Arduino Nano è una scheda di sviluppo compatta e potente, progettata per chi cerca una soluzione pratica e funzionale per i propri progetti elettronici. È una piccola versione di Arduino comoda per l'utilizzo su breadboard e basata sull'ATmega328 (Arduino Nano 3.0). Uno dei suoi principali vantaggi è la compatibilità con l’ecosistema Arduino, facilitando la programmazione e l'integrazione con una vasta gamma di sensori e moduli.
Caratteristiche Principali
La scheda Arduino Nano è dotata di:
- 14 pin di input/output digitali (6 dei quali possono essere usati come segnali PWM)
- 8 input analogici
- Un quarzo a 16MHz
- Un connettore Mini-B USB
- Un connettore per la programmazione ICSP
- Un pulsantino per il reset della scheda
La scheda inoltre fornisce tutto ciò che è necessario per supportare il funzionamento del microcontrollore.
Alimentazione
L’alimentazione può avvenire tramite porta USB o pin dedicati, garantendo flessibilità d’uso. Per cominciare ad utilizzare la Arduino Nano è semplicemente necessario connettere la scheda ad un PC tramite un cavo USB oppure fornire una tensione di alimentazione esterna non regolata compresa fra 6V e 20V collegandola al pin 30 oppure fornire una tensione di alimentazione regolata a 5V collegandola al pin 27. Seleziona automaticamente la sorgente di alimentazione.
Alimentazione esterna a +5 VCC: in questo caso, l’alimentatore deve essere collegato al pin “+5V IN” o al pin VIN del connettore della scheda, come indicato nella disposizione dei pin. Riguardo al pin VIN, per abilitare l'alimentazione tramite questo pin occorre che il ponticello relativo a VIN sia cortocircuitato. La scheda Arduino Nano Matter assorbe tipicamente una corrente di 16 mA, ma la corrente operativa può variare in funzione dell'applicazione. Inoltre, si consideri che la scheda può essere impostata in modalità “Low-Power”, ossia per un basso consumo energetico, ma per questo tipo di funzionamento la scheda deve essere alimentata esclusivamente tramite il pin “+5V IN”.
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Pinout e Funzionalità dei Pin
Ciascuno dei 14 pin digitali della Arduino Nano può essere utilizzato come ingresso oppure come uscita utilizzando le funzioni pinMode (), digitalWrite (), e digitalRead (). Tutti i pin operano a 5V e sono in grado di fornire o ricevere un massimo di 40 mA, su tutti i pin è presente una resistenza di pull-up interno (disabilitata di default) con un valore compreso tra 20Kohm e 50Kohm.
- Seriale: Pin 0 (RX) e pin 1 (TX). Vengono utilizzati per ricevere (RX) e trasmettere (TX) i dati seriali TTL.
- Interrupt Esterni: Pin 2 e pin 3. Questi pin possono essere configurati per attivare un interrupt su un livello logico basso, un fronte di salita o di discesa o cambiamenti di valore.
- PWM: Pin 3, 5, 6, 9, 10, e 11.
- SPI: pin 10 (SS), pin 11 (MOSI), pin 12 (MISO) e pin 13 (SCK).
- LED: collegato al pin 13.
La Arduino Nano dispone di 8 ingressi analogici, ciascuno di questi pin fornisce una risoluzione a 10 bit (cioè 1024 valori differenti). Per default questi pin effettuano le misure utilizzando come riferimento superiore i 5V e come riferimento inferiore la massa.
- AREF: Tensione di riferimento per gli ingressi analogici. È possibile cambiare il riferimento superiore utilizzando il pin AREF e la funzione analogReference ().
- RESET: Un livello basso su questo pin resetta il microcontrollore.
Comunicazione
La Arduino Nano è in grado di comunicare con un computer, un altro Arduino o altri microcontrollori tramite la porta UART TTL dell' ATmega328, la connessione UART TTL è disponibile sui pin digitali 0 (RX) e 1 (TX). La comunicazione con un computer avviene tramite la porta USB ed è controllata dal chip FTDI presente sulla scheda che, tramite i propri drivers, mette a disposizione una porta COM virtuale. Il software Arduino include anche un monitor seriale che consente di visualizzare i dati testuali inviati e ricevuti dalla scheda Arduino Nano.
Sulla scheda sono presenti i LED RX e TX che lampeggiano quando i dati vengono trasmessi o ricevuti tramite la connessione USB. I LED RX e TX non lampeggiano quando è in corso una comunicazione seriale sui pin 0 e 1. Tramite la libreria SoftwareSerial è possibile indirizzare la comunicazione seriale TTL a 5V verso qualunque pin della Arduino Nano.
Il supporto alla comunicazione seriale consente di interfacciarsi facilmente con altri dispositivi, ampliando le possibilità di sviluppo.
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Programmazione
L'Arduino Nano può essere programmata con il software di Arduino (download). Dopo avere lanciato il software selezionare "Arduino Duemilanove o Arduino Nano con ATmega328" dal menù Strumenti > Scheda (secondo il microcontrollore impiegato sulla scheda. L'ATmega328 utilizzato sulla Arduino Nano è precaricato con un bootloader che permette di caricare il nuovo codice senza utilizzare di un programmatore hardware esterno. La comunicazione avviene utilizzando il protocollo STK500 originale.
È anche possibile ignorare il bootloader e programmare il microcontrollore utilizzando un programmatore ICSP (In-Circuit Serial Programming).
Essendo stato fatto un aggiornamento importante al bootloader, l’IDE non può programmare la scheda, quindi è necessario aggiornare dal proprio gestore schede “Arduino AVR Boards” alla versione più recente. Effettuato l’aggiornamento, selezionare come tipologia di processore “ATmega328P” e non “ATmega328P (Old Bootloader)”.
Reset (Software) Automatico
Il reset della Arduino Nano (da effettuare prima di caricare un nuovo sketch) può essere effettuato con il pulsante presente sulla scheda oppure tramite il software in esecuzione sul computer collegato alla scheda. Una delle linee di controllo del flusso hardware (DTR) del chip FTDI è collegata alla linea di reset dell'ATmega328 attraverso un condensatore da 100nF. Quando questa linea è posta a livello basso , viene attivata la procedura di reset per il tempo necessario al ripristino dell'ATmega328. Il software di Arduino utilizza questa funzionalità per consentire di caricare il codice premendo semplicemente il pulsante di caricamento nell'ambiente Arduino.
Questo permette al bootloader di essere ben coordinato con l'inizio del caricamento. Questa configurazione ha altre implicazioni. Quando la Arduino Uno R3 è collegata ad un computer con sistema operativo Mac OS X o Linux e viene effettuata una connessione tramite USB viene generato un impulso di reset della durata di circa 500mS.
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Arduino Nano Matter
Dall’unione di Arduino con Silicon Labs, sfruttando Matter, il protocollo standard di connettività IoT, nasce Arduino Nano Matter, un nuovo potente hardware di piccole dimensioni. Arduino Nano Matter integra il potente microcontrollore MGM 240S ad alte prestazioni prodotto da Silicon Labs, che include direttamente lo standard avanzato Matter per la connettività Internet of Things (IoT). La struttura compatta e robusta di Arduino Nano Matter è perfetta per progetti che richiedono efficienza energetica e una vasta gamma di opzioni di connettività, come Bluetooth Low Energy (BLE) e Open Thread. Grazie alla sua semplicità e versatilità, Arduino Nano Matter può interfacciarsi agevolmente con qualsiasi dispositivo compatibile con il protocollo Matter e sfruttare l'ampia gamma di periferiche e I/O dell'ecosistema Arduino per migliorare la connettività dei dispositivi e le capacità di progettazione.
Applicazioni di Arduino Nano Matter
- IoT (Internet of Things)
- Domotica
- Automazione professionale
- Monitoraggio ambientale
- Climatizzazione
- Automazione degli edifici: con Arduino Nano Matter, è possibile ottimizzare la gestione degli edifici per migliorare il comfort delle persone e l'efficienza energetica.
- Gestione dell'energia: in quest’altra applicazione viene utilizzata la connettività di Arduino Nano Matter per il controllo dei misuratori di energia e degli elettrodomestici intelligenti per la gestione ottimale del consumo energetico di un edificio.
- Automazione industriale: con Arduino Nano Matter viene sfruttato tutto il potenziale della produzione moderna. Progettato per una perfetta integrazione in ambienti industriali, esso semplifica le operazioni attraverso l’interoperabilità macchina-macchina mediante la quale viene migliorata la produzione attraverso la supervisione dinamica tra le macchine.
Matter: Il Protocollo di Connettività
Uno dei più importanti pilastri su cui si basa la potenza della nuova scheda Arduino Nano Matter è il protocollo Matter. Considerando i numerosi standard e protocolli di comunicazione disponibili nel settore della casa intelligente, è difficoltoso decidere quale utilizzare nello sviluppo di un progetto. Matter è un protocollo che consente ai dispositivi intelligenti di diverse aziende di comunicare tra loro. Fondamentalmente, i dispositivi che "parlano Matter" funzionano con gli stessi comandi. È interessante sapere che non si tratta di una nuova tecnologia di rete wireless, ma piuttosto di un insieme di comandi standardizzati inviati su reti IP locali. Matter utilizza Thread, Wi-Fi ed Ethernet come tecnologie di rete sottostanti. Può utilizzare BLE per l'accoppiamento o la messa in servizio del sistema.
Tuttavia, dal punto di vista dell’utente, la differenza più grande tra queste diverse tecnologie per la casa intelligente sono i dispositivi supportati. Molti produttori si sono impegnati a rendere alcune parti del loro portafoglio compatibili con Matter, il che è positivo, ma, a volte, è necessario un altro hub Matter. Attualmente, alcuni dispositivi compatibili con il protocollo Matter sono disponibili sul mercato, tra cui la scheda Arduino Nano Matter. Matter è una grande sfida che avrà sempre più dispositivi compatibili per lo sviluppo di progetti della casa intelligente, con Zigbee già dominante nei sistemi di controllo dell’illuminazione, Z-Wave nei sensori e nei moduli, e altre tecnologie ancora in altri campi.
I dispositivi Matter possono utilizzare diverse tecnologie per comunicare. Queste possono essere cablate, come Ethernet, e wireless, come Wi-Fi e Thread, diversamente da Zigbee o Z-Wave, che combinano il livello fisico, di rete e applicativo in un unico standard. Tutte queste reti sono locali, il che significa che sono governate e controllate all'interno della casa/edificio intelligente. La maggior parte degli hub Matter include un'opzione di bridging a Internet.
Microcontrollore e Periferiche
Incentrata sul potente microcontrollore MGM240S, un Arm Cortex-M33 a 32 bit di Silicon Labs, la scheda Arduino Nano Matter ha un'architettura compatta ad alta efficienza che integra un modulo wireless ad alte prestazioni ottimizzato per le esigenze di connettività dei dispositivi IoT alimentati a batteria e della rete mesh a 2,4 GHz. Al microcontrollore sono collegate diverse periferiche: periferiche di comunicazione UART, SPI e I2C; periferiche I/O, PWM, convertitori ADC e DAC.
Esempio di Applicazione: Controllo LED RGB con Alexa
In questo esempio, vedremo come utilizzare Arduino Nano Matter come dispositivo smart IoT per controllare con Alexa di Amazon il LED RGB integrato nella scheda. Prima di andare all’applicazione, occorre installare la scheda Arduino Nano Matter nell’IDE di Arduino di cui scaricherete l’ultima versione dal sito ufficiale www.arduino.cc. Il core Nano Matter di Silicon Labs contiene le librerie e gli esempi necessari per lavorare con i componenti della scheda, come il protocollo Matter, Bluetooth Low Energy (BLE) e I/O.
Installazione del Core Nano Matter
Per installare il core Nano Matter, aprite l’IDE di Arduino. Successivamente, andate su Strumenti > Scheda > Gestione schede e nella casella di ricerca digitate “Nano Matter”.
Configurazione e Programmazione
In questa applicazione, utilizzeremo la scheda Arduino Nano Matter come lampadina LED mediante il LED RGB integrato nella scheda stessa. Il codice di questa applicazione si trova nei file di esempio dell’IDE di Arduino. Quindi, aprite l’IDE e andate su File > Esempi > Matter e aprite lo sketch chiamato “nano_matter_lightbulb_color”. La messa in servizio, o attivazione (commissioning) del dispositivo viene verificata con Matter.isDeviceCommissioned() per mostrare all'utente le credenziali di accoppiamento di rete, se necessario, e la connessione viene confermata con la funzione Matter.isDeviceThreadConnected(). Collegate la scheda al computer e aprite l’IDE di Arduino.
- Selezionate la scheda con Strumenti > Scheda: “Nano Matter”.
- Poi selezionate la porta COM dove è connessa la scheda (ad esempio la COM9) cliccando su Strumenti > Porta: “COM9”.
- Infine, occorre selezionare il protocollo Matter con Strumenti > Stack di protocolli > Matter.
Ora, copiate il codice riportato sopra e incollatelo in un nuovo sketch. Prima di caricare il codice nella scheda, verificatelo cliccando sul pulsante “Verifica“ e se è privo di errori procedete alla programmazione della scheda cliccando su “Carica”. Dopo aver caricato il codice, aprite il monitor seriale dell’IDE di Arduino e resettate la scheda premendo il pulsante di reset per avviare il programma.
Accoppiamento del Dispositivo Matter
Nel monitor seriale saranno indicate le credenziali per connettere il dispositivo Matter alla rete, ovvero, un codice per l’accoppiamento manuale e un URL per generare il codice QR per accoppiare automaticamente il dispositivo. Per fare l’accoppiamento automatico aprite l'URL in un browser per generare il codice QR che utilizzerete in seguito. Dopo aver selezionato “Altro”, apparirà una schermata con alcuni loghi. Selezionate il logo “Matter”. Si aprirà una serie di schermate di configurazione del dispositivo. Nella schermata di riconoscimento del codice QR del dispositivo cliccate su “Scansiona codice QR”. Nella pagina seguente scansionate il codice QR che avete generato in precedenza. Successivamente, selezionate la rete Thread disponibile e attendete che il dispositivo venga messo in servizio e aggiunto all'app Alexa.
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