizzando un collegamento LAN cablato ed a livello applicativo sfru�ando il protocollo HTTPS.

1.3 Entità-Relazioni

Ognuno dei dispositivi sopra descri�i è identificabile univocamente con un ID, a�raverso il quale è possibile determinare e costriuire le relazioni tra i dispositivi ed associare questi ultimi ad un utente titolare dell’utenza ele�rica sulla quale si sta e�e�uando il

monitoraggio. In particolare a�raverso un’apposita DApp - non ogge�o di questo proge�o e pertanto non descri�a nel documento - un utente può registrare/de-registrare/gestire un determinato Point-of-Delivery (POD), i.e. il dispositivo o�enuto conne�endo insieme un gateway IoT-Blockchain ed un concentratore, utilizzando l’ID univoco del gateway (podId ocollectorId) e l’indirizzo pubblico del wallet blockchain contenuto all’interno dello stesso. �esti dati saranno esposti e resi visibili all’utente mediante apposite etiche�e apposte sull’involucro meccanico che contiene l’ele�ronica e/o sul packaging dello stesso.

In fase di installazione del sistema, l’utente può associare i vari nodi di misurazione ad uno specifico concentratore eseguendo la procedura di pairing descri�a nelle sezioni successive di questo documento.

Con le relazioni ed i meccanismi di associazione definiti, sarà quindi possibile alla DApp individuare i dati relativi al sistema di monitoraggio associato ad uno specifico utente e

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Figura 2: Diagramma Entità-Relazioni

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2 Comunicazione sul canale radio

I nodi di misurazione ed il concentratore comunicano tra loro in modalità wireless

sfru�ando un canale radio. Il livello fisico ed il livello MAC del protocollo di comunicazione sono conformi allo standard IEEE 802.15.4 che definisce le specifiche per le

Private-Area-Network (PAN).

2.1 Specifiche del protocollo radio

La banda di frequenze utilizzata ha frequenza centrale pari ad 868MHz ed ampiezza 25KHz . �esti valori rientrano all’interno delle frequenze ISM (Industrial-Scientifical-Medical) non so�oposte a licenza e liberamente utilizzabili all’interno di reti locali e circoscri�e.

Parametro Valore

Protocollo MAC IEEE 802.15.4g

Frequenza centrale 868.00 M Hz

Ampiezza di banda 25.00 kHz

Ampiezza di banda in ricezione 98.00 kHz Potenza di trasmissione 14 dBm Lunghezza dei pacche�i Variabile Lunghezza massima dei pac-

che�i

255 bytes Velocità di trasmissione 50.000 kBaud Whitening del segnale No

Tabella 1: Riepilogo dei principali parametri del canale radio

2.2 Protocollo dell’applicazione

Al di sopra dei livelli fisico e MAC è stato sviluppato un protocollo di livello applicazione che definisce le modalità di comunicazione ed i pacche�i che vengono scambiati tra nodi e concentratore.

Tu�i i pacche�i scambiati all’interno della rete hanno un intestazione (header) comune avente la stru�ura descri�a nella tabella seguente.

Nome del campo Lunghezza

(bytes) Descrizione

packetType 1 Un byte che identifica la tipolo-

gia del pacche�o

sourceIEEEaddress 8 L’indirizzo MAC del mi�ente del pacche�o, espresso su 8 bytes

Tabella 2: Stru�ura dell’intestazione di un pacche�o

Ogni pacche�o scambiato è classificabile in una delle tipologie definite dal protocollo e

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Tipologia Valore (Esade-

cimale) Descrizione

SENSOR DATA PACKET 0x01 Identifica un pacche�o in-

viato dal nodo ad un concentratore e contenente un dato rilevato dal sensore di corrente.

SENSOR DATA-ACK PACKET 0x02 Identifica un pacche�o

dal concentratore ad un nodo, che ha precedentemente inviato un pacche�o dati, per confermare l’avvenuta ricezione.

PAIR POLL-REQUEST PACKET 0x03 Identifica un pacche�o inviato dal nodo a tu�i i concentratori, utilizzando un indirizzo broadcast, per ot- tenere una lista dei dispositivi "visiibli" dalla quale scegliere il concentratore più in prossimità.

PAIR POLL-ACKNOWLEDGE PACKET 0x04 Identifica un pacche�o inviato da un conentrato- re ad un nodo dal quale ha precedentemente ricevuto una richiesta di pair (PAIR POLL-REQUEST PACKET).

PAIR ACCEPT-REQUEST PACKET 0x05 Identifica un pacche�o inviato da un nodo al concentratore "selezionato", ovvero al concentratore a cui al termine della procedura di pairing verranno (eventualmente) inviati tu�i i DATA PACKETs.

PAIR ACCEPT-ACKNOLEDGE PAC- KET

0x06 Identifica un pacche�o

inviato dal concentratore ad un nodo che ha precedentemente inviato una ACCEPT- REQUEST per confermare a quest’ultimo il corre�o pairing.

Tabella 3: Tipologie dei pacche�i scambiati tra nodo e concentratore

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3 Nodo di misurazione

3.1 Specifiche Hardware

A livello hardware il nodo di misurazione è composto dalla combinazione delle schede PN00120, che svolge le funzioni di controllo del sistema e comunicazione con il

concentratore, e PN21004 che ospita i circuiti di misurazione di tensione e corrente AC ed il Reed-Switch. Le due schede sono collegate tra loro a�raverso i rispe�ivi conne�ori J1.

Nome Segnale Analogico/Digitale) Pin

PN00120 Pin PN21004

IN_REED_1 Digitale J1[5] J1[5]

ADC_CURRENT Analogico J1[6] J1[6]

ADC_V_FASE Analogico J1[10] J1[10]

Tabella 4: Specifiche di interconnessione tra PN00120 e PN21004

Figura 3: Rendering del nodo di misurazione

3.2 Descrizione funzionale

3.2.1 A�ivazione della procedura di pairing

La procedura di pairing (i.e. associazione di un nodo ad un concentatore) viene a�ivata

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sull’interru�ore magnetico (Reed-Switch) presente all’interno del dispositivo. In particolare, per a�ivare la procedura di pairing un utente deve:

1. Assicurarsi che il nodo sia corre�emente alimentato e che si trovi nello stato

"un-paired" (i.e. non associato alcun concentratore) - LED verde spento

2. Avvicinare una calamita in prossimità del Reed-Switch, facendo a�enzione a non toccare inavvertitamente la scheda ele�ronica, so�oposta ad alta tensione 3. Tenere la calamita in posizione per un tempo compreso tra 10 e 60 secondi 4. Rimuovere la calamità

3.2.2 Pairing con un concentratore

La procedura di pairing, consente di associare un nodo ad un dispositivo concentratore, al quale il primo invierà, a�raverso il canale radio, i dati rilevati "dal campo". La procedura è sempre avviata dal nodo a seguito di una opportuna sollecitazione e�e�uata dall’utente e descri�a in precedenza.

La procedura di pairing si suddivide in due fasi: fase di polling e fase di handshaking.

Al termine della procedura, se quest’ultima si è conclusa con successo il LED verde sarà accesso . Al contrario, nel caso di pairing fallito, il LED verde sarà spento ed il LED rosso lampeggerà per 5 volte con intervallo di 150 millisecondi.

Fase di polling

In questa fase il nodo ripete una sequenza di "polling" per 5 volte per e�e�uare una scansione dei dispositivi concentratori "raggiungibili" ed in grado di comunicare. Ogni sequenza di polling è stru�urata come segue:

1. Il nodo invia un pacche�o POLL-REQUEST in modalità broadcast

2. Il nodo a�ende una risposta (POLL-RESPONSE) da un concentratore per un tempo massimo di 1000 ms (i.e. POLL-REQUEST-TIMEOUT)

3. Se il nodo riceve una risposta valida da uno dei nodi nelle vicinanze, controlla la potenza del segnale di ricezione (RSSI) e se quest’ultima è maggiore del valore precedentemente memorizzato (bestRSSI), allora aggiorna il valore bestRSSI e

l’indirizzo del "miglior" concentratore bestConcentratorAddress (i.e. il concentratore con cui la comunicazione è stata migliore - RSSI più alto). Se, al contrario, il nodo non riceve alcuna risposta da un concentratore entro il tempo di timeout nessun dato viene aggiornato.

Al termine di questo ciclo di scansione, se è stato trovato almeno un concentratore raggiungibile la procedura continua con la fase di handshaking, altrimenti il pairing si ritiene fallito.

Fase di handshaking

In questa fase il nodo invia un singolo pacche�o PAIR-ACCEPT-REQUEST, in modalità unicast, al concentratore avente indirizzo bestConcentratorAddress ed a�ende che

quest’ultimo inivii un pacche�o PAIR-ACCEPT-ACKNOWLEDGE a conferma dell’avvenuto pairing. Se il nodo riceve una valida risposta entro 1000 ms dall’invio del pacche�o, allora il pairing si ritiene concluso con successo ed il nodo memorizza in maniera permanente (in

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una memoria non volatile) l’indirizzo del concentratore "associato". Al contrario, la procedura di pairing si ritiene fallita.

Figura 4: Diagramma di sequenza della procedura di pairing

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3.2.3 Reset delle informazioni di pairing

Eseguendo una procedura simile a quella utilizzata per a�ivare il pairing, l’utilizzatore del dispositivo, agendo nuovamente sull’interru�ore magnetico, può e�e�uare un reset dell’associazione con il concentratore. In particolare l’utente deve procedere come segue:

1. Assicurarsi che il nodo sia corre�emente alimentato e che si trovi nello stato "paired"

(i.e. associato ad un concentratore) - LED verde acceso

2. Avvicinare una calamita in prossimità del Reed-Switch, facendo a�enzione a non toccare inavvertitamente la scheda ele�ronica, so�oposta ad alta tensione 3. Tenere la calamita in posizione per un tempo compreso tra 60 e 180 secondi 4. Rimuovere la calamità

Se la procedura viene avviata corre�amente dal nodo, questo cancella le informazioni memorizzate sul concentratore e si porta in stato di "unpaired". Ciò è identificabile a�raverso il LED verde che si spegne in maniera fissa ed il LED rosso che lampeggia per 3 volte con un intervallo di 150 ms. Se la procedura di reset fallisce, il dispositivo rimane in stato "paired" ed il LED verde rimane acceso.

3.2.4 Rilevazione dei dati dal campo

Il sistema e�e�ua rilevazioni periodiche della potenza a�iva assorbita dal sistema, misurando ogni 30 secondi (periodo di misurazione) la potenza media istantanea per un intervallo di 1 secondo (tempo di "sampling"), utilizzando il calcolo descri�o in seguito. In particolare, durante il tempo di sampling, il sistema campiona le onde di tensione e corrente con una frequenza di 2 kHz raccogliendo 1000 campioni rispe�ivamente del segnale di tensione e corrente. A partire dai campioni raccolti, viene riacavata la potenza istantanea moltiplicando il valore di tensione e corrente in ogni istante di campionamento ed infine i valori o�enuti per la potenza istanzanea sono mediati sul numero di campioni per o�enere una singola rilevazione.

A loro volta, le rilevazioni o�enute ogni 30 secondi, vengono mediate su finestre di 30 campioni al fine di o�enere un valore medio della potenza assorbita dal sistema on 15 minuti.

Ogni volta che i campioni relativi ad un intera finestra (periodo di 15 minuti) sono raccolti, la media degli stessi viene inviata al concentratore che provvederà alla notarizzazione del dato. Calcolo della potenza a�iva assorbita dal sistema

La potenza a�iva è definita come la media integrale della potenza istantanea Pist = U (t)∗ i(t), secondo l’equazione:

Pinst,avg = 1 T

� t0+T t0

u(t)∗ i(t) dt [W ]

A partire da questa, è possibile ricavare la medesima definizione in un dominio di tempo discreto, composto da N campioni, come segue:

Pinst,avg = 1 N ∗

�N n=1

u(n)∗ i(n) [W ]

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Pertanto, il sistema o�iene una misura indire�a della potenza media, a partire dalla misurazione dire�a dei segnali di tensione e corrente e dal calcolo sopra descri�o. La misurazione viene e�e�uata e�e�uata a�raverso due canali ADC del MCU CC1310,

opportunamente connessi agli input analogici ADC_CURRENT e ADC_V_FASE provenienti dai circuiti di misurazione presenti sul modulo PN21004 e descri�i nella rispe�iva

documentazione tecnica. Facendo riferimento a quest’ultima, si o�engono inoltre le formule di conversione tra la tensione misurata dal sensore analogico digitale e l’e�e�ivo valore del segnale.

V_{f ase}= 1000∗ ADC_V _F ASE − 1.5

0.015 [mV ]

I_{f ase} = 1000∗ ADC_CURRENT − 1.5

Sens [mA]

3.3 Invio di una le�ura al concentratore

Il nodo e�e�ua una misurazione della potenza assorbita dal sistema monitorato ogni 30 secondi. Successivamente, ogni 15 minuti, il nodo e�e�ua una media delle le�ure e�e�uate in questo arco temporare ed invia il risultato al concentratore.

L’invio del dato è e�e�uato mediante l’invio di un pacche�o di tipo DATA al concentratore, il quale risponde in caso di successo con un pache�o di tipo DATA-ACKNOWLEDGE. Se il concentratore non invia un acknowledge entro 1000 s l’invio viene considerato "fallito" ed il LED rosso lampeggia per 3 volte con un intervallo di 250 ms, nel caso contrario, il LED arancio lampeggerà per 3 volte con un intervallo di 250 ms.

Figura 5: Diagramma di sequenza dell’invio dei dati

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4 Concentratore radio

4.1 Specifiche Hardware

Figura 6: Rendering del concentratore

A livello hardware il dispositivo concentratore è basato sulla scheda PN00120, le cui specifiche e cara�eristiche sono descri�e nella relativa documentazione tecnica. Il concentratore si interfaccia con la scheda "IoT-Blockchain gateway" a�raverso un interfaccia UART sui pin J2[3] (UART-TX) e J2[4] (UART-RX). Le specifiche della comunicazione UART sono le seguenti:

Parametro Valore)

Baud-rate 38400

Numero bit di dato 8

Parità Nessuna

Numero bit di stop 1

Hardware flow-control No

Tabella 5: Parametri della comunicazione UART

4.2 Descrizione funzionale

All’avvio il concentratore si porta in modalità "listening" (LED verde acceso), ovvero rimane in ascolto del canale radio per l’invio di pacche�i provenienti dai nodi nelle vicinanze. I

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pacche�i, come già evidenziato nelle sezioni precedenti, possono essere di tipo broadcast (inviati da un nodo a tu�i i concentratori nelle vicinanze) e unicast (inviati da un nodo ad un singolo concentratore). A livello di protocollo, il concentratore interagisce con i nodi

secondo le modalità descri�e nel capitolo precedente.

Ogni qual volta il concentratore riceve una richiesta di pairing (ricezione di un pacche�o di tipo PAIR-ACCEPT REQUEST) e risponde con un pacche�o acknowledge (PAIR-ACCEPT ACKNOWLEDGE) il LED verde lampeggia per 2 volte con un intervallo di 500 ms. Ogni qual volta il concentratore riceve un nuovo dato da un nodo (ricezione di un pacche�i di tipo DATA) e risponde con un pacche�o di acknowledge (DATA-ACKNOWLEDGE) il LED verde lampeggia per 2 volte con un intervallo di 150 ms. Ogni qual volta il concentratore riceve un pacche�o non valido, il LED rosso lampeggia per 3 volte con un intervallo di 150 ms.

4.3 Interazione con il gateway IoT-Blockchain

Ogni dato ricevuto viene "messo in coda" per la procedura di notarizzazione in blockchain, come descri�o di seguito. A livello applicazione, la gestione della comunicazione radio e l’interazione con il gateway IoT-blockchain è gestita da due thread dell’applicazione distinti, che comunicano tra loro secondo la modalità produ�ore/consumatore su una coda

First-In-First-Out (FIFO) condivisa. In particolare, per ogni pacche�o dati ricevuto corre�amente, il task di gestione del canale radio aggiunge sulla coda condivisa un

messaggio contenente il valore inviato dal nodo e l’indirizzo MAC del nodo - i.e. SensorId . Il thread che si occupa della notarizzazione dei dati, rimane ina�ivo fino a quando almeno un messaggio non viene ricevuto sulla coda condivisa. A seguito della ricezione di un

messaggio, il thread preleva i dati contenuti all’interno del messaggio ed interagisce con il gateway IoT-Blockchain per la registrazione del dato nel ledger distribuito.

4.4 Registrazione di un dato in blockchain

Come già anticipato, il gateway IoT-Blockchain consente al concentratore di interagire con l’infrastru�ura BC inviando i dati ricevuti dai nodi. La comunicazione tra il gateway ed il concentratore avviene su interfaccia UART, seguendo il protocollo indicato dal produ�ore dello stesso gateway. In particolare, il concentratore utilizza due comandi:

• PING : il concentratore utilizza questo comando per verificare la connessione con il gateway

• RECORD-SENSOR-DATA : il concentratore utilizza questo comando, inviando con esso gli opportuni parametri (collectorId, sensorId,sensorData ), per registrare un dato

all’interno della blockchain �adrans, secondo le modalità descri�e nelle specifiche del comando fornite dal produ�ore.

Dopo la fase di avvio iniziale, il concentratore a�ende che il gateway completi la sua procedura di inizializzazione che può durare fino a 2 minuti. Durante questo tempo il LED arancio presente sul dispositivo lampeggia con un intervallo di 1 s. Al termine di tale a�esa, il concentratore invia il comando di PING al gateway, per testarne il corre�o

funzionamento. Se il test ha esito positivo il LED arancone rimane acceso senza alcun lampeggio, al contrario il LED arancione rimane spento ed il LED rosso lampeggia per 3 volte con un intervallo di 250 millisecondi.

Se la prima procedura di PING fallisce, il concentratore la ripete con un intervallo di 5

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In caso di PING avvenuto con successo, il concentratore puù procedere all’inoltro dei dati eventualmente ricevuti dai nodi verso il layer blockchain. La registrazione avviene mediante l’invio, dal concentratore al gateway, del comando RECORD-SENSOR-DATA assieme ai parametri necessari (valore del dato da registrare, indirizzo MAC del sensore, indirizzo MAC del concentratore). Se il comando viene eseguito con successo (dato corre�amente

registrato in blockchain) il LED arancio lampeggia per 3 volte con un intervallo di 250 millisecondi, per poi riportarsi in condizione di acceso permanente. Se l’invio fallisce, il LED rosso lampeggia per 3 volte con un intervallo di 250 millisecondi

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Documenti allegati

PN00120_SCH_R01.pdf Schema ele�rico Jacopo Grecuccio CC1310_datasheet.pdf Datasheet Texas Instruments CC1310_tech_ref.pdf Manuale Tecnico Texas Instruments

Tabella 6: Documenti allegati

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5 Licenza e condizioni di utilizzo

Casarano (LE), 30 Giugno 2021

Jacopo Grecuccio

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