Il cocco parlante

Introduzione

Scopo di questo progetto è realizzare un piccolo diffusore audio, portatile, con interfaccia Bluetooth e dal design unico, il tutto con poca spesa, ridotto tempo di costruzione e complessità. Infatti, al di la della mia applicazione ludica, non sono poche le situazioni in cui è conveniente amplificare una sorgente audio con questo tipo di interfaccia. Ad esempio si possono realizzare:

- sistemi viva voce per audioconferenze di gruppo

- “boombox” per sonificare col proprio smartphone piccoli spazi

- generico audio esterno alla sorgente

L’interfaccia Bluetooth: storia e tecnica

Il Bluetooth è una tecnologia di rete che è stata elevata a standard industriale per la radiocomunicazione dal gruppo di lavoro IEEE 802.15.1 dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers statunitense. Il Bluetooth viene utilizzato per la trasmissione point-to-point senza fili e con connessione di voce e dati tra due dispositivi digitali distinti. Ideato ​​ ​​ nell’ormai lontano 1994 è gestito ad oggi dal Bluetooth SIG (Special Interest Group, vedi bibliografia). Il gruppo Bluetooth SIG, fondato nel settembre del 1998, è oggi un'organizzazione non-profit composta da circa 33.000 imprese (al 2017), che definiscono in modo congiunto gli standard Bluetooth e portano avanti lo sviluppo di questa tecnologia radio. Ogni impresa che sviluppa e produce dispositivi dotati di Bluetooth è tenuta a entrare nell'organizzazione. I promotori più importanti del SIG sono al momento Apple, Ericsson, Lenovo, Nokia, Toshiba, Intel e Microsoft.

A differenza di tanti altri nomi appartenenti al mondo della tecnologia, il termine Bluetooth non ha nulla a che fare con la sua traduzione letterale dall’inglese (il significato del termine sarebbe infatti “dente blu”), ma trova origini, in un contesto piuttosto metaforico, da un personaggio del Medioevo: Harald Blåtand.

Harald Blåtand, in inglese Harald Bluetooth, fu un Re danese vissuto nell’undicesimo secolo: impiegando ad arte le sue doti belliche e diplomatiche, riuscì a riunire le varie tribù della sua terra, differenti per usanze e culture, in un unico e compatto gruppo “nazionale”. La metafora voluta dagli ideatori della tecnologia è proprio questa: sviluppare un sistema che fosse in grado di mettere in comunicazione e unire dispositivi completamente diversi tra loro, ad esempio smartphone, automobili, computer, dispositivi audio, dispositivi di input (es. tastiere e mouse) e così via.

Le frequenze impiegate dal Bluetooth rientrano nella banda ISM, non soggetta a licenza, nell'intervallo da 2,402 GHz a 2,480 GHz. I dispositivi compatibili che rispettano gli standard del Bluetooth SIG possono, in qualità di Short Range Devices (SRD), operare senza restrizioni a livello mondiale in questa banda di frequenze. Nella definizione di ISM (Industrial, Scientific and Medical Bands) rientrano quelle bande di frequenze utilizzate dalle apparecchiature ad alta frequenza dell'industria, della scienza, della medicina e degli ambienti privati che sono, nella maggior parte dei casi, di libero impiego.

Ogni chip Bluetooth viene fornito con un cosiddetto stack di protocollo, un pacchetto software che contiene i servizi legati all'utilizzo di diversi profili Bluetooth. I profili stabiliscono quale tipo di dati possono essere scambiati tra i dispositivi e quali sono, di conseguenza, i servizi fruibili. I profili supportati da un dispositivo possono, in genere, essere verificati nei relativi datasheet e application notes dei chip. E’ importante notare come per poter usufruire di determinate funzioni è necessario che tutti i dispositivi partecipanti supportino lo stesso profilo. Nella seguente tabella ho riportato alcuni dei profili standard più utilizzati, che sono però in continua evoluzione e quindi non può avere certo la pretesta di essere esaustiva né tanto meno definitiva.

Sigla profilo

Nome profilo

Funzione

Dispositivi (esempi)

A2DP

Advanced Audio Distribution Profile

Trasmissione di dati audio in qualità stereo

Sistemi vivavoce, auricolari, lettori MP3

AVRCP

Audio/Video Remote Control Profile

Controllo remoto di lettori audio e video

Televisori, sistemi HiFi, notebook

BIP

Basic Imaging Profile

Trasmissione di immagini

Fotocamere digitali, stampanti, smartphone

BPP

Basic Printing Profile

Connessione a periferiche di stampa

Stampanti, notebook, smartphone

CTP

Cordless Telephony Profile

Connessione a telefoni cordless

Computer, notebook, telefoni cordless

FAX

Fax Profile

Connessione a periferiche fax

Computer, dispositivi fax, notebook, smartphone

GATT

Generic Attribute Profile

Trasferimento a bassa energia di quantità ridotte di dati per Bluetooth 4.0 Low Energy

Computer, notebook, smartphone

HDP

Health Device Profile

Collegamento sicuro a dispositivi medici

Telecomandi, dispositivi medici

HFP

Hands-Free Profile

Collegamento a sistemi di vivavoce

Sistemi vivavoce, smartphone

HID

Human Interface Device Profile

Collegamento a unità di ingresso

Computer, mouse, tastiere

HSP

Headset Profile

Collegamento ad auricolari

Computer, sistemi vivavoce, smartphone

ICP

Intercom Profile

Comunicazione vocale diretta

Computer, telefoni cordless, smartphone

OBEX

Object Exchange Profile

Scambio generico di dati tra due dispositivi

Computer, notebook, smartphone

PBA

Phonebook Access Profile

Fornitura dati relativi alla rubrica di un telefono

Sistemi vivavoce, smartphone

(r)SAP

(remote) SIM Access Profile

Fornitura dati relativi alla scheda SIM di un cellulare

Sistemi vivavoce, smartphone

VDP

Video Distribution Profile

Trasmissione di segnali video

Videocamere, computer, lettori video portatili

 

Nel corso degli anni e dello sviluppo della tecnologia sono state sviluppate varie versioni, riassunte nella tabella seguente:

 

Versione Bluetooth

Introduzione

Max.velocità di trasferimento dati

Novità principali

Bluetooth 1.0a

Luglio 1999

732,2 kbit/s

Prima versione ufficiale

Bluetooth 1.0b

Dicembre 1999

732,2 kbit/s

Miglioramenti generali

Bluetooth 1.1

Febbraio 2001

732,2 kbit/s

Risolti i problemi di connessione e sicurezza; prima versione del prodotto commercializzabile; introduzione della crittografia; fino a sette connessioni simultanee

Bluetooth 1.2

Novembre 2003

1 Mbit/s

Retrocompatibilità con Bluetooth 1.1; aumento immunità ai disturbi grazie a AFH (Adaptive Frequency Hopping)

Bluetooth 2.0 + EDR

Novembre 2004

2,1 Mbit/s

Velocità di trasmissione dati triplicata (rispetto 1.1) grazie all’EDR (Enhanced Data Rate); introduzione gestioni per risparmio energetico; utilizzo aggiuntivo di NFC (Near Field Communication) durante il pairing

Bluetooth 2.1 + EDR

Agosto 2007

2,1 Mbit/s

Connessione automatica senza PIN grazie a Secure Simple Pairing

Bluetooth 3.0 + HS

Aprile 2009

24 Mbit/s

Ulteriore canale Highspeed (HS) basato su WLAN e UWB (banda ultralarga)

Bluetooth 4.0 LE (anche Bluetooth smart)

Dicembre 2009

24 Mbit/s

Stack di protocollo Low Energy (LE) per diverse procedure a bassa energia (p. es. profilo GATT) per dispositivi di dimensioni ridotte; risoluzione degli errori migliorata; crittografia a 128 bit

Bluetooth 4.1

Dicembre 2013

25 Mbit/s

I piccoli apparecchi non richiedono più un intermediario; IPv6

Bluetooth 4.2

Dicembre 2014

25 Mbit/s

Miglioramenti generali

Bluetooth 5

Dicembre 2016

50 Mbit/s

Portata e velocità di trasmissione dati nettamente superiore

 

Essendo la tecnologia Bluetooth basata su un collegamento radio, non possiamo non affrontare il tema della portata e della potenza trasmessa. Il tutto è riassumibile nelle tre classi a cui possono appartenere oggi i dispositivi, come di seguito descritto:

 

Classe

Max.Potenza di trasmissione

Max.Portata (all'interno)

Max.Portata (all'esterno)

Campi d'impiego (esempi)

Classe 1

100 mW

100 m

200 m

Computer, notebook,

Classe 2

2,5 mW

10 m

50 m

Adattatori Bluetooth, computer, notebook

Classe 3

1 mW

1 m

10 m

Dispositivi mobili (smartphones, smartwatches, etc.)

 

E’ chiaro che le portate massime in tabella sono indicative e raggiungibili con buona probabilità nella maggioranza delle applicazioni.

I moduli audio Bluetooth

Proprio la sua versatilità d’impiego ha sancito una larga diffusione nel mercato delle elettroniche consumer di questo tipo di interfaccia. Per chi volesse sperimentare o realizzare qualcosa in proprio, oggi può facilmente trovare una quantità di moduli già assemblati pronti all’uso e spesso anche dotati di parti accessorie. Per questo progetto ho trovato molto interessanti i moduli DW-CT14+ e il Sanwu HP69B, ambedue facilmente reperibili

Figura 1: Vista del moduto CT14, dimensioni 20x40mm

tramite i soliti canali online a costi irrisori.

I dispositivi sono molto simili per prestazioni, quello che li distingue un poco sono le dimensioni e alcune funzioni accessorie. Vediamone ora le caratteristiche salienti .

 

DW-CT14+

Questo modulo integra in pochissimo spazio un transceiver Bluetooth 4.2, due amplificatori audio da 5W in classe F e può anche essere usato come scheda audio tramite il connettore USB. Richiede una alimentazione da

Figura 2: Vista e connessione del modulo Sanwu

3,7 a 5V, alimentazione fornita da una batteria al litio e ricaricabile tramite la porta USB.

 

 

 

SW-HP69B

Questo modulo integra in pochissimo spazio un transceiver Bluetooth 4.2, due amplificatori audio da 6W in classe F e può essere anche usato come scheda audio tramite il connettore USB. Va abbinato ad altoparlanti da 6÷8Ω di impedenza e richiede una alimentazione da 3,7 a 5V, alimentazione fornita da una batteria al litio e ricaricabile tramite la porta USB.

Realizzazione pratica

Per realizzare qualcosa di utile e personale al tempo stesso, ho pensato di utilizzare il guscio di una noce di cocco per accogliere tutti i componenti. Una volta scelto il frutto, possibilmente di generose dimensioni, occorre provvedere a vuotarlo dal suo succo e polpa e far asciugare bene la “corteccia” esterna. Per far questo occorre aprirlo cercando di non danneggiarlo e poi una volta vuotato o esporlo ad aria e sole o passarlo per qualche tempo in un essiccatoio.

Nel mio caso, pur avendo a disposizione e avendo testato tutti e due i moduli suggeriti sopra,

Figura 3: Vista interna del "Cocco parlante"

ho preferito impiegare quello della Sanwu, che offre qualche piccola funzione in più quali ad esempio l’indicazione a led della carica e l'interruttore on/off già integrato.

Come altoparlanti si possono sperimentare varie soluzioni. Una ottima scelta di riuso sono quelli recuperati da moderni TV a schermo piatto, generalmente di buona qualità e dimensioni compatte. L’unica raccomandazione è che la loro impedenza ricada nel campo di applicazione del modulo e la potenza sia altrettanto adeguata.

Come fonte di alimentazione la scelta più adeguata per costo, prestazioni e semplicità è l’impiego di una cella al litio da 3,7V. Io ne ho riciclata una recuperata da un vecchio smartphone. Indicativamente la batteria di uno smartphone è più che adeguata ad offrire alcune ore di funzionamento, se non si esagera col volume.

Recuperate tutte le parti non rimane che assemblarle dentro al frutto (o meglio, al suo guscio). I vari componenti possono essere fissati con colla a caldo o epossidica. Il cablaggio, vista la sua semplicità è realizzato tutto filato punto a punto, usa

Figura 4: Dettaglio fessura per rendere accessibile dall'esterno la presa USB di ricarica

ndo le indicazioni serigrafate sui circuiti stampati per riconoscere le connessioni.

Per rendere accessibile la presa USB per la ricarica, si può eseguire una piccola fessura nel guscio, così come gli altoparlanti possono trovare luogo sia affacciati all’esterno tramite opportune fenditure, sia fissati all’interno, lasciando al suono via d’uscita tramite alcuni fori.

Una volta completato il tutto, si può passare al collaudo abbinando il “cocco parlante” con una sorgente, ad esempio il proprio smartphone. Per

Figura 5: Schermata di configurazione del dispositivo su telefono Android

eseguire questo passaggio, serve riferirsi alla prassi in uso col proprio dispositivo master (i.e smartphone, tablet, etc.) , ma di solito è attività molto semplice, veloce e non richiede PIN. Il ricevitore Bluetooth Sanwa si “presenta” come “Xspecial Audio”. Ricordarsi di configurare correttamente le autorizzazioni, ad esempio non condividendo null’altro che l’audio.

Una volta verificato il corretto funzionamento del tutto, si può passare a sigillare i due mezzi gusci del cocco, tramite un poco di adesivo epossidico o policloroprenico (anche noto come adesivo a contatto). Per assicurare un perfetto e duraturo risultato, si può porre sotto (moderata) pressione le due parti fino a reticolazione avvenuta.

Conclusioni

Al di là dell’uso e delle finalità ludiche presentate di questo studio, credo il sistema possa trovare vasto impiego in molte applicazioni a casa quanto al lavoro. L’uso dei moduli indicati è quanto mai semplice e diretto e accessibile anche a chi ha poca dimestichezza con saldatore e software. Buoni esperimenti quindi a tutti.

Bibliografia

https://it.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

https://www.aranzulla.it/bluetooth-come-funziona-1044984.html

 

By iw4blg

Pierluigi Poggi since his childhood has been attracted from technical stuffs and gears, being a very curious guy. He built his first Xtal radio when he was just 9. Today, we would call him “maker”. When he turned to 21 became radio amateur, with call sign iw4blg. Since then, he developed many radio gears and felt in love with space communication, becoming an EMErs and a satellite enthusiast. His great passion led him to experiment a lot on the higher bands, up to pioneering several THz (lightwaves) QSOs on the early ’90. Beside to this passion to the radio communication and modern technologies, he like to study, experiment, understand-why, then, write and share, or better, spread the knowledge. This fact led him to became a well renowned contributor of electronics magazines with more than 95 articles published and author of 14 science books.

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