Sense Hat: scopriamo la scheda che ha portato il Raspberry nello spazio

Forse non tutti ne sono al corrente, ma RaspberryPi è diventato extraterrestre.
Avevamo già visto qualche escursione sui palloni sonda ionosferici in varie parti del mondo, ma ora due Rasppberry, opportunamente accessoriati, sono reduci da una missione sulla stazione spaziale internazionale ISS, accompagnati dall’astronauta inglese Tim Peake.
E’ stato indetto un concorso per i ragazzi delle scuole inglesi in cui gli studenti dovevano proporre gli esperimenti che Tim doveva poi svolgere nello spazio. E’ stata una grande iniziativa, che ha avuto un grande coinvolgimento di persone e enti in Gran Bretagna, e a cui molte persone hanno prestato il loro impegno per renderla possibile, e di cui ora si è chiuso il primo capitolo.

L’ Hardware

Che dotazione dare a un RaspberryPi per trasformarlo in un laboratorio elettronico spaziale?
Portare decine di componenti e sensori diventava quasi impossibile, perché ogni cosa che entra nella ISS deve superare una serie incredibile di verifiche e certificazioni, dalla tossicità in caso si scaldi o incendi ai disturbi elettromagnetici e via discorrendo. Era meglio creare una singola scheda che raccogliesse i principali sensori. Ma quali mettere? Censire quali sensori possono essere utili e quali no, per quale motivo preferire uno all’altro, diventa complicato.
Così, è stato deciso di inserire quelli che avessero una utilità e un senso nel contesto spaziale in cui gli esperimenti educativi si sarebbero svolti: un giroscopio, naturalmente utile in un ambiente privo di gravità, gli accelerometri, che vengono usati nei vettori spaziali per misurare e regolare la spinta dei propulsori, un magnetometro, che è utile per rilevare la propria velocità o spostamento riferito a un campo magnetico, come quello terrestre. Sono stati poi aggiunti sensore di temperatura, umidità e pressione barometrica, per esaminare l’atmosfera. Nella ISS non si possono utilizzare apparecchiature HDMI o tastiere non certificate, motivo per cui sono stati aggiunti un piccolo display a matrice di LED 8×8 RGB e un piccolissimo joystick come dispositivo di input. Questa scheda quindi, nata per lo Spazio, segue lo standard HAT, per essere facilmente configurata in automatico. Si chiama Sense HAT, e è disponibile anche a chi non ha una tuta spaziale, è in grado di trasformare il tuo Raspberry in un piccolo laboratorio universale, per mille sperimentazioni e utilizzi diversi.
I RaspberryPi, coadiuvati dalla Sense Hat, più i moduli camera e un case studiato appositamente (flight case), hanno partecipato alla missione con Tim Peake (che ha fatto da “interfaccia umana” per l’uso degli stessi con i progetti degli studenti) e con gli altri astronauti, tra cui la nostra Samantha Cristoforetti, diventata per tutti AstroSamantha. E’ abbastanza naturale, quindi, che questi laboratori spaziali basati su raspberry, abbiano preso il nome di AstroPi.

Intuendo la versatilità di questa piccola scheda ha, anche avendo i piedi ben ancorati a terra, dovevamo averne una tra le mani, e grazie al nostro nuovo partner Kubii.it, rivenditore ufficiale dei prodotti Farnell, ciò è stato possibile.
Ne nasceranno guide e tutorial, ma iniziamo ora con una panoramica di quello che la scheda offre:

Panoramica Sense Hat

Ricapitoliamo la dotazione di questa fantastica scheda:

• Giroscopio, accelerometro, magnetometro
• Sensore di temperatura e umidità
• sensore di pressione barometrica
• display a 8 × 8 LED RGB
• Mini joystick

E conosciamoli più nel dettaglio:

Giroscopio

Un giroscopio serve a capire come è orientato un oggetto nei tre assi nello spazio. Sono sicuro che, se avete uno smartphone, avete capito che intendo. E’ quel sensore che è in grado di percepire le inclinazioni e rotazioni. Oppure se siete appassionati di volo avrete dimestichezza con le rotazioni sui tre assi:

• Beccheggio (Pitch – su e giù come la rotazione per il decollo e l’atterraggio)
• Imbardata (Yaw – rotazione a destra e a sinistra, come sterzare con una macchina)
• Rollio (Roll – avvitamento, come la rotazione di un cavatappi o di un cacciavite)

Nel Sense HAT, vi è incorporato un piccolo sensore giroscopico a cui possono essere chiesti i valori di queste rotazioni sugli assi di beccheggio, rollio e imbardata, tramite Python. Il risultato sono angoli tra 0 e 360 gradi che vengono restituiti come angoli tra 0 e 360 gradi, oppure come valori degli assi X, Y e Z in radianti al secondo. In questo modo, il tuo programma può reagire in base all’orientamento, oppure mostrarlo. Questo diventa indispensabile nella spazio, dove non esistono più i concetti di “su” e “giù”

Accelerometro

Un accelerometro misura l’aumento di velocità di un oggetto (accelerazione). Quando l’oggetto è fermo, misura la gravità e la direzione, ma in moto si misura la direzione e la forza applicata in quella direzione. Spesso questi sensori si trovano all’interno di dispositivi che hanno necessità di sapere quando sono rivolti verso il basso, come ad esempio un telefono cellulare o un tablet. Quando si ruota lo schermo, ad esempio, l’accelerometro interno rileva che la direzione della gravità è cambiata, e quindi modifica di conseguenza l’orientamento dello schermo. Anche i controller del Nintendo Wii utilizzano accelerometri per interpretare i movimenti delle braccia dei giocatori.
Puoi leggere i dati forniti dall’accelerometro incorporato nel Sense Hat come angoli di beccheggio, rollio e imbardata o come valori degli assi X, Y e Z. Nello spazio, non c’è gravità, quindi segnerà sempre zero, tranne quando la stazione orbitale riceve delle forze di spinta, ad esempio correzioni orbitali o manovre per evitare detriti spaziali.

Magnetometro

Un magnetometro viene utilizzato per misurare la forza e la direzione di un campo magnetico. nella maggioranza dei casi, si usa per misurare il campo magnetico terrestre, indicando la direzione Nord, come una bussola elettronica.
Si può anche utilizzare per rilevare alterazioni del campo magnetico dovute a masse metalliche (ad esempio nei controlli di sicurezza al fine di trovare armi nascoste).
Il magnetometro incorporato nel Sense HAT fornisce un solo angolo, tra 0 e 360 gradi, che indica la rotazione rispetto al Nord geomagnetico, un po’ come l’imbardata dei precedenti sensori. Si può leggere però anche la forza e la direzione del campo magnetico come valori degli assi X, Y e Z in microtesla.

Quando ci troviamo sulla superficie terrestre, la curvatura terrestre (e del suo campo magnetico) è trascurabile, e assumiamo la direzione della bussola come una direzione lineare. Questa semplificazione non è più possibile man mano che ci si allontana dalla superficie della terra. Più ci si allontana, più la curvatura aumenta. Sulla ISS, ad esempio, il nord magnetico potrebbe apparire in qualsiasi posizione nello spazio, in quanto il campo magnetico, a quella altezza è molto curvo, e la stazione orbita intorno alla Terra, il che fa oscillare la posizione del Nord avanti e indietro. Questa caratteristica potrebbe essere utilizzata per contare quante orbite vengono compiute durante l’esecuzione del codice..

Termometro

Inutile che vi spieghi cosa è un termometro. Il Sense HAT ne ha uno integrato, che ritorna la temperatura in gradi Celsius. La temperatura ambientale sulla ISS è attentamente controllata, e quindi la temperatura ambiente non varia molto. Nemmeno il moto ascendente di aria calda avviene, in quanto in assenza di gravità, anche l’aria non ha peso, quindi quella calda e quella fredda non avranno differenze di peso come invece avviene sulla terra.

Sensore di umidità

Un sensore di umidità misura la quantità di vapore acqueo nell’aria. Ci sono diversi metodi di misura, ma il più comune è l’umidità relativa. Una delle principali proprietà dell’aria è che più è calda, e più vapore acqueo può essere sospeso all’interno di essa. Quindi, l’umidità relativa è un rapporto, di solito in percentuale, tra la quantità effettiva di vapore acqueo in sospensione e la quantità massima che può essere sospesa per la temperatura attuale. Se ci fosse 100% di umidità relativa, ciò significherebbe che l’aria è completamente satura di vapore acqueo e non potrebbe contenerne altro.
Il Sense HAT ha un sensore di umidità che ritorna l’umidità relativa in percentuale. Usa i dati del sensore di temperatura per fornire un valore corretto. Sulla Stazione Spaziale Internazionale anche l’umidità è rigidamente controllata, però il sensore è abbastanza sensibile da rilevare il vapore nel respiro umano, il che può essere utilizzato per rilevare la presenza di qualcuno in prossimità.

Sensore di pressione barometrica

Un sensore di pressione barometrica misura la forza esercitata dalle molecole dell’aria nell’ ambiente.
Naturalmente sulla scheda c’è integrato anche questo tipo di sensore, che ritorna un valore in millibar.

Display a matrice di LED RGB 8×8

Questa è l’unica vera forma di output visivo che AtroPi aveva sulla ISS. Una matrice di 64 LED RGB, di cui è possibile specificare le componenti rosse, verdi e blu per ogni singolo LED con valori da 0 a 255, in modo da creare qualsiasi colore.

Micro Joystick a 5 tasti

Quattro direzioni, più ok centrale. utile per dare imput ai programmi, senza dover collegare una tastiera. Combinandolo col display, si possono realizzare piccoli giochi come Tetris o Snake, o per testare, ad esempio, i tempi di reazione dell’ equipaggio. Normalmente i tasti sono mappati con i quattro tasti cursore della tastiera, con il tasto centrale che corrisponde all’Invio.

E’ possibile acquistarla qui, su Kubii.it.

Qui trovate la guida/tutorial relativa alla programmazione in Phyton della scheda, per pilotare la matrice di LED e leggere i sensori e le azioni del joystick