Nel corso dell’ultimo decennio, la nostra società è diventata sempre più dipendente dalle più recenti tecnologie nel campo dell’elettronica e delle comunicazioni, dai dispositivi mobili ai veicoli intelligenti, all’automazione domestica. Questi oggetti fisici o “cose” sono incorporati con l’elettronica, il software, i sensori e le interfacce di connettività per formare l’Internet delle Cose. Introdotto dal pioniere Kevin Ashton nel 1999, il concetto di IoT cambierà profondamente le nostre vite, permettendo la comunicazione fra esseri umani, macchine e infrastrutture. Da ormai dieci anni, la partnership tecnologica fra National Instruments e Xilinx ha messo a disposizione di ingegneri e scienziati gli strumenti adatti per creare innovazioni rivoluzionarie in questo campo. NI ha offerto le ultime generazioni dei dispositivi di Xilinx all’interno delle ultime generazioni dei propri prodotti più avanzati, che vanno dai moduli NI FlexRIO ai controllori CompactRIO, inclusi i dispositivi System on Module e myRIO.
Le sfide dell’IoT nell’industria
Gartner stima che nel 2015 saranno usati 4,9 miliardi di dispositivi connessi, e il loro numero crescerà fino a 25 miliardi nel 2020. Questi ultimi spaziano dalle macchine presenti nelle fabbriche intelligenti e dai sistemi avanzati di guida assistita nelle automobili, alle reti elettriche nelle città intelligenti e ai dispositivi indossabili in grado di aiutare le persone a vivere più a lungo e in salute. L’Internet delle Cose Industriale è caratterizzato da un vasto numero di sistemi industriali connessi, i quali comunicano uno con l’altro interfacciando il mondo digitale al mondo fisico attraverso sensori e attuatori e algoritmi complessi di controllo. Tali sistemi sono combinati con soluzioni di tipo Big Data per integrare questa tecnologia con l’analisi e l’elaborazione di grandi quantità di dati.
Possiamo immaginare dei sistemi industriali in grado di adattarsi al proprio ambiente o, in caso di guasto o di usura di un componente, di compensare il funzionamento di quest’ultimo e di comunicare il guasto alle persone e alle cose che fanno uso di tale macchina, oltre a pianificare la propria manutenzione. L’IoT può essere ulteriormente suddiviso in tre parti: l’interfaccia intelligente (sensori/attuatori), il sistema in sé e il blocco di analisi dei dati, che supporta tutte le funzioni di connettività e di elaborazione dei dati e soddisfa i requisiti di latenza, sincronizzazione ed affidabilità del sistema. Diverse società producono questi dispositivi intelligenti, i quali sono dotati di una varietà di processori dedicati, protocolli e software. L’integrazione di tali prodotti costituisce una sfida cruciale, che richiede un approccio basato su piattaforma per ottenere un mondo completamente connesso.
La progettazione basata su piattaforma
Il concetto di progettazione basata su piattaforma trae origine da una tecnica formale di modellizzazione, da livelli di astrazione chiaramente definiti e dall’analisi separata degli aspetti critici per ottenere un approccio efficace alla progettazione. Tutti questi fattori sono critici nella progettazione e nella realizzazione dei sistemi IoT. L’idea consiste nel fornire agli ingegneri il giusto livello di astrazione, assicurando al contempo la connettività verso altri elementi e sottosistemi che possono essere realizzati utilizzando un linguaggio, un ambiente o un protocollo hardware diverso. Negli ultimi quattro decenni, NI ha fornito soluzioni tecnologiche flessibili e potenti sotto forma di piattaforme che aiutano la propria vasta gamma di clienti - i quali operano nei settori più disparati, dalla sanità, all’automotive, all’elettronica consumer - ad accelerare la produttività e l’innovazione. Nello specifico, l’architettura I/O riconfigurabile di NI LabView sfrutta il carattere aperto e modulare del software LabView e dell’hardware per fornire un’architettura comune per la realizzazione di sistemi IoT. Le ultime versioni di LabView RIO incorporano la piattaforma SoC Interamente Programmabile Zynq-7000 di Xilinx. Il risultato è un grado superiore di modularità e scalabilità, ulteriormente accresciuto attraverso l’introduzione dei sistemi operativi Linux in tempo reale e dalla creazione di piattaforme che spaziano dal mondo accademico all’industria usando lo stesso chip set. Combinando l’architettura LabView RIO con tecnologie quali DIAdem e InsightCM per la gestione e l’aggregazione dei dati, i clienti possono progettare, realizzare e collaudare dispositivi IoT all’interno del proprio ciclo di progettazione dei prodotti ed effettuare la manutenzione predittiva con una piattaforma e un’architettura comune.
Sensori intelligenti per la sanità
L’Internet delle Cose avrà un grande impatto sulle nostre vite. In particolare le applicazioni dell’IoT nel campo della sanità è destinato a raggiungere i 117 miliardi di dollari entro il 2020, e farà uso di sensori intelligenti e connessi che consentiranno ai pazienti di inviare dati in tempo reale alle strutture sanitarie per ottenere diagnosi e prognosi. Prodotti come i dispositivi indossabili per il fitness e gli orologi intelligenti hanno appena iniziato ad emergere sul mercato, e i ricercatori stanno sviluppando attivamente le tecnologie per la riabilitazione a domicilio, come pure le protesi intelligenti. Cyberlegs è un progetto Europeo FP-7, diretto dal Professor Paolo Dario dell’Istituto di BioRobotica presso la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. Il progetto si prefigge di sviluppare un sistema cognitivo artificiale per la sostituzione funzionale degli arti inferiori per soggetti che hanno subito un’amputazione transfemorale. L’obiettivo è lo sviluppo di un sistema con più gradi di libertà con la capacità di sostituire l’arto inferiore e di assistere così il paziente. Il Dott. Nicola Vitiello, responsabile dello sviluppo e dell’integrazione del sistema Cyberlegs, ha usato la piattaforma CompactRIO per creare prototipi e validare sottosistemi ed algoritmi di controllo, allo scopo di prevedere in modo accurato la camminata di diversi pazienti. Avvalendosi della scalabilità del SoC Zinq all’interno di un SOM di NI, è stato possibile ridurre drasticamente l’occupazione di spazio e il consumo di potenza richiesti. L’adattabilità della piattaforma ha consentito al Dott. Vitiello di portare l’intelligenza il più possibile vicino ai sensori e agli attuatori per poter sostituire la protesi con un ginocchio attivo pienamente funzionante. Questo sviluppo consentirà ai pazienti di compiere ulteriori movimenti come affrontare le scale o camminare in pendenza.
Applicazioni M2M
Gartner prevede che ben presto sul pianeta ci saranno più dispositivi connessi che esseri umani. Entro il 2022, ciascuna abitazione potrebbe contenere oltre 500 dispositivi connessi, i quali genereranno 35 zettabyte di dati che le infrastrutture di comunicazione dovranno essere in grado di gestire. Con l’introduzione sul mercato di nuovi dispositivi intelligenti e con la proliferazione di nuovi standard e protocolli di comunicazione, le società hanno bisogno di un’infrastruttura scalabile per progettare, prototipare e collaudare i propri sistemi M2M e per potersi differenziare dalla concorrenza. I sistemi Ate tradizionali non sono in grado di tenere il passo con le sfide future del test. A questo scopo ST-Ericsson, società leader nello sviluppo di soluzioni su semiconduttore per smartphone e tablet con centri di sviluppo e di test in tutto il mondo, ha deciso di ricorrere all’approccio basato su piattaforma. Le piattaforme sviluppate dalla società integrano più protocolli radio, come Gps, Bluetooth, 3G e 4G, fra gli altri. Per il collaudo di una piattaforma, sono necessarie circa 800.000 misure. La natura complessa dei chip sviluppati da ST-Ericsson richiede una piattaforma di test che sia sufficientemente flessibile per supportare una varietà di standard Rf, ma che offra al contempo prestazioni adeguate per superare test stringenti. Gli strumenti tradizionali come gli analizzatori Rf e i generatori sono ingombranti, costosi e non abbastanza flessibili. Gli ingegneri di test di ST-Ericsson hanno sostituito i propri strumenti tradizionali con la piattaforma Pxi di NI e hanno scelto di usare FlexRIO di NI - che contiene un Fpga Virtex-5 di Xilinx - per comunicare con standard digitali diversi quali le interfacce Spi e I2C. La società ha riferito che, nel complesso, il sistema Pxi si è rivelato essere 10 volte più veloce e tre volte meno costoso rispetto alla soluzione precedente, garantendo in più la flessibilità richiesta per supportare il grande numero di standard RF digitali richiesti.
Un mondo connesso e intelligente
IIoT rappresenta un’enorme opportunità tecnologica e commerciale per tutti. Lo sviluppo di sistemi IIoT richiede livelli di flessibilità e di prestazioni che solo un approccio basato su piattaforma è in grado di fornire. Un’unica architettura hardware flessibile, come quella offerta dai SoC Zynq di Xilinx, può essere adottata per diverse applicazioni, rimuovendo la complessità hardware e rendendo ciascun nuovo problema da affrontare in sede di progetto essenzialmente un aspetto gestibile via software.
