Schede intelligenti per oggetti connessi

Che si tratti di professionisti, appassionati, studenti o divulgatori, la strada per sviluppare (o rendere compatibile) un prodotto con gli ultimi paradigmi tecnologici, in particolare con Internet delle Cose, è lastricata di schede intelligenti. Negli ultimi tempi il ricorso a soluzioni di sviluppo “do it yourself” più o meno aperte e più o meno potenti ha dato un forte impulso all’arricchimento degli oggetti con funzionalità di comunicazione basate su vari sistemi e protocolli, a fronte di costi veramente contenuti. Ovviamente, oltre che all’hobbistica, queste schede sono destinate alla prototipazione o alle piccole produzioni, e rappresentano un passaggio fondamentale per lo sviluppo degli oggetti interconnessi. Questo segmento di mercato è popolato sia da colossi dell’elettronica sia da start-up che si finanziano attraverso iniziative di crowfunding, e la cui tenuta nel tempo contempla non pochi dubbi. Che si tratti di schede basate su microcontrollore, schede System-on-Chip o Single board computer, alla resa dei conti si stanno affermando una serie di tecnologie dominanti verso le quali tutti i fornitori stanno lentamente convergendo. Al di là di questo, l’offerta è veramente polverizzata. Nel novero delle soluzioni disponibili abbiamo scelto qualche esempio che dimostra come anche per questi kit di sviluppo e integrazione la spinta dell’IoT sia ormai un elemento fondamentale nel futuro dell’elettronica.

Sviluppare Internet delle Cose

La società Particle è una vera miniera di queste soluzioni. In particolare, l’azienda propone una serie di prodotti rivolti prettamente allo sviluppo IoT. La sua ultima creazione si chiama Photon, costa meno di 20 dollari ed è una delle schede più piccole disponibili sul mercato. Basata sull’architettura Wiced di Cypress, l’unità sfrutta un microcontrollore STM32F205 Arm Cortex M3 a 32 bit a 120 MHz e un chip Wi-Fi BCM43362, supportato da un’antenna uFl che permette di ricevere anche dove il segnale è più debole. Oltre a mettere a disposizione un insieme completo di pin di I/O, alcuni dei vantaggi principali di Photon sono legati alla possibilità di collegarsi ai servizi web dell’azienda per accedere all’ampia libreria di programmi pronti all’uso e al supporto Ifttt (If this then that). L’app gratuita Tinker fornita a corredo consente di accelerare la curva di apprendimento e le attività di troubleshooting. Photon è disponibile in quattro versioni: modulo base singolo, modulo base in vassoi, modulo add-on preprogrammato con firmware Particle, e modulo preprogrammato con firmware Particle e con antenna integrata. Tra i numerosissimi kit basati su componenti Atmel, spicca la scheda Pinoccio alimentata dal single chip ATmega256RFR2 e conforme agli standard Ieee 802.15.4. Pinoccio offre un dispositivo di controllo wireless web-ready dotato di funzionalità Wi-Fi, batteria LiPo e radio integrata. Più unità Pinoccio possono comunicare tra loro utilizzando una rete mesh, garantendo un’efficienza superiore rispetto ai dispositivi Wi-Fi standard. Gemalto offre la Cinterion Concept Board, una piattaforma di sviluppo ampliabile per il mercato M2M che opera in ambiente Java. Dotata di alloggiamento per Sim, la Board può essere connessa a schede sensori compatibili Arduino e comprende un modulo M2M con antenna Gsm/Umts per la connessione a reti cellulari 2G e 3G. Il modulo mbed C027 di uBlox è un kit cellulare che consente la prototipazione di una varietà di applicazioni IoT. La scheda dispone di un ricevitore Gps/Gnss Max-7Q e di un modulo cellulare Umts/Cdma Lisa o Gsm Sara, ed è ideale per lo sviluppo di soluzioni di comunicazione globali ma mirate. L’unità è dotata anche di interfacce Ethernet e Can e di una serie di canali di comunicazione accessibili attraverso connettori standard. La scheda Feather Huzzah Esp826 di Adafruit è uno dei prodotti meno costosi in commercio. Si tratta di una scheda di sviluppo Wi-Fi all-in-one con Usb e carica batteria. Cuore del prodotto è un Mcu Wi-Fi ESP8266 a 80 MHz alimentato a 3,3 . Il microcontrollore contiene un core Tensilica e uno stack Wi-Fi completo ed è programmabile con l’Ide Arduino per operare come elemento Internet of Things. Tra le altre funzionalità e dotazioni, l’unità prevede anche un chip Usb-Serial SiLabs CP2104 a 0,9 Mbaud, auto-reset, 4 MB di flash. Per operare, la scheda non necessita di batteria in quanto può essere alimentata direttamente da Usb. Le misure sono ridotte a 51 x 23 x 8 mm a fronte di un peso inferiore ai 10 grammi. Il kit per lo sviluppo di applicazioni video MatrixCam di ON Semiconductor è stato realizzato per favorire l’adozione di applicazioni video nell’ambito di soluzioni dedicate a Internet of Things, velocizzando la loro introduzione sul mercato. Tra i principali campi di utilizzo spiccano i sistemi domotici, i sistemi di controllo degli accessi agli edifici, i baby monitor, i sistemi illuminotecnici avanzati e gli elettrodomestici intelligenti. Il kit offre una funzione di streaming intelligente con attivazione automatica avviabile tramite la connessione Bluetooth Low Energy o attraverso il rilevamento del movimento tramite un sensore a infrarossi. Il tutto può essere configurato mediante una semplice interfaccia web grafica o una app dedicata per dispositivi mobili. Arduino MKR1000 è una scheda open source progettata per offrire una soluzione versatile ed economica a chi cerca di arricchire con funzionalità Wi-Fi i propri progetti con una minima esperienza in fatto di networking. Anche questa scheda con antenna su Pcb prevede un circuito di gestione/carica Li-Po che permette di commutare automaticamente dalla fonte di alimentazione esterna alla batteria. La scheda MKR1000 vanta un’ottima potenza di calcolo a 32 bit, una ricca dotazione di I/O, funzionalità Wi-Fi arricchite con Cryptochip per la protezione delle comunicazioni e Ide Arduino per lo sviluppo e la programmazione. Tali caratteristiche ne fanno una scelta ideale per le applicazioni IoT a batteria emergenti. Chip è un vero e proprio computer basato su un potente processore Allwinner R8 da 1 GHz e dotato di radio Bluetooth 4.0 e Wi-Fi integrate e pronte all’uso. Per circa 9 dollari, l’unità offre anche 9 GB di memoria ad alta velocità per immagazzinare una distribuzione Linux speciale di Debian e 512 MB di Ram per il software utente. Oltre a fornire un’uscita audio, l’unità è progettata per lavorare con qualsiasi tipo di display grazie all’uscita composita e all’adattatore Vga e Hdmi. Alimentabile tramite Usb o batteria, l’unità è supportata da un sistema di sviluppo che gira su Pc. SmartEverything è un componente core sviluppato in Italia da Axel Elettronica in collaborazione con Arrow, per accelerare l’ecosistema IoT. Si tratta di una scheda con fattore di forma Arduino integrata con un gran numero di porte I/O e sensori e di tecnologie di connettività wireless ad alta efficienza energetica. Tra gli equipaggiamenti principali si segnalano: microcontrollore Atmel Sam D21 con Mcu a 32 bit Arm Cortex-M0+, modulo SigFox Telit LE51-868 S 868 MHz, Gps/Gssn con antenna integrata Telit Jupiter SE868-A, Nfc Ntag con antenna Nxp NT3H1101FHK per condividere i dati con lo smartphone, sensore di pressione Mems, sensore di luce ambiente e di prossimità, modulo inerziale iNemo a 9 assi, sensore di temperatura e umidità. L’unità è compatibile con Arduino ed è dotata di chip CryptoAuthentication per lo scambio e la memorizzazione di dati in modo sicuro. Per trasformare un’idea IoT in realtà è disponibile la scheda Linkit One di MediaTek Labs, compatibile con il pinout Arduino. La scheda è supportata da un kit di sviluppo per software e hardware, Api e dalla MediaTek Cloud Sandbox per visualizzare i dati ed effettuare il controllo da remoto. A questo si aggiunge il programma di supporto MediaTek Labs Partner Connect per facilitare l’industrializzazione dei progetti. In particolare, la scheda è una piattaforma di sviluppo basata sul Soc MT2502 (Aster), il più piccolo System-on-Chip al mondo (5,4 x 6,2 mm) per applicazioni indossabili, e su un chipset di accompagnamento con funzionalità Gsm, Gprs, Bluetooth 2.1 e 4.0, SD Card, Audio MP3/AAC, Wi-Fi e Gnss. Tessel 2 è una scheda di sviluppo professionale corredata da un’ampia scelta di sensori, attuatori e apparati nativi o sviluppati da partner (accelerazione, ambiente, commutazione, infrarosso, Gps, Rfid, fotocamera) che possono essere collegati direttamente alle relative porte per moduli. Alimentata da un processore MediaTek MT7620n da 580MHz, la scheda è completata da un coprocessore Atmel SAMD21 da 48MHz per una migliore gestione energetica e l’I/O in tempo reale. La dotazione di memoria (64 MB di Ddr2 di Ram e 32 MB di Flash) offre spazio sufficiente per immagazzinare i codici più complessi. La porta micro-Usb viene utilizzata sia per l’alimentazione sia per collegarsi al Pc. La connettività è garantita dalle porte Wi-Fi e Ethernet. Tessel vanta un’ampia collezione di sensori e attuatori supportati dalle relative librerie basate su JavaScript e Node.js. Fona 808 Mini Gsm + Gps di Adafruit è un dispositivo cellulare miniaturizzato con tracking Gps che permette di arricchire qualsiasi progetto con funzionalità di localizzazione e di comunicazione vocale, testuale, sms e dati. Le misure particolarmente contenute ne fanno una soluzione adatta alle applicazioni embedded. Adafruit propone anche Flora. Il profilo rotondo e le dimensioni compatte fanno di Flora una scheda ideale per i prodotti indossabili, tanto che il suo produttore la definisce “cucibile”. Basata su un microcontrollore Atmega 32u4 compatibile Arduino, questa piattaforma è dotata di supporto Usb integrato, tasto di reset on-board, 4 spie e 14 piazzole utilizzare per cucire letteralmente la scheda su qualsiasi capo (con un apposito filo conduttivo venduto a corredo) e per collegare l’alimentazione esterna. Il supporto Arduino Ide 1.6.4.+ modificato e i numerosi moduli add-on (ad esempio per integrare Bluetooth low energy) garantiscono la massima flessibilità. In tema di Bluetooth Low Energy, la famiglia LightBlue di PunchThrough offre una soluzione compatibile Arduino per aggiungere profili di comunicazione Ble a qualsiasi dispositivo. La famiglia è declinata su due prodotti: Bean e Bean+. Entrambi sono dotati di Led Rgb, sensore di temperatura e accelerometro. Bean è dotata di una pila a bottone e offre dimensioni contenute (7,5 cm di lunghezza) riducibili qualora non fosse necessaria l’area di prototipazione. Bean+ prevede in più una batteria ricaricabile LiPo e connettori “grove” per collegare i moduli aggiuntivi senza saldature. Le unità possono essere abbinate a qualsiasi dispositivo Android o IOS e possono essere programmate attraverso la piattaforma BeanLoader su Pc o Mac. VisibleThings di Avnet Silica è una delle piattaforme di valutazione e sviluppo più note ai progettisti IoT. La piattaforma offre una serie di risorse hardware e software collaudate, verificate, sicure e integrate per collegare sensori intelligenti e dispositivi embedded direttamente alle applicazioni cloud ed enterprise tramite soluzioni gateway o tecnologie di rete Lpwa. La piattaforma supporta funzioni di connettività a corto raggio verso unità gateway e connessioni Wi-Fi e 3G ad applicazioni Cloud e aziendali. Essa supporta anche le reti IoT in tecnologia SigFox e LoRaWan per messaggistica a basso costo in banda stretta. Tra le dotazioni dei tre kit attualmente disponibili si segnalano: scheda intelligente con connettività Bluetooth Smart e sensori per il rilevamento di grandezze quali movimento, temperatura, umidità e luce/prossimità; scheda gateway per la gestione della connettività per servizi Cloud tramite Wi-Fi; antenna e cavo mini-Usb; modulo periferico Gsm con Sim incorporata e connettore Sim opzionale. Nell’ambito della piattaforma VisibleThings è disponibile anche una app mobile per iOS e Android che assicura agli utenti un facile accesso alla configurazione hardware locale e che supporta la connessione ai servizi Cloud quali Devicepoint, elemento fondamentale della piattaforma VisibleThings gestito dalla società partner Spica. Alimentato da opportune Mcu per l’accelerazione hardware del criptaggio, il kit Crypto Connected LaunchPad TM4C129E di Texas Instruments permette lo sviluppo di funzioni IoT protette ad alte prestazioni destinate alle applicazioni Cloud in settori quali automazione di edificio/fabbrica, smart grid o industriale. Il kit offre una piattaforma a basso costo basata su Mcu TM4C129ENCPDT con acceleratore hardware di criptaggio, 10/100 Ethernet Mac e Phy, Usb 2.0, modulo di ibernazione, modulazione ad ampiezza d’impulsi per controllo del moto e una moltitudine di canali di comunicazione seriale. Artik di Samsung è una famiglia di moduli su misura per l’Internet delle Cose. Con un’architettura a più livelli realizzata per ottimizzare prestazioni, consumi, memoria e ingombri, la piattaforma Artik offre funzioni di connettività e un ambiente software aperto. Rivolta a una varietà di applicazioni che spazia dai dispositivi indossabili di fascia bassa agli hub con elaborazione e analisi locali, la soluzione include un hardware Secure Element con apprendimento automatico per il rilevamento delle anomalie e un software Trusted Execution Environment. Artik 1 offre il fattore di forma più piccolo al mondo (12 x 12 mm) nella sua categoria e garantisce eccellenti prestazioni in un ambiente portatile. Artik 5 utilizza la tecnologia di packaging Samsung Epop per offrire la migliore combinazione tra capacità di memoria, potenza di calcolo e dimensioni. Con un processore Octa-core Arm, Artik 10 può alimentare uno smartphone o un media hub. La piattaforma di sviluppo IoT Artik include Api aperte che facilitano il lavoro dei progettisti. In collaborazione con STMicroelectronics, Keolabs ha sviluppato IoTize, una linea di moduli Rf plug-and-play dotati di coprocessore che consentono di comunicare direttamente in modalità Nfc con l’unità di elaborazione di un qualsiasi sistema, arricchendolo di funzionalità di connessione Cloud attraverso le prestazioni native di uno smartphone o di altri gateway. I moduli non richiedono modifiche firmware: è sufficiente collegarli a una porta di debug, Modubus o seriale del processore di sistema. L’applicazione su smartphone può essere creata attraverso una semplice Api e modificata a livello Html senza richiedere particolari capacità di programmazione. Round Solutions propone PingPong, un nodo edge ad alte prestazioni destinato agli sviluppatori firmware che vogliono collegare al Cloud in modalità wireless o cablata i dispositivi sul campo. L’unità è disponibile con due diverse opzioni di software open-source: Rtos e Linux. La prima gira sotto C/C++ e Python mentre la seconda offre notevoli funzionalità e applicazioni. Basata su microcontrollore Microchip a 32 bit questa scheda dispone di modulo cellulare Telit, Gnss, Ethernet, Usb, Can e molto altro. L’approccio hardware di tipo modulare semplifica l’integrazione di applicazioni personalizzate e di standard di comunicazione in un’unica piattaforma. Gli sviluppatori possono aggiungere diverse schede di espansione per dar vita a un numero praticamente illimitato di scenari applicativi. L’unità è supportata da pacchetti e librerie software che coprono funzioni di misura remota, tracciamento asset, Gateway Wi-Fi/Bluetooth, Modbus su Tcp e Modbus su RS485. A chi ha ulteriori necessità, Round Solutions mette a disposizione firmware e software open-source che consentono di indirizzare qualsiasi esigenza. Udoo Neo è un single board computer Android/Linux compatibile Arduino dotato di sensore di spostamento a 9 assi, Bluetooth 4.0 e modulo Wi-Fi. Una caratteristica esclusiva di questo prodotto è l’eterogenea potenza di calcolo, basata su due core embedded integrati su uno stesso chip: un capace Arm Cortex-A9 da 1 GHz e un modulo compatibile Arduino Uno a 200 MHz, basato su coprocessore di I/O real-time Cortex-M4. Il tutto, supportato in un processore i.MX 6SoloX di Nxp. La soluzione è disponibile in tre versioni: il modello più ricco prevede in aggiunta 1 GB di Ram, ingressi Ntsc Pal, porte Usb, Led di stato, driver fast Ethernet e altro ancora. Il tutto è supportato da una piattaforma di sviluppo open source. Intel propone Edison, il single board computer più potente in commercio per progetti IoT avanzati. L’unità è dotata di Cpu dual-core con microcontrollore single core per l’acquisizione di dati complessi. La funzionalità Wi-Fi integrata omologata in 68 nazioni è affiancata da supporto Bluetooth 4.0, 1GB di Ddr e 4 GB di Flash. Edison è proposta in due versioni, una compatibile Arduino l’altra, di dimensioni più contenute, destinata alla prototipazione di piccoli progetti. La versione Arduino prevede 20 pin di I/O digitale, comprendenti quattro uscite Pwm, sei ingressi analogici, una Uart e un pin I2C. Edison gira su una distribuzione embedded Linux denominata Yocto. Si tratta di una delle epoche schede certificate Microsoft, Aws e Ibm per la connettività Cloud Raspberry Pi è una delle piattaforme più diffuse. La versione più recente Raspberry Pi 3 integra Wi-Fi e Bluetooth in una delle soluzioni più compatte e autonome in commercio. Basata su un SoC Broadcom BCM2837 con processore quad-core Arm Cortex-A53 a 64 bit da 1,2 GHz e 1 GB di Ram, Raspberry Pi 3 offre funzionalità Wi-Fi 802.11n a 2,4 GHz e Bluetooth 4.1 in aggiunta a core grafico 3D VideoCore IV, porta 10/100 Ethernet, porta Hdmi, interfacce display e videocamera e slot MicroSD. L’unità gira su una distribuzione Linux Debian denominata Raspbian, ed è supportata da un potente ambiente per installare un’ampia varietà di package comprendente Node.js, stwack Lamp, Java, Python e molto altro. Le quattro porte Usb e i 40 pin Gpio permettono di collegare innumerevoli periferiche e accessori. Con i suoi 35 dollari, Raspberry Pi 3 offre sicuramente uno dei rapporti tra prezzo e prestazioni più convenienti. Arduino è Uno di nome e di fatto e rimane la piattaforma di riferimento. La versione RS3 in particolare offre una soluzione ancora più semplice e potente. Basata su processore Tmega328P con 14 I/O digitali (di cui 6 utilizzabili come uscite Pwm) e 6 ingressi analogici, la scheda è dotata di 32 KB di memoria Flash, più che sufficienti per ospitare codici e funzioni complesse. A questo si aggiungono quarzo da 16 MHz, connessione Usb, jack di alimentazione, header Icsp e tasto di reset. Il nome Uno è stato scelto per enfatizzare il rilascio di Arduino Software 1.0. Una delle grandi risorse di questa piattaforma è lo sconfinato ecosistema che fa di questa architettura “made in Italy” un vero standard di riferimento del settore.

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