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Hardware e software facili da usare sono il segreto per una corretta implementazione dell’IoT
L’Internet of Things (IoT) e l’Industria 4.0 sono settori di tecnologie emergenti che stanno avendo un impatto enorme sull’odierno panorama dell’elettronica. Prima di dare un’occhiata più da vicino alle correlazioni fra questi due concetti e al loro effettivo impatto, vale la pena spiegare il significato di entrambi i termini.
L’IoT è il concetto che prevede di utilizzare Internet per connettere delle «cose» (ad esempio dispositivi, macchinari, apparecchiature), persone e i servizi cloud gli uni agli altri, in modo da creare opportunità per nuovi casi d’uso e modelli di business.
Figura 1: Illustrazione del concetto di IoT
Tuttavia, i numerosi vantaggi previsti da questo approccio suscitano una domanda: per quale motivo l’industria non ha accolto questa tecnologia in passato? La risposta è semplice. Era necessario che si verificassero specifiche condizioni tecniche, economiche e, forse, addirittura sociali per far sì che l’IoT divenisse realtà.
Condizioni ottimali
Gli odierni microcontroller (MCU) forniscono la necessaria intelligenza all’interno delle «cose» che si trovano ai bordi della rete; pertanto, l’aggiunta della connettività risulta meno costosa e più semplice che mai. Inoltre, la disponibilità di prodotti a semiconduttore a bassa potenza consente un utilizzo più diffuso di soluzioni a batteria. Un ulteriore fattore che agevola le applicazioni IoT è l’ampia diffusione dell’accesso a Internet, che crea nuove opzioni di connettività. Oltre a consentire l’acquisizione di dati da sensori e il controllo di attuatori nei nodi, questa onnipresente connettività a banda larga rende possibile effettuare aggiornamenti software over-the-air di sistemi distribuiti.
Pertanto le applicazioni possono essere aggiornate sul campo al fine di eliminare i bug, per implementare funzionalità aggiuntive o per chiudere le falle di sicurezza. Infine, la disponibilità di servizi cloud pubblici a basso costo riduce le barriere d’ingresso per gli OEM e per altre aziende che desiderano operare in questo campo promettente. Per questo motivo è lecito affermare che siamo arrivati a un punto di flesso nello sviluppo dell’IoT.
Le dimensioni potenziali del mercato relativo all’IoT sono significative. Mentre il mercato dei PC ha raggiunto un volume superiore a 300 milioni di unità all’anno, il mercato dei telefoni cellulari è arrivato a quasi due miliardi di unità all’anno[1]. Tuttavia si prevede che il mercato relativo all’IoT arrivi a un ulteriore ordine di grandezza con più di 50 miliardi di unità[2] entro il 2020. Il motivo di questo volume enorme risiede nel fatto che l’IoT possiede le potenzialità per cambiare veramente le regole del gioco. In pratica, le applicazioni IoT consentiranno alle aziende di generare nuovi flussi di reddito con i loro prodotti e servizi già esistenti, mentre l’unico limite sarà l’immaginazione dei loro progettisti. Inoltre, l’IoT darà ispirazione per nuove pratiche lavorative, dando il via a sostanziali cambiamenti degli attuali modelli e delle attuali strategie di business.
Figura 2: La sequenza temporale da Industria 1.0 a Industria 4.0. Fonte del grafico: per gentile concessione di DFKI (2011).
IoT e Industria 4.0
Le radici di Industria 4.0 affondano in un progetto avviato dal governo tedesco. Dopo l’invenzione del motore a vapore, l’introduzione delle catene di montaggio e l’utilizzo di controller a logica programmabile (PLC), l’arrivo di sistemi ciberfisici rappresenta la quarta rivoluzione industriale che porterà alla creazione di fabbriche intelligenti, adattabili, in grado di utilizzare le loro risorse in modo efficiente e offrire vantaggi ergonomici. I clienti e i partner sono integrati nel processo. Nel complesso, è possibile ottenere un aumento della produttività fino al 30% in base alle stime attuali. La base di questo progetto comprende cosiddetti sistemi di produzione ciberfisici (CPPS, Cyber Physical Production System) costituiti da sensori, processori, software e sistemi di comunicazione che consentono l’architettura «5C» (connessione, conversione, cyber, cognizione e configurazione).
L’Industria 4.0 presuppone inoltre che l’intera situazione della fabbrica sia conservata nel cloud; pertanto anche l’IoT fa parte delle basi dell’Industria 4.0. In un certo senso, l’Industria 4.0 può essere considerata un caso speciale sul tema dell’IoT. Simili iniziative sono state avviate negli USA, tra cui la Smart Manufacturing Leadership Coalition (SMLC) e l’Industrial Internet Consortium.
L’automazione industriale e l’automazione dei processi rappresentano il punto focale della quarta rivoluzione industriale resa possibile dall’IoT, ma gli stessi concetti potrebbero essere estesi ad altri mercati come l’automazione degli edifici e le smart grid. Anziché chiudersi su se stessa, l’Industria 4.0 rappresenta un concetto rivolto al futuro in grado di portare a migliori funzionalità di controllo, maggiore efficienza energetica, maggiore affidabilità e migliore sicurezza.
Implementazione nel mondo reale
È possibile illustrare questo concetto con un esempio pratico. In un’applicazione manifatturiera, le attrezzature in fabbrica utilizzeranno numerosi sensori e attuatori connessi a nodi dotati di MCU, dove i dati vengono preelaborati e aggregati. Questi nodi, a loro volta, utilizzano gateway, bridge o router per comunicare con un cloud IoT per la memorizzazione dei dati. Questo pool di dati basato sul cloud può essere utilizzato per il monitoraggio e la visualizzazione dello stato dell’intera fabbrica, nonché per analisi e strumenti analitici. Inoltre, gli operatori possono utilizzare i loro dispositivi portatili (smartphone o tablet) per collegarsi al cloud per operazioni di controllo remoto. Pertanto, i dati forniti dai sensori sono memorizzati sul cloud in modo da essere disponibili per operazioni di visualizzazione, analisi, processi decisionali e controllo.
La manutenzione predittiva è un concetto interessante reso possibile da questo ambiente raffinato. Anziché attendere che si verifichino guasti delle apparecchiature, il monitoraggio delle condizioni, rispetto all’acquisizione di dati storici dalla stessa macchina, potrebbe essere utilizzato per identificare precocemente i segni di future avarie. Nel caso di un motorino elettrico, i dati acquisiti da sensori di corrente, pressione, temperatura, vibrazione e suono vengono inviati al cloud attraverso una rete IoT secondaria non in tempo reale per evitare il sovraccarico della rete Industrial Ethernet (IE) principale, la quale è dedicata al controllo in tempo reale con alcuni (limitati) dati diagnostici. Una volta che i dati si trovano sul cloud, possono essere utilizzati per analisi, generazione di eventi e ordini di lavoro, notifiche e visualizzazione. Sulla base dell’analisi di questo pool di dati, è possibile inviare notifiche al personale addetto alla manutenzione ogniqualvolta sia necessario eseguire operazioni di manutenzione preventiva.
In che modo le cose si collegano all’IoT?
I sensori e gli attuatori, che sono le vere e proprie «cose» all’interno dello scenario dell’IoT, possono utilizzare tecnologie di connettività wireless come ZigBee, Bluetooth low energy, Sub-1 GHz o nodi cablati per connettersi a un gateway IoT, il quale a sua volta utilizza un agente IoT per connettersi a un router Internet che funge da collegamento finale con Internet. Un approccio più semplice è possibile con l’uso di nodi Wi-Fi, 6LoWPAN ed Ethernet, che supportino l’Internet Protocol e che pertanto possono avere agenti IoT su scheda per la connettività diretta a un router Internet senza il bisogno di un gateway.
Un possibile esempio è dato da un flussometro basato su un MCU MSP430 e da una catena di segnale analogica con soluzione di gestione dell’alimentazione di Texas Instruments (TI). Utilizzando un dispositivo Sub-1 GHz, questa apparecchiatura comunica con un dispositivo gateway basato su un processore Sitara, il quale, in questo caso, è completato da funzionalità di gestione dell’alimentazione, da un dispositivo Sub-1 GHz per la connettività con i nodi e da un dispositivo Wi-Fi per la connettività con il cloud.
Figura 3: Esempio di flussometro connesso
Quali sono le sfide da superare?
È bene non trascurare le numerose sfide poste dall’IoT. Ad esempio, per l’IoT è molto importante stabilire sul cloud una visualizzazione dettagliata del mondo fisico, in modo da consentire migliori funzionalità analitiche e migliori processi decisionali. Rilevare parametri critici in un ambiente complesso non è un compito banale e potrebbe richiedere l’utilizzo di una gran varietà di tecnologie di rilevamento. Inoltre, è necessario scegliere l’opzione di connettività migliore per ciascuna applicazione. Wi-Fi, ZigBee, 6LoWPAN, Bluetooth low energy, Ethernet e altre tecnologie presentano ciascuna degli specifici punti di forza e svantaggi: un approccio standardizzato per ogni evenienza non sarebbe quindi idoneo. ZigBee viene utilizzata spesso per applicazioni di controllo dell’illuminazione, mentre Bluetooth low energy è utilizzata piuttosto spesso per la connessione di telefoni o tablet. La connettività Wi-Fi, a sua volta, rappresenta una scelta diffusa per termostati e altre applicazioni di automazione domestica, mentre la tecnologia Sub-1 GHz è un’ottima scelta per implementazioni che richiedono un ampio raggio d’azione con ridotto consumo di energia. Come primo passaggio, è necessario scegliere fra approcci wireless e via cavo. Mentre le soluzioni wireless offrono flessibilità e facilità di installazione, la connettività via cavo potrebbe risultare più affidabile in ambienti affetti da rumore. L’alimentazione è un ulteriore aspetto critico. Spesso i sensori e gli attuatori vengono posti in posizioni remote, rendendo costoso e laborioso sostituire le batterie. Per questo motivo è indispensabile ottenere un basso consumo energetico e, quindi, l’Energy Harvesting può rappresentare un’opzione interessante per ottenere una maggiore autonomia delle batterie o un funzionamento anche completamente autonomo. La gestione intelligente dell’alimentazione e i circuiti integrati analogici di precisione sono un primo passo efficace sulla strada verso un funzionamento a bassa potenza. Secondariamente, gli MCU a bassa potenza possono offrire un contributo significativo per raggiungere un’autonomia di mesi o anche di anni con una singola batteria.
La sicurezza è un ulteriore aspetto che assume sempre maggiore importanza. I sistemi IoT devono implementare misure di sicurezza efficaci per aumentarne l’immunità contro i ciber-attacchi e altri tipi di minacce alla sicurezza. Queste misure di sicurezza, implementate dal fornitore del sistema IoT, sfruttano le funzionalità di sicurezza messe a disposizione a livello di dispositivo. La protezione è necessaria a tutti i livelli, ma, scendendo a livello di circuito integrato, è necessario proteggere il software (codice), i dati, l’identità del dispositivo e la chiave di sicurezza; pertanto, occorre proteggere tutti questi elementi quando vengono memorizzati, elaborati o trasmessi. Boot sicuro, sicurezza di debug, accelerazione crittografica, identità del dispositivo e programmazione sicura iniziale sono tra le più comuni funzionalità di sicurezza offerte da TI per aiutare a implementare le misure di sicurezza. Le interfacce esterne via cavo e wireless meritano un’attenzione particolare, in quanto possono rappresentare un punto debole notevole, sfruttato dai responsabili degli attacchi per infiltrare codice maligno o per rubare i dati. Inoltre, la sicurezza end-to-end dal nodo al cloud presuppone l’uso di speciali misure di sicurezza richieste dai diversi provider cloud. Nel complesso, la sicurezza riveste un’importanza vitale per proteggere dispositivi, soluzioni e servizi di costruttore, fornitori di servizi, clienti e consumatori.
Figura 4: Esempi di soluzioni di sicurezza su vari livelli
Esiste una strada facile verso l’IoT?
Alla luce di tutte le considerazioni sopra descritte, potrebbe sembrare che la progettazione relativa all’IoT sia un’esperienza altamente complessa, oscura e scoraggiante, che richiede competenze enormi e hardware fuori del comune. Per trasformare l’IoT in un’applicazione ad ampia diffusione, i progettisti di sistemi devono avere accesso a soluzioni semplici. A tal fine, TI si è concentrata sulla facilità d’uso come caratteristica fondamentale delle proprie soluzioni. Tutto inizia con un’ampia gamma di dispositivi, per proseguire con un ambiente di sviluppo software altamente affidabile e concludersi con una vasta scelta di progetti di riferimento TI Design che mostrano come implementare diversi sottosistemi di prodotti in uso nella vita reale. Per affrontare le sfide poste dai progetti di connettività wireless, TI ha precaricato uno stack di rete completo su alcuni dei propri dispositivi Wi-Fi, in modo da offrire una soluzione Internet-on-a-chip. Per quanto riguarda le sfide della progettazione in RF, TI propone alcuni dei propri MCU wireless all’interno dei moduli pretestati (nonché dispositivi discreti).
Un punto di partenza ideale per mettere alla prova il concetto di IoT è l’utilizzo dei kit SensorTag di TI. I kit alimentati a batteria integrano diversi tipi di sensori e includono un supporto di accesso al cloud precaricato, che permette di dimostrare immediatamente come i dati dei sensori vengono visualizzati sul cloud. Passando allo sviluppo di applicazioni prototipo, i kit di sviluppo LaunchPad di TI forniscono gli elementi di base fondamentali per una rapida prototipazione. In aggiunta agli MCU di TI e agli MCU wireless, i kit LaunchPad sono forniti con un’interfaccia a modulo standardizzato plug-in BoosterPack compatibile pin-to-pin per migliorare le funzionalità del progetto. I moduli BoosterPack wireless sono disponibili per Sub-1 GHz, NFC/RFID, Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth e altro ancora. Inoltre, è disponibile un gran numero di moduli plug-in BoosterPack di TI e di fornitori terzi per termocoppia, sensori di temperatura MEMS e hub di sensori. È possibile connettere più moduli plug-in BoosterPack a un singolo kit LaunchPad per creare applicazioni e dimostrazioni sofisticate.
TI ha collaborato con un gran numero di provider di servizi cloud per migliorare l’ecosistema cloud di TI, che consente ai costruttori che utilizzano la tecnologia TI di connettersi facilmente e rapidamente all’IoT, offrendo al tempo stesso servizi differenziati e a valore aggiunto.
Per saperne di più sulla nostra visione per l’IoT, nonché su applicazioni, prodotti e soluzioni cloud, visitate il sito www.ti.com/iot oppure, per vedere come la nostra tecnologia aggiunga intelligenza e connessione alle fabbriche, visitate il sito www.ti.com/industry40.
Avner Goren, General Manager, Strategic Marketing, Embedded Processing, Texas Instruments (TI)
[1] Fonte: Forecast: PCs, Ultramobiles and Mobile Phones, Worldwide, 2012-2019, 2Q15 Update. Gartner
[2] Fonte: The Internet of Things : How the next evolution of the Internet is changing everything. Cisco.
