Arduino Pro: un percorso semplice e non convenzionale per il successo delle applicazioni IoT.

• Arduino - perché viene utilizzato non solo dai dilettanti?
• Arduino Pro - perché puntare su questa soluzione?
• Arduino Pro – a chi è rivolto?
• Piattaforma hardware Arduino Pro
  • Arduino Portenta
  • Arduino MKR e Arduino Pro
  • Arduino Nano 33
• Moduli di espansione per Arduino Portenta H7
• Software - Arduino IoT Cloud, Arduino IoT API, Arduino IDE Pro, Arduino CLI
  • Arduino IoT Cloud
  • Arduino IoT API
  • Arduino IDE Pro
  • Arduino IDE CLI

Arduino - perché viene utilizzato non solo dai dilettanti?

La piattaforma Arduino ha raggiunto un'enorme popolarità in tutto il mondo. All'inizio era associata principalmente alle applicazioni amatoriali e hobbistiche, tuttavia nel tempo ha ottenuto anche il riconoscimento dei professionisti. Il vantaggio più importante delle soluzioni offerte dal marchio Arduino è la facilità di trasformare l'idea nell'applicazione, pertanto è apprezzato da milioni di utenti in tutto il mondo. Con il loro aiuto vengono costruiti non solo prototipi, ma anche prodotti finiti. Grazie alla sua popolarità, la piattaforma Arduino entra nel mondo dei dispositivi IoT e offre hardware e software facili da usare. Queste soluzioni consentono la creazione di applicazioni IoT con l'utilizzo di soluzioni già pronte, senza la necessità di sviluppare idee a partire da zero e in molti casi anche senza la necessità di coinvolgere esperti esterni.

Utilizzo di Arduino nelle applicazioni embedded

Ciò è confermato da numerosi progetti di applicazioni embedded presentati su Internet. Questi vengono creati senza l'utilizzo di un compilatore in linguaggio C o C++, ma solo basato sulla piattaforma Arduino e moduli già pronti disponibili, come ad es. semplici driver per pubblicità luminose o soluzioni più complesse -destinate a macchinari CNC e applicazioni che comunicano in modalità wireless.

Lo sviluppo della piattaforma è stato facilitato dalla messa a disposizione della documentazione completa, nonché di numerosi esempi di utilizzo, che hanno portato ad un'esplosione di soluzioni innovative. Se agli sviluppatori della piattaforma non è venuto in mente una determinata applicazione, ci ha pensato qualcun altro e l'ha presentata sul proprio blog o sito web. In questo modo si è arrivati alla creazione di innumerevoli moduli di espansione, chiamati shields, contenenti varie opzioni utili. Citando il proverbio cinese: "questo mondo è talmente grande che non vi è nulla che non possa non esistere". Quest'ultimo trova applicazione anche all'ecosistema Arduino. Sulla base di moduli hardware, librerie e software disponibili nel sistema, sono stati creati innumerevoli progetti che offrono l'opportunità non solo di visualizzare in anteprima le soluzioni, ma anche attingere al database di idee.

Gli utenti che sono entrati nel mondo dell'elettronica utilizzando la piattaforma Arduino, ben volentieri attingono alle stesse soluzioni, sviluppando progetti professionali e più complessi. Ciò è facilitato dal carattere open source di Arduino, che è stato mantenuto anche nonostante la crescente professionalizzazione della piattaforma. Di conseguenza oltre 30 milioni di utenti attivi stanno innovando ulteriormente, sviluppando l'ambiente, rispondendo alle esigenze del mercato e testando soluzioni in una varietà di condizioni e luoghi in tutto il mondo. Per gli utenti una questione importante è l'assenza di costi di licenza per la messa a disposizione e la fruizione del protocollo di comunicazione.

Nonostante il codice sorgente aperto e disponibile al pubblico, qualora sia necessario "sigillare" l'accesso alla rete di comunicazione o ai sensori, è possibile utilizzare meccanismi di crittografia e di autenticazione per autenticare i dispositivi e crittografare la trasmissione dei dati. È importante sottolineare che, se ne avremo bisogno, troveremo sicuramente soluzioni già pronte nella vasta libreria di applicazioni e moduli Arduino.

Arduino Pro - perché puntare su questa soluzione?

Si parla sempre più spesso di due tecnologie rivoluzionarie che creano molta confusione sul mercato dei componenti elettronici e dei software di analisi dei dati. Si tratta dell'Internet delle cose (IoT) e dell'Industria 4.0 (Industry 4.0). Il primo avrà un impatto enorme su tutta la nostra vita, mentre il secondo sarà limitato principalmente alle imprese industriali. Entrambi richiedono dati ottenuti da una rete di sensori distribuiti in punti importanti per l'applicazione e complicati algoritmi, e coinvolgono sempre più la tecnologia dell'intelligenza artificiale (AI) per l'elaborazione, la sintetizzazione, l'analisi e la redazione di conclusioni sulla base delle informazioni ottenute dai sensori e da altre fonti. Ad esempio mediante la tecnologia IoT sarebbe possibile realizzare e collegare in rete sensori che monitorano costantemente i livelli dell'acqua di un fiume e le condizioni meteorologiche lungo l'intero corso cui siamo interessati, anche sul territorio dell'intero paese o al di fuori dei suoi confini. In questo modo, sfruttando l'IA, sarà possibile non solo monitorare il livello dell'acqua in questo fiume, ma anche lanciare adeguati allarmi in caso di alluvione, preparare le città alla siccità o alle inondazioni. Analogamente per la rete elettrica, in questo caso i dati dei sensori consentirebbero l'acquisizione facile di informazioni sul carico della rete, sui guasti, sulla pianificazione di interventi di manutenzione, ecc.

Arduino Pro – a chi è rivolto?

Sebbene lo slogan pubblicitario di Arduino Pro parli di impresa, grazie alla disponibilità di componenti, software e documentazione e alla loro facilità d'uso; Arduino Pro può essere utilizzato da chiunque abbia un'idea o abbia bisogno di creare un'applicazione basata su una rete di sensori collegati. Per l'analisi dei dati non è necessario fruire immediatamente di algoritmi di intelligenza artificiale: in molte situazioni è sufficiente presentare questi ultimi in modo appropriato all'operatore o all'utente. Tuttavia, il maggior potenziale per l'utilizzo della piattaforma Arduino Pro potrà essere beneficiato da:

• Aziende che intendono trasformare la rete di distribuzione di prodotti o servizi da una forma tradizionale basata su quantità contrattate alla realizzazione di consegne su richiesta con l'assistenza dell'IoT, a seconda delle esigenze del cliente.
• Stabilimenti di produzione alla ricerca di opportunità per migliorare l'efficienza produttiva tramite il monitoraggio, il controllo e l'analisi delle scorte, delle linee di produzione, dei macchinari e delle attrezzature, delle linee di approvvigionamento, ecc.
• Startup in cerca di opportunità per aggiungere la trasmissione dati alle soluzioni esistenti.
• Utenti di soluzioni proposte da Arduino che vogliono condurre prove sul campo delle loro applicazioni o eseguire brevi serie di prodotti.

Arduino Pro è stato progettato principalmente per supportare i professionisti che sono motore del cambiamento nelle aziende e nel mondo che ci circonda. La piattaforma copre tutti gli aspetti necessari di cui potremmo avere bisogno: cloud per l'acquisizione e l'archiviazione dei dati, hardware, ambiente di sviluppo per lo sviluppo di programmi per piattaforme hardware, soluzioni di connettività e posizionamento basate su sistemi di geolocalizzazione, interfaccia utente, visualizzazioni dei dati, algoritmi e loro connessione a un sistema di gestione aziendale esistente. È importante sottolineare che in molte situazioni, ciò potrà essere effettuato senza la necessità di costose perizie e il coinvolgimento di costosi consulenti, grazie alla politica open source su cui è stato creato Arduino Pro e alla possibilità di utilizzare soluzioni già collaudate.

Immaginiamo la suddetta rete di sensori del livello dell'acqua e di condizioni ambientali disposta lungo il fiume. Non in tutti i luoghi avremo a disposizione un'alimentazione di rete fissa. Inoltre non sarà sempre possibile soddisfare i requisiti tecnici per ottenere quest'ultima. In pratica, l'alimentazione fissa verrà condotta ai nodi/gateway della rete di sensori, pianificati nei luoghi in cui questa è disponibile. I sensori stessi, d'altra parte, sono alimentati con energia generata da batterie, batterie ricaricabili o fonti di energia rinnovabile. Dal punto di vista dell'utente, minore sarà la frequenza di sostituzione delle batterie o delle batterie ricaricabili, migliore sarà la loro fruibilità. La frequenza di sostituzione della batteria è strettamente correlata alla durata di questo tipo di sorgenti e al consumo energetico del dispositivo alimentato. Per questo motivo il processore nell'applicazione del sensore IoT di solito funziona in modalità stand-by, in cui l'energia prelevata dalla sorgente di alimentazione è minima. Successivamente viene periodicamente risvegliato dalla modalità di risparmio energetico ed esegue le operazioni legate all'acquisizione e alla codifica dei dati in pacchetti comprensibili per il destinatario. Naturalmente, tale compito richiederà molto meno tempo se verrà eseguito da un processore veloce. Pertanto nonostante l'enorme potenza di calcolo (e soprattutto grazie ad essa), il consumo energetico medio di un processore ad alta velocità è molto più basso rispetto ad uno con una frequenza di clock bassa di alcuni MHz, anche se intuitivamente sembrerebbe sia diversamente.

Naturalmente, non c'è nulla che impedisca di sfruttare il potenziale nascosto nella scheda Arduino Portenta H7 anche in applicazioni in cui il processore è alimentato mediante una sorgente di alimentazione stazionaria e si occupa ad es. di un algoritmo di elaborazione e valutazione delle immagini, di condizionamento del segnale e altri processi.

Entrambi i core del processore del microcomputer Arduino Portenta H7 condividono i moduli periferici attraverso i quali comunicano con l'ambiente circostante e tra di loro. Il microcomputer può eseguire programmi:

• Scritti utilizzando Arduino Sketch – script eseguiti sotto il controllo del sistema operativo Mbed OS.
• App native per Mbed OS.
• Concepiti per l'interpretatore integrato Micro Python/Java Script.
• Implementato sfruttando la piattaforma TensorFlow Lite.

Il modulo wireless integrato assicura la connettività simultanea tramite Wi-Fi e Bluetooth. L'interfaccia Wi-Fi per la piattaforma Arduino Pro può funzionare come punto di accesso, stazione o in modalità duale (punto di accesso /stazione) e consente la trasmissione di dati a velocità fino a 65 Mbps. L'interfaccia Bluetooth opera in modalità Bluetooth 2.0 e BLE. La scheda del microcomputer Arduino Portenta H7 è compatibile con il formato Arduino MKR, ma è dotata di un connettore ad alta densità a 80 pin.

Arduino MKR e Arduino Pro

I sensori e i moduli di comunicazione possono essere realizzati utilizzando prodotti della famiglia Arduino MKR. Questi includono schede dotate di processori con core Cortex-M0+ e una varietà di interfacce di comunicazione che semplificano la scalabilità delle applicazioni. Vale la pena ricordare che questi moduli sono ben noti e utilizzati anche da costruttori e produttori di altri dispositivi non legati all'IoT.

Arduino Nano 33

Due applicazioni professionali vengono proposte per le schede base: Arduino Nano 33 BLE e Arduino Nano 33 BLE Sense. Il loro equipaggiamento è stato progettato per essere adeguato all'utilizzo in dispositivi del tipo wearables o per l'installazione su droni o veicoli autonomi. Le dimensioni in miniatura delle schede (solo 45 mm×18 mm) consentono il posizionamento del microcomputer finito e molto robusto in uno spazio ridotto e l'utilizzo della sua potenza di calcolo e delle interfacce per comunicare con l'ambiente circostante. Il produttore dichiara che questi sono i suoi prodotti più piccoli con una potenza di calcolo tale da poter utilizzare software basati sull'intelligenza artificiale.

Entrambe le schede sfruttano la potenza di calcolo del core ARM Cortex-M4 con frequenza di clock 64 MHz, circuito radio nRF52840 integrato. Il modello Arduino Nano 33 BLE è dotato di sensore IMU a 9 assi, mentre il modello 33 BLE Sense dispone inoltre di sensori di temperatura, umidità, pressione, microfono incorporato, sensore gestuale, di prossimità e di intensità di illuminazione. Si tratta di un equipaggiamento di tutto rispetto per una scheda così piccola, che consente il suo utilizzo non solo per la costruzione di dispositivi wearables, ma anche di una rete di sensori utilizzati nell'edilizia o negli esperimenti scientifici, che richiedono la comunicazione con una piccola portata locale.

Moduli di espansione per Arduino Portenta H7

Tra i moduli di estensione più avanzati compatibili con Arduino Portenta H7 vi è la shield Portenta Vision. È dotata di una fotocamera con una risoluzione di 324×324 pixel e un consumo energetico molto basso. Grazie al suo basso consumo energetico, questo modulo può essere utilizzato anche in applicazioni di elaborazione delle immagini operanti con sistemi di alimentazione ininterrotta a batteria. Il sensore di immagine tipo CMOS ha una sensibilità molto elevata e consente di riconoscere gesti, misurare la luce ambientale, valutare la distanza e identificare gli oggetti. Il modulo inoltre è dotato di due microfoni omnicircolari con interfaccia digitale. L'immagine e il suono possono essere registrati su una scheda MicroSD. I dati del modulo possono essere trasmessi tramite Ethernet o interfaccia LoRa. L'esecuzione di applicazioni per il modulo è facilitata dalla disponibilità della libreria OpenMV, disponibile per linguaggio Python.

La famiglia di prodotti MKR contiene una vasta scelta di moduli che ampliano la funzionalità della scheda base. Questi includono non solo schede con componenti elettronici aggiuntivi, ma anche semplici adattatori che consentono di condurre i segnali dall'ambiente circostante mediante connettori industriali standard. Tra le schede di espansione delle funzionalità vale la pena di menzionare le numerose schede di interfaccia (MKR 485 – RS485, MKR CAN – CAN Bus, MKR ETH – Ethernet), le scheda di relè, driver per motore con 4 uscite a corrente costante e 4 ingressi per sensori analogici, scheda con slot per memoria MicroSD, su cui è possibile archiviare localmente un'enorme quantità di dati, una scheda con sensori di parametri ambientali, una scheda con una matrice RGB, una scheda di sensori di temperatura e un giroscopio/misuratore di accelerazione a 9 assi.

Software - Arduino IoT Cloud, Arduino IoT API, Arduino IDE Pro, Arduino CLI

Anche il computer più avanzato è inutile se non si dispone del software appropriato. Gli sviluppatori di Arduino Pro nell'offrire soluzioni hardware progettate per la creazione di applicazioni IoT, hanno introdotto anche un software appropriato che non solo consente lo sviluppo di applicazioni, ma consente anche l'acquisizione, l'archiviazione e l'elaborazione sicura dei dati.

Arduino IoT Cloud

Arduino IoT Cloud è un modo semplice e sicuro per collegare i sensori operanti in remoto ad un'applicazione o ad un'interfaccia destinata alla gestione del lavoro nell'azienda, che consente di utilizzare i dati di milioni di utenti , ad es. sotto forma di mappe, grafici o altre rappresentazioni grafiche. Inoltre il cloud Arduino IoT Cloud consente di indirizzare e accedere mediante l'interfaccia utente a una posizione specifica che richiede attività di ispezione o manutenzione per un qualsiasi motivo. L'accesso è possibile da qualsiasi parte del mondo in cui disponiamo di una connessione al cloud, sia tramite un PC, che un dispositivo mobile. È importante sottolineare che coloro che sono interessati a sviluppare tali applicazioni, hanno accesso a migliaia di righe di codice pronte per l'utilizzo nella propria soluzione, a dimostrazione del supporto di vari tipi di sensori e attuatori.

Arduino IoT API

Come accennato, i dati dei sensori possono essere presentati in tempo reale in forma grafica o trasmessi ad un database. Sono disponibili numerosi esempi del loro utilizzo utilizzando fogli di calcolo Google, l'assistente Amazon Alexa e altri fornitori di software. Inoltre utilizzando l'API Arduino IoT è possibile sviluppare proprie applicazioni originali. Il software cloud può essere provato gratuitamente: la piena funzionalità è disponibile con l'aggiunta di una singola scheda MKR o Portenta. Per aggiungere più dispositivi è necessario acquistare un abbonamento. Bisogna sottolineare una questione importante. La variante gratuita funziona solo con i prodotti Arduino, mentre la variante commerciale offre la possibilità di aggiungere nel cloud altri microcomputer come ad es. Raspberry Pi, moduli ESP8266, ecc.

L'intera comunicazione con il cloud viene crittografata utilizzando un protocollo SSL. Le schede delle famiglie Arduino Portenta e Arduino MKR dispongono di unità crittografiche integrate, che supportano la comunicazione in tempo reale con l'utilizzo di questo protocollo. Inoltre, sono dotate di un meccanismo di autenticazione assistito da un circuito aggiuntivo contenente una chiave compatibile con X.509.

La novità dell'offerta Arduino è l'offerta di carte SIM. L'utilizzo di queste carte consente la creazione di una rete di sensori che comunicano con il cloud utilizzando stazioni base di rete mobile utilizzate in modalità roaming in oltre 100 paesi.

Arduino IDE Pro

Il software per dispositivi edge può essere realizzato utilizzando l'ambiente Arduino IDE Pro. Si tratta di un ambiente di sviluppo che eredita le funzionalità del noto IDE Arduino, pertanto i suoi utenti non dovranno cambiare molte abitudini ed imparare di nuovo ad utilizzare l'ambiente di programmazione. Il modo più rapido per iniziare a sviluppare software per la rete di sensori è utilizzare l'editor Web. È una soluzione utilizzata oggigiorno da molti produttori di software. Come vantaggio presenta la possibilità di rendere indipendente in un certo grado il compilatore dalla potenza di elaborazione e dal tipo di sistema operativo dell'hardware su cui stiamo lavorando. Come utenti inoltre abbiamo la possibilità di introdurre continuamente aggiornamenti e correzioni e accedere alle più recenti esercitazioni e esempi. Il codice sorgente è memorizzato in un'area separata sul server ed è sicuramente più sicuro che sul laptop da noi trasportato o persino sul computer desktop disponibile in ufficio. Tuttavia, questa soluzione presenta lo svantaggio di necessitare di un accesso costante a internet, cosa non sempre possibile. Pertanto un ulteriore proposta per gli utenti è la versione IDE, destinata ad essere installata su un computer desktop. Questa è, come si addice ad una soluzione open source, disponibile per sistemi operativi Windows, Linux (64 bit) e Mac OS X.

Arduino CLI

Agli utenti avanzati viene proposto un interpreter di comandi Arduino CLI che opera in modalità di console (linee di comandi). Contiene un compilatore, consente di gestire schede e librerie di funzionalità, programmare dispositivi, attivarli / disattivarli e altro ancora. Arduino CLI può essere utilizzato su piattaforme costruite sfruttando processori prodotti dalla ARM o dalla Intel. Ciò consente di usarlo altrettanto bene sul proprio PC, così come su una microcomputer tipo Raspberry Pi.

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