Le ambizioni IoT promuovono l'integrazione di sensori multifunzione

L'Internet delle cose sta cambiando il mondo. Il suo enorme potenziale sta nella combinazione di dispositivi intelligenti a bassissimo consumo alla periferia della rete e cloud computing in grado di identificare modelli su grandi quantità di dati per generare informazioni utili. Due aspetti che hanno permesso che emergesse sono chip per processore ad alte prestazioni e dispositivi periferici di rete intelligenti che possono essere fabbricati con un costo e un consumo energetico talmente bassi da rendere fattibile sia dal punto di vista tecnico che economico una distribuzione pervasiva.

Connettività di rete e Big Data sono aspetti chiave che distinguono l'IoT dal monitoraggio e dal controllo remoti ordinari. Il suo potenziale di proteggere l'ambiente, migliorare le prestazioni aziendali e trasformare la vita di tutti i giorni viene sfruttato non rilevando e rispondendo individualmente a una o due variabili, ma analizzando più canali di dati per individuare le tendenze e determinare una risposta idonea.

Alcuni esempi li si può vedere nell'industria dell'automobile, dove i costruttori più importanti stanno iniziando a usare le informazioni dei sensori acquisite da un gran numero di veicoli sulle strade per migliorare i servizi cliente e lo sviluppo di nuovi prodotti. In altri mercati consumer, come quello degli elettrodomestici, i costruttori leader stanno iniziando a imbrigliare la potenza di IoT per migliorare le prestazioni di prodotti e aziende grazie alle informazioni preziose ottenute con la raccolta dei dati dagli apparecchi dei clienti. Nel settore dei servizi per l'edilizia, ci si attende che l'inserimento in una piattaforma Cloud IoT dei dati raccolti da una base installata globale di ascensori e scale mobili contribuisca a migliorare la manutenzione e i progetti dei prodotti futuri.

Esistono diversi altri scenari che possono utilizzare combinazioni di dati rilevati, alcuni dei quali includono:

• Rilevamento ambientale come la presenza di gas nelle miniere per migliorare la sicurezza sul luogo di lavoro.
• Sensori di prossimità nelle strade e sensori di accelerazione e atteggiamento a bordo dei veicoli per supportare la guida autonoma ed evitare incidenti.
• Sensori nelle stanze d'albergo per rilevare la presenza degli ospiti senza compromettere la loro privacy, per permettere al personale di prestare i servizi in camera senza intrusione e di migliorare l'efficienza operativa.
• Sensori medicali per registrare i dati ambientali e dei pazienti da inviare a un operatore sanitario.
• Telematica che permette di registrare i dati dei veicoli per determinare le tariffe delle polizze assicurative in base alle abitudini di guida per incentivare una guida più sicura.  

Richiesta e sviluppo di soluzioni multisensore

Laddove servono dei sensori per monitorare contemporaneamente più variabili, il consolidamento di sensori ed elettronica di supporto fa risparmiare sui costi e semplifica l'installazione. Piattaforme di valutazione di sensori altamente integrate agevolano lo sviluppo di prodotti intelligenti ricchi di sensori pronti per essere connessi all'IoT.

Arduino è uno degli ambienti che semplificano lo sviluppo di soluzioni multisensore. Ad esempio, Arduino Lucky Shield è una scheda di espansione compatibile con tutte le schede Arduino standard a 5 e 3,3 V. Combina sensori per pressione barometrica, altitudine relativa, luminosità, temperatura, movimento e presenza. I sensori sono inseriti in un fattore di forma compatto di 68,6 x 53,4 mm.

Impratichirsi con Arduino Lucky Shield è facile perché su Arduino.org sono disponibili diversi tutorial, compresa un'applicazione per stazione meteorologica che mostra come leggere i valori dei sensori di temperatura, umidità e pressione e come inviarli a un display OLED. La Figura 1 mostra un estratto del codice fornito, mentre la Figura 2 mostra il codice in esecuzione che visualizza i valori letti dai sensori.

tmp_lbl = "Temper.:";

hum_lbl = "Umidità:";

pre_lbl = "Pressione:";

tmp_um = " C.";

hum_um = " %";

pre_um = " hPa";

}

void loop(){

luck.oled().clearDisplay();

tmp_val = String(luck.environment().temperature());

lucky.oled().setCursor(5, 10);

lucky.oled().print(tmp_lbl + tmp_val + tmp_um);

Serial.print(tmp_lbl + tmp_val + tmp_um);

hum_val = String(luck.environment().humidity());

lucky.oled().setCursor(5, 30);

lucky.oled().print(hum_lbl + hum_val + hum_um);

Serial.print(hum_lbl + hum_val + hum_um);

pre_val = String(luck.environment().temperature() / 100.0F);

lucky.oled().setCursor(5, 50);

lucky.oled().print(pre_lbl + pre_val + pre_um);

Serial.printIn(pre_lbl + pre_val + pre_um);

Figura 1: Codice del tutorial della stazione meteorologica Arduino.

Figura 2: Rilevamento delle condizioni ambientali con la scheda multisensore Arduino Lucky Shield.

Scheda X-NUCLEO-IKS01A2 di ST e SensorTile

STMicroelectronics offre diverse schede multisensore all'interno del proprio ecosistema STM32. X-NUCLEO-IKS01A2 è una scheda di espansione di rilevamento ambientale da usare con schede base microcontroller STM32 Nucleo. Contiene un accelerometro MEMS, un giroscopio, un magnetometro, un sensore di pressione barometrica assoluta e un sensore capacitivo di temperatura e umidità relativa.

L'ecosistema STM32Cube fornisce strumenti e software per l'inizializzazione e l'esecuzione del microcontroller STM32. Inoltre, la libreria di espansione del software del sensore ambientale X-CUBE-MEMS1 offre i driver richiesti per costruire applicazioni su X-NUCLEO-IKS01A2. Nello schema sull'architettura dell'intero sistema della Figura 3, X-CUBE-MEMS1 soddisfa i requisiti del livello driver.

Figura 3: Architettura di sistema per lo sviluppo di sensori nell'ecosistema STM32.

Rientrando nel livello middleware della Figura 3, sono disponibili ulteriori esempi software per usare i sensori per funzioni specifiche come il riconoscimento di attività e/o gesti. Tra i vantaggi:

osxMotionAW: riconoscimento in tempo reale di attività per l'espansione di software da polso per STM32Cube

osxMotionID: espansione del software di rilevamento in tempo reale dell'intensità del movimento per STM32Cube

osxMotionFX: espansione del software di fusione di sensori in tempo reale per STM32Cube

osxMotionGC: software di calibrazione in tempo reale di giroscopi per STM32Cube

osxMotionPE: espansione del software di stima di posizione in tempo reale per STM32Cube

Lo pseudo-codice in Figura 4 mostra come MotionFX implementa la fusione dei dati dei sensori di movimento in tempo reale.

Inizializzazione della sequenza dello pseudo-codice (da fare una volta)

1. Sensori di inizializzazione (accelerometro e giroscopio per fusione 6x, anche magnetometro per fusione 9x); all'accensione, attesa che i transitori si assestino per ottenere buoni campioni di dati
2. Iniz. fusione MotionFX: osx_MotionFX_initialize()
3. Iniz. calibrazione mag: osx_MotionFX_compass_Init()
4. osx_MotionFX_getKnobs(); modifica impostazioni; _setKnobs()
5. Reset tramite disabilitazione fusione: osx_MotionFX_enable_6X(0) / _9X(0)

Avvio fusione

1. Iniz calibrazione giro se possibile: osx_MotionFX_setGbias()
2. Iniz calib. mag se possibile: osx_MotionFX_compass_setCalibrationData()
3. Abilita fusione dati: osx_MotionFX_enable_6X(1) / _9X(1)

I dati dei sensori possono quindi essere letti e le transazioni possono essere controllate utilizzando istruzioni come osx_MotionFX_propagate() e osx_MotionFX_update()

Figura 4: Pseudo-codice per fusione del sensore MotionFX.

Lab IoT con fattore di forma compatto

Di recente ST ha annunciato un modulo multisensore ancora più piccolo, che può essere usato come hub di rilevamento e connettività in un sistema embedded, oppure come dispositivo standalone per acquisire i dati dei sensori utilizzando un'app per smartphone. Questo SensorTile integra un accelerometro MEMS, un giroscopio, un magnetometro, un sensore di pressione assoluta e un microfono, assieme a un microcontroller STM32L4 e a una radio Bluetooth Low Energy (BLE) su una scheda delle dimensioni di un francobollo e che può essere saldata o inserita in una scheda host.

Per l'uso in modalità standalone, ST offre una scheda cradle che contiene un ulteriore sensore di umidità e temperatura e modificabile facilmente per aggiungere sensori alternativi, se richiesto. Quando usato in questa modalità, SensorTile può essere configurato su BLE per iniziare rapidamente ad acquisire i dati dei sensori su uno smartphone.

Per lo sviluppo embedded, SensorTile può essere inserito in una scheda di valutazione STM32 Nucleo tramite una diversa scheda cradle di espansione.

Piattaforma ARTIK Samsung con sicurezza aziendale

La piattaforma ARTIK™ di Samsung offre una serie di moduli scalabili da unità di piccole dimensioni con un microcontroller ARM® Cortex®-M4 e supporto Bluetooth 4.2 alla famiglia ARTIK 5 con elaborazione a doppio Cortex-A7 e supporto per Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee® e Thread, fino alla famiglia ARTIK 7 che sfrutta il processore dell'applicazione Cortex-A35. Le famiglie ARTIK 5 e ARTIK 7 sono sufficientemente potenti per gateway o controller. Incorporano sicurezza di classe aziendale, incluso un elemento di sicurezza hardware per la memorizzazione di chiavi e l'esecuzione sicura di algoritmi di crittografia e SO sicuro che contribuisce a creare un ambiente di esecuzione affidabile. Alcuni marchi "blue chip" stanno realizzando soluzioni IoT servendosi dell'ecosistema ARTIK e sono disponibili dei kit per lo sviluppo embedded, fra i quali il kit per dispositivi finali IoT Bluetooth 4.2 ARTIK 020, il kit Bluetooth/Wi-Fi/ZigBee/Thread ARTIK 520 e il kit di fascia alta ARTIK 710. Il rapido sviluppo multisensore può avvalersi della scheda di espansione dei sensori ARTIK che è compatibile con i kit ARTIK 5 e ARTIK 7. Questa scheda contiene un accelerometro, un giroscopio, un sensore di umidità, un magnetometro, un sensore della pressione e della temperatura ed è collegata come scheda associata alla scheda di valutazione principale tramite un connettore bordo scheda come illustrato nella Figura 5.

Figura 5: Uso della scheda di espansione dei sensori Samsung con un kit di valutazione ARTIK 5 o ARTIK 7.

Conclusione

Le schede di sviluppo dei sensori di ultima generazione sono dei moduli compatti, multisensore, che possono essere utilizzati direttamente o con una personalizzazione minima in prodotti finali destinati alla periferia di IoT. Con l'intensificarsi delle richieste degli utenti e la crescente completezza e sostenibilità economica di applicazioni analitiche basate su cloud, dovrebbero emergere servizi sempre più creativi che sfruttano una crescente varietà di dati dei sensori.