Il futuro di Internet delle Cose è embedded

Un tempo Internet delle Cose era confinato nella fantasia degli scrittori di fantascienza. Ora che è una realtà imminente assume significati differenti per persone differenti. Questo perché le possibilità che Internet delle Cose offre sono sconfinate, coprono praticamente ogni cosa, elettrodomestici intelligenti, smart grid, automobili che comunicano, dispositivi indossabili che monitorano i vostri segni vitali, e molto altro ancora. Non solo, per il 2030 è previsto che 100 trilioni di dispositivi saranno collegati alla rete. In breve, gli esperti ritengono che tutto ciò che può essere collegato lo sarà, e questo preannuncia una nuova rivoluzione industriale denominata Internet delle Cose. Poiché i sistemi embedded sono gli ingredienti principali di un sistema IoT, non sarebbe meglio chiamarla Internet delle Cose Embedded o e-IoT? In primo luogo, è solo dotandoli di sensori, processori e moduli di comunicazione che gli oggetti quotidiani diventano intelligenti. Essi registrano processi nel mondo fisico e li connettono col mondo virtuale di Internet, ponendo le basi per l’Internet delle Cose. Tutto ciò che rientra nel dominio dell’IoT deve possedere determinati requisiti, alcuni dei quali sono: basso consumo, elevate capacità di elaborazione, capacità di connettersi ad altri oggetti intelligenti. Nessun componente singolo può effettuare questa miriade di funzioni da solo. Questo vuol dire che ciascuna “cosa” è composta da un sistema embedded che comprende diversi componenti che devono soddisfare i requisiti fondamentali delle “cose”.
Internet delle Cose

L'Internet delle Cose è il genere di rete in cui i dispositivi di trasmissione delle informazioni come Rfid, comunicazioni wireless, localizzatori in tempo reale e reti di sensori collegano gli oggetti fisici a internet per effettuare lo scambio di informazioni. Questi oggetti fisici sono progettati per avere identità e personalità virtuali, operando in spazi intelligenti, utilizzando interfacce intelligenti per connettersi e comunicare all'interno del contesto ambientale e sociale dell'utente. Il termine Internet delle cose è stato originariamente coniato da Kevin Ashton, nel 1995. Ma negli anni a seguire l’IoT languiva. Come spiega Jeremy Rifkin, questo potrebbe essere attribuito principalmente a due ragioni. Il costo dei sensori e degli attuatori incorporati nelle "Cose" era ancora relativamente elevato. Questo trend sembra ora invertirsi. In un periodo di 18 mesi, tra il 2012 e il 2013, il costo dei chip Rfid utilizzati per monitorare e tracciare le cose, sono crollati del 40%. Questi tag ora costano meno di 10 centesimi. Il prezzo dei sensori Mems, compresi giroscopi, accelerometri e sensori di pressione, è calato dell’ 80-90 percento negli ultimi 5 anni. Il protocollo Internet IPv4, che utilizza 32 bit per l’indirizzamento, consente solo 4,3 miliardi di indirizzi univoci su Internet. Con la maggior parte degli indirizzi IP già divorati dagli oltre 2 miliardi di persone ora collegate a Internet, solo alcuni indirizzi restano disponibili per il collegamento di migliaia di miliardi di cose a Internet. Tuttavia, l’adozione della nuova versione del protocollo Internet IPv6, che utilizza 128 bit per l'indirizzamento, contribuirà a espandere il numero di indirizzi disponibili a 340 trilioni di trilioni di trilioni - più che sufficiente per ospitare l'enorme numero di "cose" che stanno emergendo.
Il sistema embedded

Il cuore del sistema operativo di Internet delle Cose è rappresentato dalla sintesi tra rilevamento, energia, potenza di calcolo, comunicazione e software in una piattaforma operativa coesa. Se ognuno di questi elementi rimane isolato dagli altri sarà impossibile erigere l’IoT e perseguire la visione di una società intelligente e di un mondo sostenibile. Ognuno di questi cinque componenti è di supporto agli altri. Senza rilevamento non c'è nulla che possiamo misurare. Senza energia, non siamo in grado di generare le informazioni e trasportarle. Senza potenza di calcolo non possiamo analizzare o fare delle deduzioni sui dati generati. Senza la comunicazione, non è possibile realizza l’interconnettività. Senza il supporto software non ci sarà alcun modo per collegare tra loro le cose. Questo, in termini letterali, definisce la catena del segnale per le applicazioni su Internet delle Cose, e cioè "rilevamento-calcolo-comunicazione", che deve essere elegantemente integrata. In Analog Devices, stiamo assistendo alla nascita di tecnologie che cambieranno le regole del gioco. Queste includono la sensoristica e il concetto di nodo sensore associati alla tendenza verso consumi energetici sempre più bassi.
I sensori
Gli oggetti intelligenti utilizzano sensori per rilevare l’ambiente circostante, misurando parametri quali la temperatura, il movimento o la posizione. Le aziende stanno installando sensori per monitorare e tenere traccia del flusso di merci lungo tutta la filiera commerciale. I sensori misurano le vibrazioni e le condizioni materiali in edifici, ponti, strade, e altre infrastrutture per valutare l’integrità strutturale e determinare se e quando fare le riparazioni necessarie. Sulla base delle applicazioni si possono avere differenti tipologie di nodi sensori. I sensori Mems combinano molte funzioni in un unico dispositivo di pochi millimetri di dimensioni, il che li rende ideali per l’IoT. Sempre nell’area sensori si sta imponendo un nuova tendenza che, grazie alla combinazione di opportuni materiali, vede la creazione di elementi sensori serigrafati direttamente sugli oggetti intelligenti. Questi componenti elettronici serigrafati consentono la produzione di sensori più robusti a costi ridotti.

 

Le comunicazioni wireless

Le comunicazioni wireless a basso consumo sono destinate a svolgere un ruolo determinante nella connettività per le applicazioni pilotate dall’IoT. Di conseguenza, ingegneri e sistemisti embedded dovranno confrontarsi sempre più con la necessità di aggiungere la connettività wireless ai propri prodotti. Una possibile soluzione si basa sui transceiver wireless a basso consumo a frequenze sub-GHz. Andare su frequenze Sub-GHz è una buona scelta rispetto ad altre tecnologie concorrenti in quanto è possibile realizzare portate maggiori e di conseguenza una comunicazione potenzialmente più robusta. I ricetrasmettitori radio a frequenze sub-GHz possono operare in modalità multi-banda e con modulazioni differenti consentendo una vasta gamma di velocità di trasmissione dati e di larghezze di banda del canale. Grazie ad una gestione flessibile dei pacchetti e al supporto del layer Mac sono in grado di soddisfare i requisiti di protocolli proprietari, comuni nella banda Ism sub-GHz. Per il progettista Rf la flessibilità di una radio sub-GHz può essere di grande aiuto nello sviluppo di un prodotto. Tuttavia, a causa del differente background, per l'Ingegnere embedded, che deve utilizzare una connessione wireless sub-GHz, l’impiego di questi dispositivi rappresenta sicuramente una sfida.
Processori per il calcolo
L'Internet delle Cose ha bisogno di processori a un costo accessibile, minimo consumo di potenza e allo stesso tempo elevata capacità di calcolo. L'industria moderna dei semiconduttori offre microprocessori progettati per avere un basso consumo, solo pochi micro-ampere per megahertz di potenza di calcolo. I micro sono i cervelli programmabili dell’IoT; nelle applicazioni moderne ai microprocessori sono richiesti livelli più elevati di controllo, rilevamento e interfacciamento, consumando pochissima energia in dimensioni ridotte. Inoltre, la possibilità di configurare facilmente il processore per esigenze applicative specifiche è essenziale. Questo richiede che i processori si comportino come delle piattaforme scalabili in cui solo le caratteristiche utilizzate vengano abilitate.
La gestione della potenza

Il basso consumo di potenza è un requisito fondamentale per tutti i dispositivi (sensori, transceiver, microcontrollori) che compongono la catena del segnale di un’applicazione IoT. Secondo un rapporto di Gartner, ci saranno 26 miliardi di dispositivi collegati tra loro e ad Internet entro il 2020. Il fabbisogno di potenza combinato di questi dispositivi non può essere soddisfatto con i metodi convenzionali di generazione di energia. Le normali batterie richiedono un livello di manutenzione troppo elevato che in molti casi comporta la sostituzione periodica. Una possibile soluzione è rappresentata dalle tecniche di energy harvesting, dove l’energia necessaria viene estratta dall’ambiente sfruttando fonti energetiche come luce, movimento, calore, etc. In una tipica applicazione IoT, il sensore intelligente, il nodo di misura wireless può rimane inattivo per lunghi periodi ed effettuare misura e trasmissione dei dati in un ristretto limite di tempo. Di conseguenza, il consumo di energia è soggetto a picchi periodici di assorbimento di potenza, separati da periodi prolungati in stato di quiescenza. Questo a sua volta impone l'uso di dispositivi di accumulo di energia come super-condensatori e batterie a film sottile per soddisfare i requisiti di potenza di picco. In conclusione Internet ha rivoluzionato e continuerà a rivoluzionare il mondo sociale ed economico nel bene e nel male. Ora, con l'aggiunta delle “cose” a questa rete, cresce l’esigenza di disporre di soluzioni basate sui semiconduttori. Se l’industria dei semiconduttori potrà supportare la distribuzione di miliardi di sensori intelligenti questi non potranno che essere sistemi embedded e sarà lecito parlare allora di embedded Internet of Things, o e-IoT.

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