Come si collega un dispositivo embedded a un'applicazione web o al cloud?

Macchine nuove e macchine esistenti

Da solo o con un gateway.

Un dispositivo nuovo può collegarsi da solo: un ESP32, per esempio, ha il Wi-Fi a bordo. Le macchine che esistono già, invece, di solito parlano su un bus di campo, cioè un collegamento pensato per far dialogare schede e macchine. In questi casi si aggiunge un gateway: un piccolo dispositivo che parla il bus da un lato e la rete dall'altro.

• CAN: un bus robusto, nato per i veicoli, su cui molte centraline si scambiano messaggi brevi sugli stessi due fili.
• Modbus: un protocollo semplice e diffuso negli impianti, in cui un dispositivo interroga e gli altri rispondono.
• RS485: il collegamento elettrico su cui viaggia spesso Modbus, adatto a distanze lunghe e ad ambienti con molti disturbi.

Il gateway è anche il posto giusto per un primo lavoro sui dati: filtrarli, tenerli in coda quando la rete manca, mandare solo le variazioni invece di ogni lettura.

L'hardware

Microcontrollore o FPGA.

Per leggere sensori, comandare un relè e parlare con la rete basta quasi sempre un microcontrollore. Gli STM32 sono una famiglia molto ampia, scelta spesso per il controllo e i tempi precisi. Gli ESP32 hanno Wi-Fi e Bluetooth integrati, e sono comodi per i dispositivi collegati.

Un FPGA è un chip la cui logica si disegna su misura. Serve quando bisogna fare molte cose nello stesso istante con tempi molto precisi, per esempio elaborare segnali veloci. È più flessibile e più potente in questi compiti, ma costa di più e chiede competenze diverse. Spesso nello stesso prodotto convivono tutti e due.

La comunicazione

Come il dispositivo parla con il server.

Dispositivo e server devono accordarsi su come si parlano. Due scelte comuni: HTTPS, lo stesso protocollo dei siti web, comodo quando il dispositivo manda dati ogni tanto; e MQTT, un protocollo leggero in cui i dispositivi pubblicano messaggi su argomenti e il server li riceve, adatto a molti dispositivi collegati a lungo. Qualunque sia la scelta, valgono tre regole:

• Il dispositivo sa cosa fare quando la rete manca: tiene i dati e li manda dopo.
• Ogni messaggio porta l'ora della misura e l'identità del dispositivo.
• Il server non si fida dei dati solo perché arrivano: li controlla, come farebbe con un modulo compilato su un sito.

Sicurezza

Un dispositivo collegato è un computer in rete.

E spesso sta in un luogo che non controllate. Le regole di base:

• Ogni dispositivo ha la sua identità e le sue credenziali, mai una password uguale per tutti.
• Il collegamento è cifrato, e il dispositivo controlla di parlare con il server giusto.
• È il dispositivo ad aprire il collegamento verso il server: non resta in ascolto su Internet.
• Un firmware nuovo si installa solo se è firmato da chi lo ha prodotto.
• Le porte di debug sono chiuse sui dispositivi in produzione.

Nessun dispositivo è sicuro al cento per cento. Queste regole riducono il rischio e limitano il danno se un dispositivo viene manomesso.

Aggiornamenti

Il firmware, aggiornato a distanza.

Un dispositivo sul campo vive per anni, e prima o poi il firmware va aggiornato: per un errore, una funzione nuova, una correzione di sicurezza. L'aggiornamento a distanza, chiamato spesso OTA (over the air), evita di mandare un tecnico sul posto. Va progettato con cura, perché un aggiornamento andato male può fermare un dispositivo lontano.

• Due spazi per il firmware: il nuovo si scrive accanto al vecchio, e se non parte il dispositivo torna alla versione di prima.
• Aggiornamenti a gruppi: prima pochi dispositivi, poi gli altri.
• Il server sa quale versione gira su ogni dispositivo, e chi è rimasto indietro.

La nostra esperienza

Il dispositivo e il server, un progetto solo.

Progettiamo elettronica e firmware dai tempi delle board FPGA Merlino e Singularity, e oggi lavoriamo con STM32, ESP32, FPGA e con i bus CAN, Modbus e RS485, in settori come automotive, agricoltura, industria e automazione, logistica e macchine da gioco regolamentate. Molti di questi lavori sono in white-label: li firmano i nostri clienti, e per questo non li citiamo.

Dal lato software sviluppiamo le applicazioni web e cloud che ricevono i dati. MQTT e gli aggiornamenti a distanza (OTA) li usiamo nei nostri progetti. Avere le due parti nella stessa squadra evita il problema più comune di questi progetti: un dispositivo e un server progettati ognuno per conto suo, che si incontrano solo alla fine.

I limiti

Cosa sapere prima di cominciare.

• La rete sul campo è meno affidabile di quella di un ufficio: il sistema deve funzionare anche quando manca.
• Ogni dispositivo in più è un dispositivo da seguire: identità, aggiornamenti, sostituzioni.
• Collegare una macchina esistente dipende da che cosa espone: alcune non danno accesso ai dati senza il produttore.
• Norme e certificazioni di settore possono vincolare la scelta di componenti e radio: si verificano all'inizio, non alla fine.

Domande frequenti

Le domande che ci fanno su questo tema.