[ATS] Architettura sistema e componenti utilizzati

[GianCann]

 

PARTE 1

In questo post entrerò più nel dettaglio nell'architettura di ATS e dei singoli componenti hardware, descrivendone le loro caratteristiche e il loro ruolo nel sistema stesso.
Nota: sarebbe stato bello poter fare tutto con sensori/attuatori LEGO originali, ma le loro dimensioni/caratteristiche non sono ideali per i nostri scopi. In ogni caso, ove possibile, useremo il più possibile i componenti originali LEGO.

Partiamo dal "cuore" del sistema: Il Raspberry Pi 3 Model B+.

È, sostanzialmente, un micro-pc dalle dimensioni particolarmente ridotte (6x8x2 cm) sul quale può essere installato un sistema operativo derivato da Linux (ma non solo). Nel nostro caso useremo Raspbian, specificatamente derivato per il "Pi" dal noto e diffuso sistema Debian.
Non entro nel dettaglio delle caratteristiche tecniche hardware (che potete trovare dettagliatamente qui) ma per vi basta sapere che integra il WiFi e il Bluetooth e che utilizza una microSD come "disco rigido" (con tutti i vantaggi/svantaggi del caso).
Il costo del solo Raspeberry, su Amazon,  si aggira intorno ai 38 euro. Ricordate che avrete bisogno anche di una microSD (da 8Gb in su), di un alimentatore 5v 3A con connettore microUSB ed, eventualmente, di un case. 
Io vi consiglio di acquistare direttamente un Kit 'all in one' che, con solo 20 euro in più, include alimentatore, case, microSD da 16Gb e cavo HDMI

Se vi piacesse avere il case plastico 'stile' LEGO (compatibile negli incastri), il suo costo è di 6,5 euro, sempre su Amazon

PS. Acquistare il kit 'all-in-one' + il case LEGO costa meno che acquistare separatamente i vari (scheda+alimentatore+scheda SD+ case+cavo HDMI).

Grazie alle sue caratteristiche hardware, useremo il Pi come Access Point e come gateway Bluetooth/IR/WiFi per interagire tra il client di controllo (uno smartphone/tablet/PC) e i vari dispositivi LEGO (Powered Up, Power Function IR, 9v "enhanced").

Il client di controllo, eventualmente, potrà anche non esistere in quanto un mini-LCD touch specifico per Raspeberry (tipo questo) sarà sufficiente ad avviare le nostre automazioni/controllo diretto dei treni.

Sul "Pi" gireranno principalmente due software: Mosquitto MQTT Broker (piattaforma per lo scambio di messaggi basata sul protocollo MQTT) e Node-Red (una sorta di ambiente di "programmazione" visuale basato su Node.js tramite il quale, in modo abbastanza intuitivo, disegneremo le nostre logiche di controllo).
A questi due si affiancheranno una serie di microprogrammi/librerie/script che avranno funzioni di "interfaccia" tra Node-Red e i vari sottosistemi hardware (Bluetooth/IR) che ci consentiranno di pilotare i dispositivi LEGO.

La configurazione del sistema sarà spiegata nei minimi dettagli ma, nel caso non abbiate voglia/tempo di configurare da zero il sistema ATS, metteremo comunque a disposizione una "distribuzione" pronta all'uso, epurata dalla maggior parte dei pacchetti software non necessari e configurata dalla A alla Zeta per i nostri scopi. In termini pratici, basterà scaricare un file .zip, scompattare il contenuto nella microSD ed inserire quest'ultima nel vostro Raspberry ed attendere qualche minuto che il setup effettui l'installazione del sistema operativo personalizzato. Sto facendo dei test anche per una installazione completamente automatica: in questo modo non sarè necessario neanche disporre di un monitor/tastiera/mouse... basterà infilare la microSD nel vostro 'Pi', accenderlo e, dopo una decina di minuti, sarete in grado di rilevare la nuova rete WiFi 'ATS-WiFi-Network' alla quale vi potrete collegare e gestire, da remoto, il sistema o, nel caso dei motori 'Powered Up', usarli quasi istantaneamente tramite Smartphone.

Per meglio comprendere l'architettura del sistema, fate riferimento a questa immagine.

Il sistema ATS potrà controllare, complessivamente, i seguenti dispositivi:

- Fino ad un massimo di 5 Hub Powered UP connessi *contemporaneamente* via Bluetooth (ogni hub dispone di 2 porte per motori o sensori)
- Fino ad un massimo di 8 motori Power Function tramite trasmissione IR
- Un massimo di 15 client WiFi (motori/attuatori/sensori/smartphone)

Sebbene ci siano dei limiti, restano comunque ampiamente superiori ad uno scenario tipo di un diorama complesso con 4-5 treni che girano contemporaneamente, con 4-6 scambi e qualche sensore. In casi particolarmente più complessi si può aggiungere comunque aggiungere un secondo Raspberry con funzioni di client rispetto al primo in modo da poter 'espandere' il sistema.

Nei 'casi d'uso' che useremo come esempi di automazione, faremo comunque riferimento ad un massimo di 4 treni su layout ferroviari di vario genere, lasciando agli AFOL più intraprendenti lo sviluppo di sistemi particolarmente più complessi.

Nei prossimi giorni continuerò la descrizione dei vari componenti del sistema, in modo che chi è interessato possa comprendere bene come funziona il tutto ed eventualmente personalizzarlo secondo le proprie necessità.