Conoscere questi segreti renderà il tuo hardware IoT fantastico

L'hardware IoT comprende un'ampia varietà di dispositivi come sensori, bridge e dispositivi di routing. Questi dispositivi IoT svolgono funzioni critiche nella gestione di attività essenziali come l'attivazione del sistema, la comunicazione, le condizioni di azione, la sicurezza e il rilevamento di azioni e obiettivi dettagliati. Di seguito, apprenderai i dispositivi hardware IoT disponibili presso MOKOSmart che utilizzano la tecnologia IoT, i componenti hardware IoT, l'architettura del software IoT e le piattaforme hardware IoT più diffuse. Inoltre, analizzeremo i requisiti hardware IoT essenziali necessari per implementare un progetto IoT e tutto ciò che riguarda schede di sviluppo per microcontrollori, computer a scheda singola e processori.

I componenti hardware dell'IoT

In questa sezione analizzeremo alcuni elementi costitutivi dell'hardware IoT.

 Cosa

Nell'IoT, "Cosa" rappresenta la risorsa destinata a misurare, monitorare o controllare. La maggior parte dei prodotti IoT integra completamente i propri dispositivi intelligenti con la "cosa". Ad esempio, prodotti come i veicoli automatici e i frigoriferi intelligenti si monitorano e si controllano completamente.

In altre applicazioni in cui "la cosa" viene utilizzata come dispositivo singolo, è necessario collegare un prodotto specifico per certificarne le capacità intelligenti.

Modulo di acquisizione dati

Questo componente hardware IoT si concentra sull'acquisizione di segnali fisici dall'oggetto monitorato o osservato. Successivamente, li converte in segnali digitali che un computer può facilmente interpretare o manipolare. Tutti i sensori che contribuiscono a ottenere segnali reali come pressione, densità, temperatura, luce, vibrazione e movimento sono contenuti in questo componente hardware IoT. L'applicazione determina il numero e il tipo di sensori necessari.

Inoltre, il modulo di acquisizione dati comprende l'hardware necessario per convertire i segnali provenienti dal sensore in ingresso in dati digitali utilizzati dal computer. Ciò include l'adattamento del segnale in ingresso, l'interpretazione, la conversione analogico-digitale, il ridimensionamento e la riduzione al minimo del rumore.

Modulo Elaborazione Dati

Comprende l'unità critica utilizzata per elaborare i dati che esegue operazioni come l'archiviazione locale dei dati, l'analisi locale e altre operazioni di elaborazione.

Modulo di comunicazione

Questo modulo consente una comunicazione efficace tra la piattaforma cloud e i sistemi di terze parti, sia nel cloud che in locale.

Sensori hardware IoT

I sensori sono l'elemento più critico nell'hardware IoT. I sensori IoT comprendono diversi moduli, tra cui moduli di gestione dell'alimentazione, moduli RF, moduli di rilevamento e moduli di energia. Sono ideali per applicazioni in:

• Vicinanza
• Luce ambientale ottica
• Rilevamento delle perdite
• Misurazione della temperatura e dell'umidità
• magnetismo elettrico
• Accelerazione
• Acustica e vibrazioni
• Identificazione dei gas chimici
• Cilindrata
• Pressione forzata

Sensori

I dati IoT non possono esistere senza sensori. Tutti i sensori IoT generano segnali elettrici analogici proporzionali a un asset fisico. I sensori utilizzano convertitori analogico-digitali (ADC) per convertire questi segnali analogici in dati digitali. Inoltre, è possibile misurare semplici proprietà elettriche come corrente, induttanza, tensione, resistenza e impedenza utilizzando i sensori.

Inoltre, la direzione e l'intensità dei campi magnetici ed elettrici possono essere misurate utilizzando dei sensori.

Le proprietà non elettriche misurate dai sensori utilizzano un trasduttore per trasformare le proprietà fisiche in segnali elettrici analogici.

Le proprietà fisiche più comuni sono;

• Parametri 3D come velocità, accelerazione, spostamento e vibrazione.
• Proprietà ecologiche come umidità e temperatura.
• Dinamica dei fluidi liquidi, come pressione, portata e suono.

Dispositivi elettronici indossabili

Si tratta di piccoli dispositivi indossabili su testa, braccia, collo, piedi e busto. Alcuni dei dispositivi elettronici indossabili attualmente disponibili sul mercato includono:

• Occhiali intelligenti che si indossano nella testa
• Collari che si indossano al collo
• Orologi intelligenti da indossare al braccio

Gli zaini e alcuni altri capi di vestiario vengono indossati sul busto

Altri dispositivi hardware IoT

Utilizziamo quotidianamente dispositivi come tablet, cellulari e computer desktop come componenti essenziali di un sistema IoT. I cellulari consentono di gestire le impostazioni da remoto e altre impostazioni di modifica integrate. Il computer desktop consente all'utente di controllare il sistema in modo completo.

Mentre i tablet consentono agli utenti di accedere alle funzionalità principali del sistema e vengono utilizzati anche come dispositivi di rete remoti, dispositivi di rete standardizzati come switch e router costituiscono altri dispositivi connessi essenziali.

Caratteristiche del dispositivo hardware IoT

Con la rapida introduzione di nuove piattaforme hardware IoT industriali, il panorama dell'IoT si è evoluto costantemente. I dispositivi IoT presentano caratteristiche chiave comuni che offrono una valutazione utile nella scelta dell'hardware e del software da utilizzare nella configurazione di una nuova rete IoT o nell'espansione e nello sviluppo di reti già esistenti. Le funzionalità essenziali che caratterizzano i dispositivi IoT sono:

Connettività

Tutti i dispositivi IoT hanno la connettività di rete come caratteristica distintiva. Quando i dispositivi IoT comunicano localmente con altri, utilizzano servizi basati su cloud per pubblicare i dati. La maggior parte dei dispositivi IoT trasferisce le informazioni in modalità wireless, utilizzando beacon Bluetooth , 802.11 (Wi-Fi), reti cellulari, RFID o tecnologie LPWAN come SigFox, LoRa o NB-IoT. Tutti i dispositivi fissi sono dotati di un sistema di comunicazione cablato. Questi dispositivi fissi vengono installati in applicazioni di controllo industriale, domotica ed edifici intelligenti. Protocolli standard come Controller Area Network (CAN) o Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) connettono i dispositivi tramite comunicazione seriale.

Risparmio energetico

I dispositivi portatili e indossabili che fanno ampio affidamento su fonti di alimentazione wireless come celle fotovoltaiche e batterie considerano la gestione dell'alimentazione un fattore rischioso. La maggior parte degli utenti a volte imposta i propri dispositivi in modalità di risparmio energetico o di sospensione per risparmiare energia. Questo dipende dalle abitudini di utilizzo dell'utente e dalle esigenze di alimentazione dei circuiti integrati (IC), dei sensori o degli attuatori coinvolti. Il consumo energetico del dispositivo aumenta con l'aumentare dei componenti collegati.

Schede di sviluppo microcontrollori

Un microcontrollore è un tipo di SoC che elabora dati e può memorizzarne grandi quantità. È composto da memoria, core di elaborazione e una memoria di sola lettura programmabile e cancellabile (EPROM), utilizzata per mantenere tutti i programmi personalizzati in esecuzione sul microcontrollore. Inoltre, le schede di sviluppo per microcontrollori dispongono di una struttura elettrica aggiuntiva per supportare il microcontrollore, rendendolo più utile nella programmazione o nella prototipazione con il chip.

Il microcontrollore è collegato ad attuatori e sensori tramite un bus hardware o pin GPIO (General-Purpose Input/Output) analogici o digitali. Tutti i componenti collegati al bus utilizzano protocolli di comunicazione standard come SPI e I²C, e SPI per comunicare. Lo scambio o l'aggiunta di elementi collegati al bus sono resi più accessibili quando l'utente adotta alcuni standard predefiniti.

Computer a scheda singola (SBC)

Sono più improvvisati dei microcontrollori. I computer a scheda singola consentono all'utente di collegare periferiche come schermi, tastiere e mouse. Inoltre, offrono maggiore potenza di elaborazione e maggiore memoria. Ad esempio, un microcontrollore ha un microprocessore a 8 bit e 16 kHz, mentre i computer a scheda singola hanno un microprocessore ARM a 1.2 GHz e 32 bit.

Qual è la scelta migliore tra le schede di sviluppo per microcontrollori e i computer a scheda singola?

Quando si pianifica l'acquisto di una scheda di sviluppo per microcontrollori o di un computer a scheda singola, è fondamentale considerare le caratteristiche principali del dispositivo in base ai requisiti della propria applicazione. È inoltre consigliabile prendere in considerazione le seguenti decisioni:

• Se necessario, stabilire la quantità e il tipo di componenti di output e sensori periferici essenziali per i circuiti di progettazione del componente.
• Scegliere una singola scheda o un microcontrollore per controllare e coordinare i componenti di un sistema periferico.
• Seleziona i protocolli essenziali di comunicazione dati di cui potresti aver bisogno per la comunicazione tra dispositivi. Ad esempio, per comunicare tra un microcontrollore e i sensori collegati, utilizza un protocollo I2C.
• Determinare i protocolli e l'hardware di rete essenziali per comunicare con le applicazioni e i servizi cloud.
• Confronta l'intento progettuale che prevedi di raggiungere una volta progrediti nella progettazione del tuo ambiente IoT.
• Accedi al software embedded, al prototipo, al design del dispositivo e seleziona le migliori applicazioni e servizi. È possibile valutare periodicamente i prototipi insieme ai requisiti funzionali e non funzionali, come sicurezza, prestazioni e affidabilità. Quindi, riconsidera le scelte che ritieni necessarie.

Requisiti hardware IoT per l'implementazione del tuo progetto IoT

I dispositivi IoT operano solo in determinati ambienti e i loro progetti hardware variano notevolmente; pertanto, sono altamente specializzati. Tuttavia, è possibile sviluppare e progettare PCB e componenti personalizzati per i requisiti della propria soluzione IoT, prototipando con hardware generico disponibile sul mercato. Durante l'implementazione del progetto IoT, è essenziale considerare i seguenti requisiti hardware:

Requisiti di sicurezza

La sicurezza è una componente essenziale dell'Internet delle Cose. Considerare i requisiti di sicurezza del dispositivo è fondamentale in tutte le fasi di sviluppo e progettazione. Anche in fase di prototipazione, è fondamentale garantire che la sicurezza e l'integrità dei dati acquisiti da qualsiasi dispositivo rimangano intatte. Tutti i dispositivi IoT, le loro reti, le applicazioni di servizio di siti web e dispositivi mobili devono rispettare i requisiti di sicurezza.

Facilità di sviluppo

La facilità di sviluppo è un requisito di massima priorità durante la prototipazione. Permette all'utente di rendere operativo il dispositivo IoT in modo rapido ed efficiente durante l'acquisizione dei dati e l'interconnessione con altri dispositivi e con il cloud. Durante la distribuzione dei progetti IoT, è importante tenere presente la qualità, l'accessibilità e la disponibilità della documentazione API. È inoltre importante considerare gli strumenti di sviluppo e il supporto forniti dal produttore del dispositivo o dal team di sviluppo.

Requisiti di acquisizione, elaborazione e archiviazione dei dati

Il numero di sensori collegati, la risoluzione dei dati acquisiti e la frequenza di campionamento sono i principali fattori determinanti del volume di dati da elaborare. Influenzano anche i requisiti di archiviazione ed elaborazione dei dati.

Requisiti di connettività

Le reti wireless hanno requisiti di connettività come il raggio d'azione, la distanza coperta dal segnale di trasmissione, i dati previsti e il volume trasmesso. Quando si verificano i requisiti di connettività del dispositivo, è fondamentale considerare la tolleranza ai guasti, la capacità di riconnessione del dispositivo e il tempo impiegato dal dispositivo per riprovare a inviare dati dopo la disconnessione.

Requisiti di alimentazione

I requisiti di alimentazione sono influenzati principalmente dalla velocità di trasmissione della rete e dal numero di sensori presenti nel dispositivo. Pertanto, quando si implementa un progetto IoT, è fondamentale valutare se il dispositivo necessita di una fonte di alimentazione mobile, come un supercondensatore o una batteria, oppure se necessita di alimentazione cablata. È inoltre importante conoscere le dimensioni della batteria, i requisiti di capacità, il peso e se viene ricaricata, sostituita o smaltita quando si esaurisce. Nel caso in cui la batteria sia ricaricabile, è importante verificare con quale mezzo e con quale frequenza viene ricaricata.

Requisiti di progettazione del dispositivo fisico

Includono le dimensioni e l'aspetto fisico del dispositivo hardware. Quando si progetta un dispositivo IoT, è essenziale considerare le condizioni ecologiche in cui verrà installato. Ad esempio, è necessario valutare se il dispositivo richiederà una versione rinforzata o impermeabile. Tutti i dispositivi installati sotto un camion come parte di un'applicazione di monitoraggio della flotta devono essere sempre protetti per garantirne il corretto funzionamento, anche in condizioni difficili. Il dispositivo deve essere impermeabile e insensibile a urti, sporco e vibrazioni.

Requisiti di costo

Il costo dell'hardware originale e dei componenti correlati, come i sensori, sono i principali fattori determinanti del prezzo dell'hardware. Altri fattori che determinano il costo dell'hardware includono i costi operativi correnti, come la manutenzione e i costi energetici. Inoltre, è essenziale valutare attentamente i costi di licenza ragionevoli per le unità e i componenti di alcuni dispositivi. Assemblare schede personalizzate è più costoso rispetto all'acquisto di schede di sviluppo commerciali. È un'alternativa più saggia dedicare dispositivi hardware quando si scala nella rete IoT con numerosi strumenti.

Processori

I dati vengono elaborati una volta acquisiti dai sensori, prima di essere trasmessi al cloud. Pertanto, la quantità di elaborazione necessaria per creare i dati dei sensori e la complessità dei sensori stessi determinano il livello di elaborazione. Ad esempio, la lettura della temperatura è una semplice rappresentazione di una media di valori impostati o di un singolo valore di dati nel tempo. Inoltre, una telecamera di sicurezza incapace di registrare video digitali senza che l'algoritmo di rilevamento della scena segnali un evento può essere più complessa.

In base alla complessità e alla potenza necessarie per elaborare i dati, sono necessarie quattro classi di elaborazione hardware IoT. Sono:

Sistemi basati su PC

I sistemi basati su PC sono piattaforme configurabili che consentono agli integratori di sistemi di creare facilmente sistemi personalizzati partendo da processori economici e comuni, schede madri, case e alimentatori standard. Le ampie capacità di archiviazione locale dei dati sono fornite principalmente da unità a stato solido (SSD) o dischi rigidi da terabyte.

Sistemi mobili

I sistemi mobili incorporano sistemi embedded che dispongono di un sottoinsieme specializzato ottimizzato per smartphone e tablet. Tutti i sistemi mobili richiedono ricariche frequenti poiché i dispositivi sono alimentati a batteria. Questi dispositivi intrinsecamente personali dispongono di funzionalità avanzate di gestione dell'alimentazione per risparmiare energia e prolungare la durata della batteria. Inoltre, i sistemi mobili offrono capacità di elaborazione ad alte prestazioni.

Sistemi embedded basati su microprocessore (MPU)

Offrono una gamma completa di opzioni, con capacità e prestazioni elevate, per soddisfare i requisiti di prodotti specifici. I requisiti riguardano principalmente sistemi di comunicazione, elettronica di consumo, controlli automobilistici e industriali, dispositivi medicali e altre applicazioni verticali.

Sistemi embedded basati su microcontrollori (MCU)

Questi sistemi richiedono esigenze di elaborazione minime e offrono soluzioni a basso costo. Tuttavia, i microcontrollori sono moduli hardware avanzati specifici per l'impianto, che accelerano l'elaborazione delle immagini e svolgono funzioni di sicurezza come l'accelerazione crittografica per lo scambio di chiavi pubbliche/private e la generazione di numeri casuali reali (TRNG).

Architettura hardware IoT

Le unità microcontrollore possono essere utilizzate per costruire l'architettura hardware del dispositivo IoT. Le risorse del chip, le interfacce e la potenza del sistema determinano la scelta di un'unità microcontrollore. Per definire la progettazione dell'hardware IoT, è necessario raccogliere alcune caratteristiche. Queste caratteristiche aiutano a finalizzare il prototipo hardware IoT perfetto e a definire il prezzo del kit hardware IoT obbligatorio. Tra queste:

• Tipologia di attuatori o sensori
• Tipo di interfaccia di comunicazione
• Quantità di dati acquisiti e trasmessi
• Frequenza di trasporto dei dati

Architettura software IoT

I componenti open source sono la base dell'architettura software IoT. La figura sopra illustra come l'architettura IoT sia comunemente utilizzata nella maggior parte dei sistemi. Linux non ha bisogno di concentrarsi sullo sviluppo di hardware e software IoT di destinazione; per questo motivo è più ampiamente utilizzato.

Attualmente, la maggior parte delle aziende punta a fornire framework IoT pronti all'uso in innumerevoli applicazioni IoT specifiche. Il protocollo CoAP viene utilizzato principalmente in quanto esclusivo per le applicazioni IoT. Il protocollo fornisce anche un meccanismo standard per la connessione con i dispositivi IoT.

Piattaforme hardware IoT comuni

I componenti essenziali nelle applicazioni IoT sono le piattaforme hardware IoT. Questi dispositivi possono aiutarti a realizzare rapidamente il tuo prototipo o progetto fai da te. Alcune delle piattaforme hardware più comuni utilizzate negli sviluppi IoT sono:

1. Raspberry Pi – Il Raspberry Pi è ampiamente diffuso come piccola ed economica scheda di elaborazione tra gli appassionati di tecnologia, gli sperimentatori e gli insegnanti.
2. Arduino (Genuino) – È una piattaforma di prototipazione open source basata su software e hardware facili da usare.
3. ESP8266 – Unisce un microcontrollore da 160 MHz con punti di accesso e client, stack TCP/IP completi e front-end Wi-Fi con DNS.
4. Intel Edison: questa piccola piattaforma di sviluppo è dotata di un microcontrollore Intel Quark da 32 byte con una CPU Intel Atom.
5. Intel Galileo: questa piattaforma hardware AWS IoT architettonica basata su Intel è un pacchetto software e un hardware per computer compatibile con gli shield Arduino destinati a Uno R3.
6. BeagleBone – Questo computer open-hardware è facile da assemblare in quanto è un piccolo computer open-software collegabile a tutti i tipi di dispositivi disponibili in casa.
7. Banana Pi: è un computer a scheda singola che si propone di essere piccolo, economico e sufficientemente flessibile per l'uso quotidiano.
8. Kit di sviluppo NodeMCU: una scheda completa che integra PWM, ADC, 1-Wire, GPIO e IIC, basata sul chip Wi-Fi ESP8266.
9. Flutter – Flutter è dotato di un processore ARM ad alta velocità, un chip di sicurezza hardware IoT integrato, batterie di ricarica integrate e una solida comunicazione wireless a lungo raggio.

L'open source è pervasivo nell'hardware IoT

La maggior parte degli sviluppatori IoT ha familiarità con l'utilizzo dell'open source: oltre il 91% di loro applica software, dati o hardware open source in più di una parte del proprio stack di sviluppo, rendendolo più convincente. Tuttavia, meno di 2 sviluppatori IoT su 10 si affidano principalmente a tecnologie brevettate ed è meno probabile che adottino l'opzione open source. L'utilizzo di hardware open source per l'IoT è dominante nella maggior parte delle aziende produttrici di hardware IoT. Questo elevato tasso di utilizzo si mantiene indipendentemente dalle motivazioni dello sviluppatore, che siano apprendimento, divertimento o denaro.

L'open source è la nuova standardizzazione

L'utilizzo di soluzioni standard offre gli stessi vantaggi di produttività offerti dall'utilizzo di standard aperti. Inoltre, l'applicazione di standard pubblici in ambienti open source contribuisce a risolvere le sfide di interoperabilità, un problema critico nell'emergente Internet delle Cose. È fondamentale considerare sempre i costi di formazione ridotti per il nuovo personale che acquisisce familiarità con la tecnologia open source utilizzata. Questo è ciò che ha fatto Google subappaltando la sua tecnologia MapReduce. Le soluzioni open source vengono utilizzate principalmente nell'ambito hardware Azure IoT.

L'open source attrae gli sviluppatori

L'open source riscuote un immenso entusiasmo tra gli sviluppatori, poiché questi ultimi sono più attenti ai valori e agli standard offerti dall'open source. Oltre il 78% degli sviluppatori IoT preferisce utilizzare la tecnologia open source in almeno un ambito di sviluppo, ove possibile, piuttosto che ricorrere ad alternative superiori a quelle proprietarie. Quando un'azienda adotta e promuove un'architettura open source, propone allo sviluppatore una tecnologia di prim'ordine sotto tre aspetti fondamentali.

1. Allineamento con l'etica e l'etica dello sviluppatore
2. Mette in risalto il valore della tua soluzione e il supporto dello sviluppatore
3. Descrive la tecnologia come all'avanguardia