IoT ed Industria 4.0

Chi non ha mai sentito parlare di IoT o di Industria 4.0? Ed ancora, chi ne ha sentito parlare ma non ha idea di cosa siano? Bene, in entrambi  casi questo articolo potrebbe essere utile.

Prima di parlare di questi termini, facciamo un passo indietro ricordando la “domotica”, una parola forse più conosciuta. Da anni diverse ditte hanno investito in questo settore, creando dispositivi e sistemi che rendono la casa “intelligente”, o meglio “automatica”. La domotica infatti significa rendere automatica o anche gestita a distanza, la propria abitazione, anzi più esattamente l’impianto elettrico dell’abitazione. E’ bello immaginare di tornare a casa ed appena entrati con un comando vocale, o con un battito di mani accendere a luce con uno scenario ben definito, oppure dal posto di lavoro tramite il telefono chiudere le tapparelle elettriche in caso di pioggia. Queste e tante altre funzionalità sono ormai disponibili da tempo, ma nonostante già da anni queste tecnologie fossero già a disposizione di tutti, la domotica non ha mai preso realmente piede. Sicuramente noi utenti non abbiamo saputo coglierne i  vantaggi (oggi molti faticano a voler spendere soldi per un antifurto, figuriamoci per avere una casa automatizzata) ed altrettanto sicuramente i progettisti e gli impiantisti non ci hanno creduto fino in fondo. Ma secondo me il problema più grande di queste nuove tecnologie, è che le aziende che hanno deciso di investirci, hanno mantenuto i loro sistemi chiusi ed incompatibili tra di loro.

Oggi le cose sono un po’ cambiate, la nascita e la commercializzazione di nuovi dispositivi, sempre più piccoli e sempre più economici, lo sviluppo della rete e della connettività, l’esponenziale sviluppo di dispositivi palmari, tablet e smartphone, facilmente dotabili di applicazioni di ogni tipo, o l’evoluzione di piattaforme di sviluppo di software libere ed aperte, ha aperto un mondo in cui molti costruttori hanno deciso di entrare. Ed è così che nasce l’Internet delle Cose (Internet Of Things, Iot) che rende intelligenti ed interconnessi tutti i dispositivi.

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Oggi abbiamo le TV intelligenti che consentono varie funzioni, il distributore automatico di benzina che tramite un’applicazione sul cellulare ti consente di fare il pieno rilasciandoti in automatico la ricevuta, ed entro breve avremo anche il frigorifero che decide la spesa da fare.

Bisogna cominciare a pensare che molti lavori che nasceranno in futuro dipenderanno da queste tecnologie, ed allora proviamo a conoscere qualche dispositivo ormai noto e famoso alla maggior parte dei “trafficanti” o “smanettoni” di queste tecnologie.

Da quando si sono affacciati sul mercato i primi microcontrollori, è iniziata una vera e propria crescita esponenziale di dispositivi e piattaforme di sviluppo, ed è così che nel 2005 all’Interaction Design Institute ad Ivrea in quella che fu la sede della storica Olivetti, un gruppo di docenti, programmatori e ricercatori, cominciano a lavorare al progetto ARDUINO, una piccola e compatta scheda dotata di un microcontrollore della ATMEL.

Il team composto da Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, e David Mellis, realizza così questa piccola e compatta scheda dotata di un pratico e facile ambiente di sviluppo, e nel giro di pochi anni invade il mercato, attirando l’interesse di tutti gli hobbisti interessati al mondo dell’elettronica e dell’informatica.

Uno strumento molto diffuso anche nel mondo della didattica, la sua semplicità di utilizzo, la piattaforma software open source e la possibilità di acquistare a poco prezzo le varie “shield” (schede aggiuntive compatibili elettricamente e meccanicamente con la scheda arduino) ha permesso a vari allievi di percorsi tecnici, di realizzare progetti di ogni tipo. Basta infatti digitare la parola “Arduino” su youtube per trovare una moltitudine di applicazioni realizzate.

L’ambiente di sviluppo di Arduino  è fornito di una libreria software C/C++ chiamata “Wiring”, tramite questa libreria è possibile accedere ai vari piedini di Input/Output (GPIO, General Purpuse Input Ouput) o ai 6 ingressi analogici disponibili sulla scheda. Ci sono svariate funzioni per utilizzare inoltre i vari protocolli di comunicazione, RS232, I2C, SPI, che rendono possibile l’interfacciamento con altri dispositivi e circuiti.

Sono poi nate altre versioni di Arduino, da quelle dotate di un interfaccia WIFI a quelle con processori diversi e più potenti, fino ad arrivare  quelle minuscole adatte per essere addirittura “indossate”, nel senso che possono trovare allocazione in indumenti o accessori d’abbigliamento.

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Insomma un vero e proprio mondo da scoprire e da utilizzare per dare spazio alla propria fantasia. Sul sito http://www.arduino.cc si possono trovare tutte le informazioni utili per chi vuol conoscere il mondo di ARDUINO, e sui vari siti di e-commerce si possono con poco più di 20 euro, acquistare schede e sensori per fare i primi passi in questo tecnologico ed affascinante mondo.


Lo sviluppo della rete e del wifi, ha reso possibile anche la nascita di dispositivi in grado di gestire autonomamente la connessione ad una rete ed a internet, secondo l’ormai noto protocollo TCP/IP, ed è così che da qualche anno si è affacciato sul mercato un piccolissimo dispositivo a microcontrollore in grado di interfacciarsi con una solida comunicazione seriale basata sui noti comandi AT, ad altri sistemi.

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In circa 2cm di spazio si racchiude un interessante circuito dotato di Wi-Fi e di CPU.

L’ ESP8266 è prodotto da un’azienda cinese e disponibile sul mercato ad un costo di 2-3 euro.

Questo piccolo dispositivo integra al suo interno una CPU a 32 bit da 80MHz Tensilica Xtensa Core, 64KB di memoria programma e 96KB di memoria dati, ha tutte le funzionalità per gestire una connessione Wi-Fi di tipo STAtion o Access Point, oltre alla presenza, nelle versioni più complete, di comunicazione I2C, SPI, UART, 16 GPIO ed un convertitore A/D da 10bit. Insomma una scheda completa di tutte le funzionalità per sviluppare in pochissimo spazio tante soluzioni legate al mondo dell’IoT.  Anche in questo caso troviamo in rete tantissimi progetti già sviluppati da cui trarre qualche spunto, c’è anche un forum di discussione dove trovare tutte le informazioni necessarie per conoscere questo dispositivo, https://www.esp8266.com/.


Restando sempre nelle piccole dimensioni e nel costo basso, possiamo però trovare anche il versatile NodeMcu.

 

Anche in questo caso le ridotte dimensioni non ci devono trarre in inganno, perché a bordo di questa piccola schedina troviamo il modulo ESP8266 visto prima, insieme alle tante funzioni indicate in figura vicino ai piedini della scheda. Anche in questo caso a gestire il tutto c’è una CPU a 32 bit da 80MHz con una memoria che va da 1MB a 4MB a seconda della versione.

Il problema di questi piccoli dispositivi davvero molto potenti e perfetti per le applicazioni IoT, è la documentazione, sono dispositivi a basso costo ed a meno che non si decida di rivolgersi direttamente al costruttore, è molto difficile trovare una chiara e completa documentazione. E’ però anche vero che sono ormai dispositivi noti ed utilizzati da molti sviluppatori, e per questo possiamo trovare in rete molte informazioni per muovere i primi passi. Un’altra cosa positiva del NodeMcu è il fatto che si può programmare utilizzando lo stesso ambiente di sviluppo di Arduino, aspetto questo da non sottovalutare, perché installando i pacchetti necessari per utilizzare NodeMcu nel noto ambiente di Arduino, troveremmo subito disponibili tanti esempi da cui prendere spunto.


Dal mondo dei microcontrollori e delle schede che implementano soluzioni hardware già pronte all’uso, spostiamoci al mondo degli SBC, Single Board Computer.

E’ da tempo che in ambito industriale si trovano dei veri e propri computer in un unica scheda (Single Board Computer) ma è dal 2012, con la nascita della Raspberry Pi Foundation, che questi computer compatti, sono usciti dal recinto delle applicazioni industriali.

Ed è così, inizialmente con una finalità prettamente didattica, che dal 2012 con poco più di 30 euro, è stata messa in commercio quella che mi piace definire una vera rivoluzione tecnologica e cioè la Raspberry PI rappresentata dal simpatico lampone.

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Fondamentalmente non è stato scoperto nulla, ma mettere insieme le caratteristiche di un buon processore ARM, con il mondo dell’open source ha fatto nascere un dispositivo che consente a tutti di entrare con diverse modalità nell’affascinante mondo dell’Informatica e dell’Elettronica.

L’ultima versione di questa scheda è dotata di:

  • CPU ARM Cortex-A53, 1,4GHz quad core a 64bit,
  • GPU integrata,
  • 1GB di RAM,
  • 4 porte USB 2.0,
  • porta Ethernet,
  • 1 uscita HDMI,
  • 1 uscita audio e video composito,
  • ingresso microfonico,
  • connettività Wi-Fi e Bluetooth,
  • un connettore con 40GPIO (tra cui funzioni UART e I2C)
  • connettore per camera CSI e per display DSI

Insomma cosa possiamo volere di più per 32 euro?  Qualcuno potrebbe chiedere ma l’Hard Disk? Beh non so se definirlo un pro o un contro, ma la scelta di dotare la scheda di un lettore per microSD dove installare poi il sistema operativo è davvero comoda.

Il sistema operativo ufficiale Raspbian è  una derivata del solido Debian Linux, scaricabile insieme ad altri sistemi operativi dal sito ufficiale https://www.raspberrypi.org/ .

Qui possiamo trovare anche sistemi operativi per realizzare applicazioni più specifiche come ad esempio un media center, in grado di far diventare la nostra TV una smart TV, o un vero e proprio computer da salotto da utilizzare per navigare in rete, guardare filmati o leggere ed inviare la posta elettronica.

Come ho già detto ci sono molti livelli di utilizzo di questa scheda, partendo dal più semplice si può acquistare la scheda insieme ad una microSD, un cavetto USB ed un kit con tastiera e mouse WiFi, installarci sopra il sistema operativo, collegare la scheda dietro alla TV alimentandola  tramite USB della stessa TV (se presente) ed il gioco è fatto, dal divano di casa potremo utilizzare la TV come un normale PC.

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Esiste anche la possibilità di evitare l’utilizzo della tastiera e del mouse, installando un sistema operativo OSMC, cioè un vero e proprio mediacenter, dove i comandi alla scheda possono essere dati utilizzando lo stesso telecomando della TV.

Ovviamente occorre una minima conoscenza pratica, ma anche in questo caso può venirci in aiuto la rete con le tante idee condivise da chi invece ha già avuto modo di sperimentare e provare la Raspberry.

Passando invece ad un livello di utilizzo più professionale possiamo vedere la Raspberry diventare un vero e proprio WEB server o MAIL server o ancora un server VPN o un server NAS. Insomma deve essere chiaro che la scheda è un computer a tutti gli effetti e per questo ci si possono sviluppare tutti i servizi o tutte le applicazioni software che vogliamo. I più curiosi possono trovare qualche esempio cliccando qui.

Ma non dimentichiamoci un aspetto ancor più interessante, inizialmente ho fatto riferimento al mondo industriale ed al fatto che in questo settore le SBC erano note ed utilizzate da tempo. Con la nascita di schede ad un costo così basso stiamo osservando oggi anche ad un interessamento del mondo dell’industria e dell’automazione al simpatico lampone della raspberry.

Chi lavora nel settore dell’automazione, sa benissimo che uno dei software per la programmazione di PLC più noto è oggi CODESYS, sviluppato e diffuso in varie forme da un’azienda tedesca la 3S-Smart Software Solutions GmbH.

Con questo ambiente si possono realizzare programmi per PLC (Controllori Logici Programmabili e cioè quei dispositivi presenti in gran parte dei macchinari per l’automazione e la robotica) secondo lo standard IEC61131.

Con lo stesso ambiente, installando il runtime venduto dall’azienda su un normale PC si può far anche diventare lo stesso PC, un vero e proprio PLC. Stessa cosa accade con Raspberry, acquistanto a soli 50 euro dall’azienda tedesca il runtime per Raspberry, il nostro piccolo “lampone”, potrà diventare un vero e proprio PLC in grado anche di gestire movimentazioni di assi non interpolate, sfruttando ad esempio un bus di comunicazione come l’Ethercat funzionante su hardware Ethernet.

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Ecco un esempio di una Raspberry come Master Ethercat per gestire degli ingressi ed uscite remoti.


Dalla nascita dell Raspberry in poi, si è aperto un nuovo mercato, che ha visto molti costruttori dedicarsi alla nascita di simili dispositivi, se ne possono trovare diversi con varie caratteristiche. Nella mia esperienza personale mi sono imbattuto in uno di questi che ritengo molto interessante, ed è la UP-Board.

 

Anche se può assomigliare alla Raspberry, la scheda UP è diversa sia nel costo che nelle dotazioni hardware.

Pur restando nel mondo degli SBC, in questo caso ci spostiamo dal mondo della CPU ARM in quello della CPU INTEL anche in questo caso a 64 bit. Il sistema operativo non viene più installato in una microSD, ma nella memoria eMMC interna di dimensioni variabili a seconda del modello scelto, ed il costo ovviamente cresce significatamente (il modello più economico cosa 69 euro).

Anche in questo caso viene fornito dalla ditta un sistema operativo basato su Linux, ma si può tranquillamente installare qualsiasi sistema operativo in quanto sono disponibili anche i driver per le varie versioni di Windows, ed anche in questo caso la scheda è dotata dell’utile connettore a 40pin con le varie GPIO.

Qui si possono trovare le caratteristiche della prima versione della UP, ma nel sito ci sono anche altre versioni diverse con i tanti accessori disponibili.


Insomma il mondo dell’Iot e dell’industria 4.0 ha davvero aperto un nuovo mercato e nuove professioni, e chissà forse proprio all’open source o alla ormai ampia presenza di dispositivi economici e versatili, riusciremo presto a raggiungere un livello di automazione in ogni settore che ci consentirà tante nuove possibilità e comodità.

Grazie.

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