Lo scopo di Industry 4.0 è connettere in rete in maniera “intelligente” qualsiasi dispositivo o apparecchiatura che formano la catena di un processo. Di conseguenza, tutte le fasi, fino ai singoli sotto-processi, dovrebbero essere visibili in modo trasparente in modo da poter essere analizzati in dettaglio. L’obiettivo finale è controllare i processi in maniera completamente automatizzata e ottimizzata al fine di introdurre sul mercato prodotti e servizi nel modo più efficace possibile. Un forno ad esempio, comunica in modo più o meno diretto con il mulino in modo da pianificare la quantità di farina necessaria affinché lo stabilimento possa produrre più pane.
Fig. 1 – Artista-IoT, il più recente controllore TFT realizzato da Distec, è una BaseBoard da utilizzare con la più recente generazione del Compute Module Raspberry (CM3)
Per conseguire tale finalità i programmi che girano sui computer richiedono il maggior numero possibile di dati significativi. Utilizzando tali dati, algoritmi complessi sono in grado di calcolare il processo ottimale, che potrebbe essere considerato a prima vista inutilmente complicato e persino illogico per gli essere umani (come ad esempio il random storage) ma che invece contribuisce a migliorare sensibilmente la produzione. I dati fondamentali, idealmente, sono acquisiti direttamente alla fonte e trasmessi – attraverso Internet o una rete intranet – a un server che raccoglie tutte le informazioni disponibili (Big Data) e cerca di sfruttarle nel modo migliore possibile. Si tratta in altre parole dell’inizio dell’era dell’IoT (Internet of Things).
Fig. 2 – Lo starter kit con controllore PACP che supporto il tocco di 10 dita e display STF da 10,1”
Il problema del supporto
Affinché i dispositivi diventino più “intelligenti”, è necessario dotarli di un “cervello” sotto forma di un microcontrollore. Il problema effettivo non è quello di individuare un microcontrollore in grado di assolvere tale compito: i principali produttori asiatici introducono nuovi modelli su base giornaliera. Il problema reale è rappresentato dal fatto che i produttori di medie dimensioni che realizzano prodotti di nicchia per i quali non sono quindi previsti elevati volumi di produzione, non ottengono un supporto adeguato da parte dei costruttori di chip.
Ovviamente è possibile acquistare i componenti, ma spesso le prime carenze si manifestano già a livello di documentazione: le descrizioni relativi ai registri sono solitamente molto scarse, se non addirittura inesistenti. Nel caso più fortunato è possibile contattare un FAE del produttore che può inviare per E-Mail i valori del registro; ciò permette di risolvere il problema contingente ma in ogni caso non è possibile ottenere la documentazione corrispondente. Alcune volte l’utilizzatore deve impostare registri che non vengono menzionati in alcun documento. Il problema potrebbe quindi essere di questo tipo: a prima vista 0x11 potrebbe risolvere il problema, anche se forse 0x12 risulterebbe più efficace.
Nel caso di aziende di grandi dimensioni, per le quali i volumi sono molto elevati, un approccio come quello sopra descritto potrebbe essere quello giusto. Nel momento in cui un prodotto è in fase di sviluppo, il FAE del produttore di chip garantisce il necessario supporto, quindi il prodotto entra in produzione e viene venduto in milioni di pezzi prima che il successore venga progettato e commercializzato allo stesso modo. L’aspetto più importante, in questo caso, è il prezzo del chip che deve risultare il più basso possibile.
A questo punto si provi a considerare cosa succede nel caso in cui fornitori di dimensioni inferiori vogliono offrire parecchie versioni di una piattaforma. Se i chip rappresentano la base di un modulo flessibile, gli sviluppatori devono conoscere le potenzialità dei componenti a fondo al fine di implementare nuovi requisiti in tempi brevi. I progetti industriali di aziende di medie dimensioni possono prevedere nella fase iniziale alcune centinaia di pezzi, garantendo comunque buoni profitti. In ogni caso, il fatto di dover a volte discutere per un paio di settimane con un FAE può risultare frustrante per gli sviluppatori.
Spesso il “collo di bottiglia” non è dunque rappresentato dalla formazione o dalle competenze dei progettisti, ma dalle ridotte possibilità di accesso a chip ben documentati. Ovviamente, parte dello sviluppo può essere implementato in modo autonomo ricorrendo a tecniche di reverse engineering, ma ciò va a discapito del time to market. Anche un’alternativa di tipo discreto, realizzata a partire da componenti noti e collaudati, spesso non rappresenta una valida alternativa a causa del costo decisamente superiore.
Le linee guida di Raspberry sono disponibili all’indirizzo: https://www.raspberrypi.org/trademark-rules/
Dalle aule scolastiche all’industria
Una possibile soluzione al problema appena esposto può provenire da un settore inusuale, quello della didattica. RaspberryPi, un computer ideato per applicazioni nei settori della didattica (allo scopo di stimolare l’insegnamento dell’informatica e della programmazione nelle scuole) ha di recente fatto il suo ingresso nel mondo industriale.
Per l’ultima versione di questa piattaforma, denominata “Computer Module 3” o più sinteticamente CM3, viene garantita la disponibilità per un periodo di 6 anni. Tutti gli utenti che giudicavano insufficiente la potenza di elaborazione offerta dai precedenti modelli di RaspberryPi saranno piacevolmente sorpresi dalle prestazioni offerte da CM3. Esso garantisce una potenza di elaborazione sufficiente a soddisfare le esigenze delle applicazioni più impegnative.
Grazie alle numerose interfacce disponibili, l’hardware garantisce un’elevata flessibilità. Il sistema operativo spesso utilizzato è Raspbian, una versione basata su Debian (una distribuzione di Linux) esplicitamente adattata per la CPU di RaspberryPi. Fin dall’introduzione del primo modulo RaspberryPi, tutti i modelli sono compatibili e su tutte le versioni gira il medesimo sistema operativo. Grazie al supporto per Windows 10 IoT o Android Things, gli utenti hanno a disposizione una piattaforma efficiente che permette di avviare lo sviluppo dei loro progetti in tempi brevi.
Il vantaggio principale, in ogni caso, è rappresentato dal supporto della community: specifiche e documentazione della piattaforma sono estremamente dettagliate, mentre il software è di tipo open source. Per quasi qualsiasi tipo di problema, è possibile individuare una soluzione all’interno dei vari forum o trovare qualcuno che possa fornire un valido ausilio in tempi brevi.
Una caratteristica di indubbio rilievo del “Compute Module” è la possibilità di inserirlo nello zoccolo di una scheda base (BaseBoard) in modo del tutto analogo a quello che avviene per un modulo di memoria RAM. Ciò consente agli utenti di sviluppare le loro piattaforme senza dover ricorrere ad alcun tipo di cablaggio. Ciò non solo contribuisce a ridurre i tempi di produzione, ma anche ad attenuare le problematiche EMI e a snellire il processo di certificazione.
Sono già disponibili numerose soluzioni “intelligenti” standard: utilizzando ad esempio uno scaler (in pratica un chip di conversione) sulla baseBoard è possibile controllare praticamente tutti i più diffusi display TFT in modo semplice e flessibile direttamente attraverso l’interfaccia LVDS senza ricorrere ad alcun hardware aggiuntivo. L’aspetto prioritario non è semplicemente collegare un display, bensì rendere disponibili funzionalità specifiche: la modalità DICOM Preset per applicazioni medicali, le calibrazioni dei colori utile in applicazioni marittime, la correzione gamma e molte altre possono essere implementate con estrema facilità. La retroilluminazione dell’LCD può essere controllata automaticamente mediante un sensori di luce ambiente o direttamente attraverso un display on-screen con una tastiera separata.
Le possibilità offerte da questa piattaforma vanno molto al di là di quelle originali, che appunto prevedevano un utilizzo di RaspberryPi essenzialmente in campo didattico. Ora, con la nuova versione, questo computer su scheda singola rappresenta una valida alternativa per le aziende di piccole-medie dimensioni che vogliono cogliere le opportunità offerte da Industry 4.0 e Internet of Things.
Aziende come Data Display Group sono in grado di offrire prodotti e servizi innovativi finalizzati a semplificare l’integrazione nelle singole applicazioni individuali e di sfruttare al meglio le possibilità offerte da RaspberryPi. Starter kit di tipo plug-and-play già pronti all’uso semplificano l’avvio dei progetti e consentono agli sviluppatori di completare i loro design in tempi brevi.