Ciao!
Direi che sei già a buon punto: con Arduino ed ESP32 hai praticamente carta bianca. Soluzioni come Rocrail, o sistemi simili come quello che uso io, andrebbero analizzate molto bene se l’obiettivo è renderle davvero plug and play, ma richiedono parecchio lavoro a monte. Se però sei certo che la topologia del circuito ferroviario sia effettivamente quella che hai condiviso, allora il lavoro si riduce sensibilmente.
Per quanto riguarda invece i sensori a bordo del treno, se vuoi che sia il binario a comunicare al convoglio le informazioni necessarie, le soluzioni possibili sono:
Magneti: piazzi dei magneti sui binari e sul treno un contatto reed o sensore Hall che leggono il passaggio del magnete. Questo sistema non ti permetterebbe di "comunicare" cosa fare in quello specifico tratto di binario, ma solo che "hai passato un punto" poi sarà la logica del programma che hai caricato sul treno a capire cosa farne di questa informazione. Elettronicamente è la più semplice siccome viene interpretato come pulsante;
RFID: la sto studiando ora e secondo me è la più valida per la vera e propria comunicazione con sistemi di terra e di bordo. Ci sono dei problemi con le antenne che sono un po' grosse rispetto alle dimensioni delle locomotive. Appunto per questo sto adottando un sistema dove l'antenna sta a terra e il tag RFID sul treno (come in foto. Il tag è contenuto nel pezzo inferiore di un 60098). Necessita di comunicazioni seriali/I2C/ISP tra antenna e microcontrollore;
Colore: questi sensori non mi fanno impazzire anche perché sono molto sensibili alla luce ambientale e quindi inaffidabili (esattamente come quelli dei PU, EV3, ....) . Sono abbastanza piccoli e dovrebbe essere semplice nasconderli. Anche questi spesso usano comunicazioni I2C.
Per pilotare i motori di scambi e treni ci sono dei circuiti driver più o meno performanti. Per esperienza, non esiste un driver per motori DC uguale identico a quello montato nei ricevitori PowerFunctions che devo dire che veramente buono (brava LEGO ). Appunto, esistono degli integrati che svolgono lo stesso lavoro, non le stesse prestazioni, ma siamo lì. Se non vuoi stare a impelagarti con circuiti integrati, collegamenti difficili, ecc. ti consiglio delle board a cui basterebbe collegare lo stretto necessario cioè alimentazione (sia per il motore sia per far funzionale appunto l'integrato) e controllo della marcia del motore. Mi sono trovato molto bene con questa: https://alishort.com/QCYFo. Va bene per gli scambi, e quindi per tenere acceso un motore DC per poco tempo, e per i treni dove il invece il motore è costantemente in marcia. Invece per il motore da usare, prima che passassi ai servomotori che richiedono una modifica meccanica del deviatoio e quindi l'apertura di esso, avevo comprato dei motori equivalenti ai PF a cui ho rimosso il cavo originale e saldato uno realizzato da me e con dei pezzi LEGO ho realizzato il meccanismo (che si trova ovunque su internet, youtube, ecc.)
In merito alla questione del cablaggio di terra, le soluzioni non sono tante. Io ho risolto il problema realizzando con la stampante 3d delle clip che si agganciano sulle traversine dei binari così da far correre i cavi parallelamente al tracciato (un esempio in foto). Comunque niente che non possa essere realizzato con dei bricks e delle plates
Su AliExpress si possono comprare matasse di cavo da 20m con 3/4/5 conduttori per poco meno di 20 euro. Non so se ha tanto senso optare per un ESP per ogni scambio perché anche lì dovresti tirare un cavo per alimentare ogni board. Nella prima immagine ci sono tanti ESP tanti quanti sono gli scambi che condividono l'alimentazione, mentre nella seconda c'è un solo ESP che gestisce tutti gli scambi (il mio disegno è pessimo , ma spero si capisca)
Per il passaggio a livello ti consiglierei di realizzare un modulo a se perché non sembra ma è veramente difficile lavorare con cavi volanti per tutto il plastico. Ho realizzato un video apposito l'anno scorso (anche se ora l'ho riordinato un po'):
Infine per alimentare gli ESP ho adottato un sistema molto semplice e efficiente, specialmente se si ha che fare con le batterie. Uso il pacco batterie dei PF (o quelli originali LEGO o quelli su AliExpress), delle prolunghe PFs che taglio a metà (lo so, è doloroso infatti compro degli equivalenti: https://alishort.com/leApM), collego un circuito step-down (https://alishort.com/kSE0j) mi permette di abbassare la tensione proveniente dal pacco batterie (9V) a una qualunque tensione inferiore a quella di ingresso (tipo 3.3V) e successivamente collego l'ESP8266 o ESP32. Sconsiglierei l'uso di regolatori di tensione (come il mitico 7805) perché non sono molto efficienti (specialmente se si deve alimentare un grosso carico come appunto un motore).
So che sembra tanta roba da fare, ma ti assicuro che il risultato finale sarà fantastico e super super gratificante!
Spero di esserti stato d’aiuto e resto molto curioso di vedere come evolverà il progetto!!!
A presto
Gabriele