Un approccio modulare ai progetti IoT

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Sebbene molti aspetti dell’Internet of Things restino tuttora indefiniti, una cosa è già certa: in questo ambito non esisteranno applicazioni normali, ogni cosa nell’Internet delle cose sarà progettata specificamente per raggiungere un obiettivo preciso, nel modo più economico possibile. L’approccio su misura non favorisce certo le economie di scala: se ogni progetto è un esemplare unico, i costi della progettazione e della fabbricazione devono necessariamente scendere. Ciò può essere ottenuto utilizzando una piattaforma flessibile che permetta l’aggiunta di estensioni in modo facile ed economico. Per un certo periodo di tempo questo tipo di estendibilità è stato offerto – al livello più basso, quello dei transistor/gate - dagli Fpga. Lo stesso approccio può essere trasferito efficacemente ad un livello più alto in vari modi, ad esempio utilizzando lo standard Peripheral Modules creato da Digilent. Pmod è un’interfaccia flessibile pensata per moduli a bassa frequenza e basso numero di pin, moduli che divengono effettivamente delle periferiche per il dispositivo host (spesso un Fpga), solitamente collocato su una scheda separata. Lo standard Pmod è ampiamente supportato dai produttori ed è semplice da implementare sulla scheda host. Grazie alla sua diffusione, gli sviluppatori possono contare su una vasta gamma di dispositivi che offrono nuove funzionalità e consentono una valutazione rapida e facile in modalità Plug & Play.


Connettere i sensori
Chi avrebbe potuto prevedere l’odierna quantità e varietà di siti web, quando il World Wide Web fu presentato al pubblico per la prima volta? Erano già un miliardo nel settembre 2014 i domini web registrati ma, stando alle previsioni, l’IoT consentirà di raggiungere numeri di gran lunga maggiori. Ne deriva che la pluralità delle applicazioni che si renderanno possibili sarà proporzionalmente più ampia. Si prevede comunque che una prima, importante area applicativa dell’IoT riguarderà i sensori impiegati in ambito industriale per monitorare apparecchiature, processi, risorse e livelli di produttività. Applicare sensori a qualunque cosa richiederà anche un’infrastruttura locale (oltre a Internet), e probabilmente questo ruolo sarà svolto dalle reti Wsn (Wireless Sensor Network). Analog Devices ha sviluppato una piattaforma dimostrativa Wsn rivolta a queste applicazioni; basata su un approccio modulare, consente di connettere e configurare rapidamente sensori, processori locali e connettività wireless, per valutare la soluzione completa. La piattaforma è disponibile in due configurazioni: la versione Bunch comprende due schede di nodo multisensore dotate di un microcontrollore analogico basato su Arm Cortex-M3, l'ADuCRF101, un accelerometro a tre assi a bassissimo consumo, l'ADXL362, numerosi sensori fabbricati da aziende partner (umidità e temperatura, luce ambientale, infrarossi passivi) e la gestione dell’alimentazione. Il tutto è completato da un nodo gateway (anch’esso basato su ADuCRF101) e da una scheda di emulazione. La seconda configurazione della piattaforma è la versione cluster, che include tre nodi multisensore. La piattaforma Wsn di Analog Devices può essere integrata con la piattaforma IoT Bluemix di Ibm, basata su cloud. Costruita su standard aperti, Bluemix di Ibm è pensata per ospitare applicazioni in una logica di servizio, consentendo alle soluzioni basate su piattaforme come la Wsn di Analog Devices, di agevolare la messa a disposizione dei dati utili. Ibm Bluemix comunica con i nodi tramite il protocollo di messaggistica leggero Mqtt, che sul lato dei sensori può facilmente essere implementato utilizzando un economico gateway Linux come Raspberry Pi. Analog Devices ha lavorato con Ibm per offrire una soluzione completa utilizzando proprio Raspberry Pi come connessione tra la sua Wsn e Ibm Bluemix. L’adozione di soluzioni modulari riscuote un consenso crescente ed è considerata la migliore risposta all’esigenza di mettere in campo grandi quantità di cose in modo rapido ed economico. Un dato che depone a favore di questo approccio è che la maggior parte delle applicazioni condividerà lo stesso nucleo di requisiti comuni: un microcontrollore a basso consumo con funzioni analogiche, la capacità di interfacciarsi con una varietà di sensori, forme diverse di connettività. Tutti questi elementi possono essere realizzati egregiamente con moduli pronti all’uso, pur rendendo possibile la creazione di soluzioni su misura.

Semplificare i progetti
Se l’approccio modulare alla progettazione semplifica le cose, l’adozione di un’interfaccia standard rende la costruzione e configurazione del sistema ancora più facile. Nel settore embedded esistono molte interfacce standard di uso comune focalizzate su target specifici. Nel campo della prototipazione rapida e delle produzioni in piccola serie lo standard Peripheral Modules di Digilent (Pmod) offre molti vantaggi. Generalmente i moduli Pmod sono piccoli ed economici e sono progettati per svolgere una singola funzione in modo completo, con la possibilità di aggiungere periferiche alla scheda di controllo in modo rapido e semplice. In virtù della sua versatilità e ampia diffusione, l’interfaccia Pmod è stata adottata da molti produttori leader nei dispositivi integrati tra cui Analog Devices, la cui offerta comprende una grande varietà di moduli funzionali. Ad esempio, il modulo Pmod basato sul transceiver a 2,4 GHz ADF7242 di Analog può essere usato per dotare il sistema di connettività wireless in modo facile e rapido, ottenendo una portata fino a 100 metri e una larghezza di banda fino a 250 kbit/s grazie all’antenna premontata.
A questo modulo si possono facilmente affiancare uno o più sensori, moduli Dac o Adc, per creare rapidamente - insieme al controllore host - un’affidabile applicazione IoT. Le piccole dimensioni, il basso consumo e l’economicità rendono lo standard Pmod adatto a una gamma di applicazioni quasi illimitata in settori quali controllo industriale, apparati medici, sistemi Hvac, logistica, controllo di magazzini, dove le condizioni di reale funzionamento devono essere monitorate, registrate, analizzate e comunicate.

Estrema flessibilità
Orientata alle basse frequenze e a bassi numeri di I/O, l’interfaccia Pmod è perfettamente adatta ai nodi di sensori che popoleranno l’IoT. Nelle sue configurazioni a sei e dodici pin offre rispettivamente due o quattro pin di alimentazione e quattro o otto pin di segnale, più che sufficienti per schede monofunzione come i moduli di acquisizione e conversione dei segnali. La flessibilità riguarda anche il numero massimo delle funzioni di sistema, poiché i moduli sono alimentati direttamente dalla scheda del controllore host, la cui capacità di fornire/assorbire corrente non è specificata nello standard Pmod. I moduli, inoltre, possono essere inseriti direttamente nella scheda host oppure collegati tramite cavi della lunghezza massima di 18 pollici. Anche il protocollo di interfaccia è flessibile, come dimostrato ad esempio dal modulo PmodACL, un accelerometro Mems a tre assi basato sull’ADXL345, che può trasferire i propri dati via Spi o I2C. Sebbene orientato alle basse frequenze, lo standard Pmod può comunque gestire anche applicazioni impegnative, soprattutto quelle che impiegano sensori. Le dimensioni dei moduli consentono di combinare facilmente più componenti per creare sottosistemi completi come il CN0357, un rivelatore portatile di gas a singola alimentazione e basso rumore. Il modulo unisce un sensore di monossido di carbonio CO-AX di Alphasense e due componenti ADI: l’amplificatore doppio ad auto zero ADA4528-2 e il potenziometro digitale AD5270-20. Il potenziometro digitale consente la prototipazione rapida, poiché rende possibile valutare diversi sensori di gas senza dover fisicamente cambiare altre parti della scheda.
Un altro esempio del ruolo dei sensori intelligenti nel futuro sviluppo dell’IoT è il modulo Pmod CN0332, che impiega un sensore magnetoresistivo per misurare la velocità di rotazione di una ruota dentata. Il piccolo segnale differenziale del sensore è prima bufferizzato da un amplificatore operazionale, quindi amplificato e inviato all’uscita sotto forma di onda sinusoidale a impulsi. Il formato Pmod è stato applicato anche a piattaforme di valutazione come la EVAL-CN0326-PMDZ, un condizionatore/digitalizzatore per sensore di pH. Il modulo - totalmente isolato e a basso consumo, dotato di compensazione automatica della temperatura per una maggiore precisione - comprende i dispositivi AD7793, AD8603 e ADUM5401 di Analog Devices.

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