Domotica

Come un po’ tutti i miei amici, cerco sempre idee e soluzione per semplificarmi la vita, sono notoriamente pigro.

Le attività domestiche ripetitive mi hanno sempre annoiato e dal 2023 ho iniziato a pensare a cosa mi piacerebbe avere in un ipotetico impianto domotico… negli ultimi mesi, dopo l’arrivo della cagnolina, questo mio malessere è aumentato, quindi ho deciso di iniziare un progetto domotico completamente sviluppato da me. Data di inizio per la stesura dei requisiti, 16 Novembre 2024, e tutt’ora non chiusa. Per motivi legati al mio background il “model based system engineering” è diventato una ossessione, e in particolare il requirement engineering. Di conseguenza credo che questa parte di lavoro proseguirà ancora per alcuni mesi. L’obiettivo è di congelare la lista di requisiti a fine febbraio 2025.

Come tutti gli smanettoni tecnologici mi sto facendo aiutare da strumenti software open source, nei prossimi giorni pubblicherò la lista di strumenti e i progressi che sto raggiungendo

I progetti

• Antifurto: un sistema d’allarme con accesso contactless, progettato da zero con MBSE e pensato per funzionare anche senza internet
• Stazione meteo: display e-paper a batteria, dai requisiti al PCB, in versione ESP32 e Nordic
• Energia: fotovoltaico da 1 kWp sul balcone, batteria LiFePO4 da 3 kWh e un piccolo UPS, perché in blackout i carichi essenziali restino accesi (pubblicazione in arrivo)
• Irrigazione: balcone e mini-serra, 8 elettrovalvole per 8 famiglie di piante, sonde di umidità del terreno e acqua da serbatoio o da acquedotto (pubblicazione in arrivo)

Una chiacchierata con Cheap

Per raccontare che cosa può fare una casa che si arrangia da sola ho chiesto aiuto a Cheap, la mascotte del sito: il robottino con il prezzo stampato in faccia, due occhi che sono un 2 e un € e una bocca a forma di c. Due centesimi, IVA inclusa. Quella che segue è una chiacchierata immaginaria: Cheap è un disegno e le battute le ho scritte io. Lui sostiene il contrario.

I casi d’uso possibili

Ogni caso d’uso ha la stessa forma: che cosa fa, con quali sensori e attuatori e che cosa decide la logica. Li ho raggruppati per tema. Alcuni sono già progetti del sito, altri sono possibilità da tenere nel cassetto. La regola è sempre la stessa: la decisione si prende in casa e il telefono serve per sapere, non per far funzionare le cose.

Tema	Che cosa fa	Sensori e attuatori	Che cosa decide la logica
Sicurezza: antifurto	Sorveglia porte, finestre e stanze quando la casa è inserita.	Contatti magnetici, rilevatori di movimento, sirena, tastiera o lettore contactless.	Se un ingresso si apre a impianto inserito parte il tempo di uscita o di ingresso, poi sirena e notifica. Un sensore manomesso è un allarme, non un dettaglio.
Sicurezza: perdite d’acqua	Si accorge dell’acqua dove non dovrebbe esserci.	Sensori di allagamento a pavimento sotto lavello, lavatrice e boiler; elettrovalvola sull’ingresso dell’acqua.	Chiude la valvola, avvisa e aspetta che qualcuno controlli. Non la riapre da sola.
Sicurezza: fumo e monossido di carbonio	Porta l’allarme dei rilevatori in tutta la casa e sul telefono.	Rilevatori certificati con un’uscita leggibile (contatto o radio), luci, sirena.	Avvisa tutti, accende le luci del percorso verso l’uscita. Non sostituisce mai il rilevatore: lo ascolta.
Comfort: clima per stanza	Ogni stanza ha la sua temperatura e il suo orario.	Sonde di temperatura e umidità, valvole termostatiche o relè sul riscaldamento, contatti sulle finestre.	Segue il programma della stanza. Se una finestra resta aperta, abbassa e avvisa.
Comfort: luci e presenza	Accende quando serve, spegne quando non c’è nessuno.	Sensori PIR o radar mmWave, sensore di luce, relè o dimmer.	Luce solo se c’è qualcuno ed è buio. Con il radar la stanza resta illuminata anche per chi legge immobile sul divano.
Comfort: tapparelle	Apre al mattino, ripara dal sole nelle ore calde.	Motori con fine corsa, sensore di luce, pulsanti a muro.	Orari e soglie di luce. Il pulsante a muro vince sempre sull’automatismo.
Energia: fotovoltaico e accumulo	Usa l’energia del sole quando c’è e la batteria quando serve.	Inverter ibrido e batteria con BMS, letti su Modbus o CAN; misure di potenza.	Quando caricare e quando scaricare. In blackout tiene accesi solo i carichi essenziali.
Energia: carichi differibili	Sposta i consumi flessibili nelle ore di sole.	Relè o prese comandate su boiler e apparecchi degli hobby; sensori di corrente.	Accende quando c’è surplus, senza superare la potenza del contatore. Se due carichi si contendono il sole, decide una priorità.
Energia: misura dei consumi	Dice dove va l’energia, circuito per circuito.	Sensori di corrente e di energia, contatori con uscita digitale.	Conserva lo storico e segnala le anomalie, per esempio un frigorifero che non si ferma più.
Acqua e giardino	Annaffia vasi e aiuole secondo le esigenze delle piante.	Elettrovalvole, sonde di umidità del terreno, flussimetro, livello del serbatoio, dati meteo.	Una ricetta per ogni gruppo di piante. Salta il turno se ha piovuto o se il terreno è umido. Se l’acqua scorre quando non dovrebbe, chiude tutto.
Cucina e hobby: lievitazione	Tiene l’impasto al freddo e lo risveglia in tempo.	Sonde di temperatura e umidità, gruppo frigo, riscaldatore, umidificatore.	Calcola quando iniziare a scaldare per avere l’impasto pronto all’ora scelta. Un termostato hardware indipendente fa da rete di sicurezza.
Qualità dell’aria	Ricorda che ogni tanto bisogna aprire le finestre.	Sensori di CO2, umidità, polveri sottili e composti organici volatili; ventilazione.	Avvisa o accende la ventilazione quando l’aria peggiora. Niente allarmi a raffica per un sugo sul fuoco.
Animali domestici	Tiene d’occhio la stanza in cui l’animale resta da solo.	Sonda di temperatura, livello dell’acqua nella ciotola, eventualmente un sensore di presenza.	Avvisa se fa troppo caldo o troppo freddo, o se l’acqua sta finendo.
Accessi contactless	Apre la porta con una tessera o con il telefono.	Lettore NFC o Bluetooth LE, serratura elettrica, pulsante di uscita.	Verifica la credenziale in casa, registra chi entra e chi esce, revoca subito una tessera persa.
Notifiche	Avvisa la persona giusta nel modo giusto.	Bot Telegram, app, display e-paper, sirena.	Distingue un’informazione, un avviso e un allarme. Raggruppa i messaggi poco importanti e insiste solo su quelli urgenti.
Manutenzione e diagnosi	Avvisa prima che qualcosa si rompa.	Livello delle batterie, qualità del segnale radio, messaggi periodici di “sono vivo”, ore di lavoro di pompe e valvole.	Segnala il sensore che tace da troppo tempo, la batteria in esaurimento, la pompa che lavora più del solito.

Due precisazioni importanti. La prima riguarda gas, fumo e monossido di carbonio: un sensore economico collegato a un microcontrollore è un ottimo esercizio, ma non è un rilevatore. Per il gas combustibile esistono norme precise (la serie EN 50194) e dispositivi certificati. In casa la domotica può ascoltare questi dispositivi e diffondere il loro allarme, non prenderne il posto. La seconda: ogni caso d’uso ha un comando manuale. Se la luce non si accende con il sensore, l’interruttore deve funzionare lo stesso.

I contorni tecnici

Fin qui il “che cosa”. Adesso il “come”, in versione sintetica. Ogni progetto del sito ha la sua architettura, ma lo scheletro è sempre lo stesso.

Quattro piani, dal sensore al telefono

• Dispositivi. Sensori e attuatori: contatti, sonde, radar, valvole, relè, motori. Ognuno fa una cosa sola e la fa bene. Spesso sono microcontrollori ESP32 o Nordic, a batteria o alimentati.
• Radio e fili. Il modo in cui i dispositivi parlano con la centrale. Non esiste la radio migliore: esiste quella adatta al caso d’uso (vedi la tabella qui sotto).
• Centrale locale. Il cervello della casa: raccoglie i messaggi, applica le regole, conserva lo storico e mostra lo stato su un touch o su un display e-paper. Può essere un ESP32-P4, un Raspberry Pi CM5 o un piccolo PC. I messaggi viaggiano su un broker MQTT.
• Cloud facoltativo. Un piccolo server privato (VPS) per l’accesso da fuori casa, le notifiche e le copie di sicurezza. Facoltativo vuol dire proprio questo: se lo spegniamo, la casa continua a funzionare.

Le radio (e un filo)

Protocollo	Quando lo usiamo	Punti di forza	Limiti
Wi-Fi	Dispositivi alimentati, molti dati, la centrale stessa.	Il router c’è già e si arriva direttamente in rete IP. Sugli ESP32-C6 è Wi-Fi 6 a 2,4 GHz.	Consuma più degli altri. A batteria funziona solo con sonni lunghi; il risparmio del Wi-Fi 6 (Target Wake Time) richiede anche un router Wi-Fi 6.
Bluetooth LE	Configurazione dal telefono, app, sensori vicini, prossimità.	Ogni telefono lo parla. 1 o 2 Mbps, con una modalità a lungo raggio a 125 o 500 kbps.	Portata da stanza; per arrivare in rete serve un ponte.
IEEE 802.15.4 (Thread, Zigbee)	Sensori a batteria sparsi per la casa.	Rete a maglia: i nodi alimentati si passano i messaggi. Thread usa IPv6, quindi ogni sensore ha un vero indirizzo.	Va a 250 kbps. Thread ha bisogno di un border router verso la rete di casa, Zigbee di un gateway che traduca.
Matter	Dispositivi di marche diverse che devono capirsi.	Non è una radio ma un linguaggio comune sopra IP: funziona su Thread, Wi-Fi ed Ethernet. L’SDK di riferimento è open source (Apache-2.0).	Più complesso da sviluppare; la messa in servizio passa di solito dal telefono via Bluetooth LE.
ESP-NOW	Comandi e misure brevi tra ESP32, anche senza router.	Niente associazione al router e niente indirizzo IP: si parla subito. Fino a 250 byte per messaggio (1470 con la versione 2.0) e fino a 20 dispositivi nella lista dei contatti.	Solo tra chip Espressif. Se il nodo è collegato anche al router deve usare il suo canale. La conferma dice “il frame è arrivato”, non “il comando è stato eseguito”.
Cablato (RS-485, Modbus, ingressi a filo)	Inverter, contatori, lettori della porta, sensori dell’antifurto.	Robusto e senza batterie da cambiare: un bus differenziale come l’RS-485 sopporta bene i disturbi. Modbus è il linguaggio di molti inverter e contatori.	Bisogna posare i cavi. Ma un cavo non si scarica e non si può disturbare con un trasmettitore.

Local-first: prima la casa, poi internet

È il principio che guida tutti i progetti di questa pagina. Tutto ciò che serve a far funzionare la casa sta in casa: sensori, centrale, regole, storico. Internet e il VPS servono solo per due cose: vedere la casa da fuori e ricevere le notifiche. Se la connessione cade, le luci si accendono lo stesso, l’irrigazione rispetta il suo turno e l’allarme suona lo stesso. Quando la linea torna, i messaggi rimasti in coda possono ripartire.

Privacy

I dati di una casa raccontano molto: quando ci siamo, quando dormiamo, quando partiamo. Per questo restano sulla centrale locale. Verso l’esterno esce solo il minimo necessario, e le copie di sicurezza partono già cifrate. Il radar mmWave aiuta anche qui: si accorge di una persona ferma senza riprenderla, perché non è una telecamera. Il bot di Telegram è comodo ma è un servizio esterno, proprietario anche se gratuito: gli mandiamo avvisi brevi, mai lo storico della casa.

Sicurezza informatica

• Una rete separata per i dispositivi della casa, distinta da quella dei computer e dei telefoni.
• Nessuna porta aperta sul router. È la casa a collegarsi al VPS, in uscita, su un canale cifrato; da fuori si entra solo attraverso una VPN, per esempio WireGuard.
• Aggiornamenti firmati. Chip come l’ESP32-C6 hanno il secure boot (eseguono solo firmware firmato da noi) e la cifratura della memoria flash.
• Credenziali per dispositivo, niente password di fabbrica e la possibilità di escludere un sensore compromesso senza fermare il resto.

Alimentazione: batterie e sonnellini

Un sensore a batteria dura se dorme quasi sempre. L’ESP32-C6 e l’ESP32-H2 in deep-sleep scendono a circa 7 µA: il sensore si sveglia, misura, trasmette e torna a dormire. È lo schema della stazione meteo. La scelta del componente pesa più di quanto sembri: un modulo radar a 24 GHz assorbe circa 80-120 mA a 5 V, mentre un modulo a 60 GHz pensato per la batteria, come quello basato sull’Acconeer A121, in attesa sta intorno ai 64 µA medi. Un sensore di gas MQ-4, invece, ha un riscaldatore che a 5 V assorbe circa 150 mA, sempre: niente batteria, solo alimentazione fissa.

Affidabilità: degradare con grazia

È un’idea che arriva dall’antifurto e vale per tutta la casa. Ci sono funzioni che devono funzionare sempre e funzioni di comodità che possono anche mancare, purché non si portino dietro il resto. Nell’antifurto la sicurezza minima (sensori cablati, centrale, sirene, batteria, linea cellulare) resta attiva anche quando il livello connesso va giù. E ogni guasto ha la sua risposta: se manca la corrente si va a batteria, se cade la rete di casa c’è il cellulare, se il cloud non risponde tutto continua in locale, se il telefono è scarico ci sono la tessera NFC o il PIN.

Per gli attuatori la regola è decidere a tavolino lo stato sicuro: una valvola dell’acqua che non riceve più ordini deve finire chiusa, non aperta; un riscaldatore senza supervisione deve spegnersi.

Il metodo: prima i requisiti

Nessuno di questi progetti parte dal carrello degli acquisti. Si parte dagli stakeholder (sì, anche la cagnolina), dai casi d’uso e dalle misure di efficacia; poi si scrivono i requisiti e solo alla fine si scelgono i componenti. È il model based system engineering, raccontato passo per passo nella sezione MBSE. Sembra lento, ma evita di scoprire a metà lavoro che il sensore scelto non basta.

Strumenti open source

• Home Assistant (licenza Apache-2.0, oggi sotto la Open Home Foundation): una piattaforma open source molto usata per la centrale di casa. I nostri dispositivi parlano MQTT, quindi possono lavorare con Home Assistant oppure da soli.
• Eclipse Mosquitto (EPL-2.0 / EDL-1.0): un broker MQTT leggero.
• OpenThread (BSD-3-Clause) e l’SDK di Matter (Apache-2.0) per le reti Thread e i dispositivi interoperabili.
• Node-RED (Apache-2.0) per disegnare automazioni a blocchi, quando una regola è più chiara come diagramma.
• WireGuard (GPLv2 per il modulo del kernel e gli strumenti) per l’accesso remoto e ntfy (Apache-2.0 / GPLv2) come alternativa auto-ospitata alle notifiche push.

Per approfondire

Pagine già pubblicate:

• Antifurto: l’allarme con accesso contactless e il principio del “degradare con grazia”.
• Stazione meteo: un sensore a batteria che dorme quasi sempre, dai requisiti al PCB.
• ESP32 e Nordic: i microcontrollori che stanno dentro i dispositivi.
• App Mobile: le app per parlare con i dispositivi dal telefono.
• MBSE: il metodo, dai bisogni ai requisiti.
• Visualizzatore 3D: un modulo ESP32-C6 da girare tra le dita, virtualmente.

In preparazione:

• gli articoli della serie Tecnologie su radar mmWave, ESP-NOW, ESP32-C6, ESP32-H2 e sensori (pubblicazione in arrivo);
• la serie “Centrale su VPS”, dedicata al piccolo server che fa da cloud privato (pubblicazione in arrivo);
• i progetti Energia e Irrigazione (pubblicazione in arrivo).