Vent’anni dopo aver rivoluzionato l’elettronica con il suo approccio open-source, Arduino è molto più di un circuito stampato basato su microcontrollore a 8 bit e di un ambiente di sviluppo software essenziale. Oggi il progetto è in prima linea per i sistemi embedded del futuro, grazie alla sorprendente spinta di un ecosistema Pro in crescita. In questo articolo, esploriamo in particolare le potenzialità del micro PLC Arduino Opta e della sua integrazione con Arduino Cloud.
La nuova frontiera dei sistemi embedded
Nello sviluppo di sistemi embedded, due tendenze principali stanno guidando le scelte tecniche e gli investimenti a livello globale. La prima è la pervasiva diffusione dell’Intelligenza Artificiale (IA) che, tramite algoritmi di Machine Learning (ML), consente di acquisire ed elaborare dati sul campo, e prendere decisioni in tempo reale al livello del microchip - sul cosiddetto “edge” - senza necessità di trasferire dati su server centrali ad alta capacità computazionale. Con prodotti come quelli della famiglia Nicla e le partnership con aziende quali Edge Impulse, Arduino dimostra di poter avere un ruolo di primo piano anche in questi nuovi scenari.
La seconda tendenza è la crescita esponenziale delle capacità di comunicazione tra dispositivi connessi, nota come Internet of Things (IoT), con la nascita di tecnologie e protocolli dedicati all'interazione macchina-macchina, come Thread. Negli ultimi anni, Arduino ha abbracciato il cloud e l’IoT con offerte come Arduino Cloud, che offre agli sviluppatori una comoda piattaforma per programmare e aggiornare i dispositivi da remoto, senza necessità di software installati localmente. Non solo: Arduino Cloud permette di creare interfacce interattive per attuare comandi sui dispositivi e visualizzare - con rappresentazioni grafiche chiare e immediate - le informazioni ricevute dal campo, via web browser o mobile grazie alle applicazioni per smartphone IoT Remote (disponibili sia per iOS che per Android).
In questo contesto, dopo il successo delle schede a microcontrollore programmabili ad alte prestazioni della linea Pro, Arduino ha esteso il proprio approccio innovativo anche al mondo dei micro PLC (Controllori Logici Programmabili): a inizio 2023 è nata Arduino Opta, con un parallelo rafforzamento dell’offerta Arduino Cloud con l'introduzione di piani e servizi dedicati alle aziende.
Arduino Opta: il “coltellino svizzero” dell’automazione industriale
Con il lancio di Opta, Arduino è sbarcata ufficialmente nel settore PLC per continuare a perseguire la mission di “rendere semplici le tecnologie complesse, perché tutti abbiano gli strumenti per innovare”. Arduino Opta è un micro controllore logico programmabile (PLC) con funzionalità IoT industriali (IIoT). Progettato in collaborazione con Finder, leader nella produzione di componenti elettronici ed elettromeccanici, ha l’affidabilità e la potenza di calcolo necessarie a realizzare un elevato numero di applicazioni di controllo, monitoraggio e manutenzione predittiva in tempo reale. Grazie al potente microcontrollore STM32H7, può supportare algoritmi di IA e implementare rapidamente processi operativi automatici sulla base delle informazioni ricevute dai sensori sul campo. Permette quindi ai professionisti nelle più varie industry di ampliare i propri progetti di automazione, sfruttando al contempo l’ecosistema Arduino. La Figura 1 presenta Arduino Opta.
Figura 1: Il Micro PLC Arduino Opta
Si tratta di un dispositivo installabile a barra DIN, dal form factor compatto, che espone 8 ingressi programmabili in tensione e 4 potenti relays da 250V, certificato cULus, FCC, IC, CE ed ENEC.
La potenza di Opta risiede nella connettività
La connettività Ethernet, disponibile in tutte le varianti Opta a partire da Opta Lite, può essere utilizzata per comunicazione TCP/IP e fieldbus utilizzando il protocollo Modbus TCP. Per estendere le opzioni di connettività sono inoltre disponibili due ulteriori varianti: Opta RS485 che presenta un terminale per comunicazioni via Modbus RTU e Opta WiFi che, oltre al precedente, offre connettività wireless Wi-Fi e Bluetooth per connettività verso la rete o per l’acquisizione dati dai sensori sul campo. A garanzia dell'integrità dei dati e della gestione delle chiavi di crittografia, Opta integra nel proprio hardware un chip dedicato alla gestione della sicurezza.
Queste opzioni permettono di collegare sensori wireless o Modbus standard, e di ottenere dati da essi. Utilizzando ad esempio sensori di temperatura e umidità via Modbus RTU e di vibrazione via BLE, è possibile rilevare anche minime anomalie dei macchinari, per cogliere immediatamente i segnali prima dell’insorgere di un problema vero e proprio, e intervenire in modo preventivo. Non solo: diverse azioni (dall’invio di una notifica all’operatore all’arresto della macchina) possono essere automatizzate anche sulla base delle informazioni raccolte, facendo girare algoritmi di IA direttamente “on the edge”.
Un micro PLC programmabile (anche) con il linguaggio Arduino
Per programmare Opta è possibile utilizzare il linguaggio Arduino (basato su C++) tramite l’Arduino IDE, beneficiando dell’ampia disponibilità di librerie, della ricchezza di esempi reperibili online e della vastità di programmi sviluppati e condivisi dalla community. Questo approccio open source consente una drastica riduzione dei tempi di sviluppo ed elimina il “vendor lock in”, ovvero l’ipoteca sugli sviluppi futuri del proprio progetto legati alla dipendenza da un determinato fornitore di hardware/software proprietario. L’ampia diffusione del linguaggio Arduino permette inoltre di acquisire rapidamente le figure professionali necessarie per lo sviluppo software.
Ma non solo. Opta supporta anche i 5 tradizionali linguaggi di programmazione PLC definiti dallo standard IEC 61131-3, ovvero ladder diagram (LD), function block diagram (FBD), sequential function chart (SFC), structured text (ST), e instruction list (IL). Per questo, Arduino ha rilasciato un software dedicato: la PLC IDE, scaricabile gratuitamente. Il software presenta funzionalità avanzate per il debugging come una “watch window” per visualizzare i valori delle variabili e un “live debug mode” per vedere stati e valori delle variabili in maniera dinamica direttamente nel codice, oltre ad un oscilloscopio che consente di tracciare dinamicamente anche più variabili in contemporanea. In aggiunta a queste opzioni di programmazione, è stata recentemente rilasciata una libreria MicroPython che consente anche questa modalità di programmazione.
La famiglia Opta si espande con 3 nuovi moduli
Al micro PLC Opta, Arduino ha recentemente affiancato 3 moduli di espansione che consentono di incrementare il numero di input e output gestibili dal modulo di controllo. Combinando fino a 5 moduli aggiuntivi al controller, è possibile estendere il numero e differenziare la tipologia di attuazioni e di segnali raccolti dal sistema.
- Arduino Pro Opta Ext D1608E: la prima “digital expansion” dispone di 16 ingressi di tensione programmabili, 8 relè elettromeccanici a 250 VAC 6A. Grazie a queste espansioni è possibile moltiplicare il numero di input gestiti dal sistema di controllo e incrementare il numero di dispositivi controllati.
- Arduino Pro Opta Ext D1608S: una seconda “digital expansion” dispone di 16 ingressi di tensione programmabili, 8 relè allo stato solido a 24 VDC 3A. Il modulo permette di incrementare il numero di input e di rispondere a necessità di commutazione ad altissime frequenze o che richiedano azionamenti silenziosi.
La Figura 2 illustra i due moduli di espansione digitali.
Figura 2: Moduli di espansione digitali Arduino Pro Opta Ext D1608E (a sinistra) e Arduino Pro Opta Ext D1608S (a destra)
- Arduino Pro Opta Ext A0602: la “analog expansion” dispone di ingressi flessibili programmabili dall'utente: 8 canali analogici che possono essere utilizzati come input in tensione (0-10V), corrente (0/4-20mA) o temperatura tramite sonde RTD oppure come output in tensione (0-10V), corrente (0/4-20mA). Offre inoltre 4 uscite PWM digitali. Grazie a questa espansione è possibile effettuare misure accurate tramite sensori analogici o comandare azionamenti di precisione.
La Figura 3 mostra il modulo di espansione analogica Arduino Pro Opta Ext A0602.
Figura 3: Modulo di espansione analogica Arduino Pro Opta Ext A0602
I principali vantaggi dell’ecosistema Arduino Opta:
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L’integrazione di Arduino Opta e Arduino Cloud
Come gli altri prodotti Arduino, Opta è perfettamente integrato con Arduino Cloud. Questo consente il monitoraggio e l’attuazione da remoto, con la possibilità di creare dashboards di chiaro impatto visuale in pochi clic. Grazie ad Arduino Cloud è anche possibile aggiornare il codice dei dispositivi da remoto (OTA). L’onboarding su cloud di Opta è rapido e automatico, grazie alla presenza del secure element hardware a bordo del prodotto, che garantisce anche lo scambio di dati in maniera sicura.
Arduino Cloud for Business
Arduino Cloud è una piattaforma per sviluppare progetti Arduino e connetterli ovunque. Supporta connessioni sicure tramite Wi-Fi, LoRa, Ethernet e Cellular Cat.M1, e consente di creare un sistema per inviare qualsiasi informazione da una scheda all’altra. In particolare, il piano Arduino Cloud for Business porta la piattaforma a livello industriale - in modo analogo al passaggio fatto con la linea di prodotti Pro in termini di hardware. L’offerta dedicata alle aziende include, oltre alla possibilità di aggiornamento remoto e di immediata visualizzazione e interazione con i dispositivi, anche le funzionalità di aggiornamento massivo, gestione flotte, accessi diversificati con permessi riservati in funzione del ruolo, possibilità di condivisione dei programmi tra sviluppatori e di creazione di template customizzati. In pratica, Arduino Cloud funge da ponte cloud tra un’applicazione e un dispositivo di comando e controllo.
La piattaforma Arduino Cloud include i seguenti strumenti e servizi:
- il Cloud Editor per programmare le schede sia localmente che in remoto via OTA;
- un servizio basato su REST API per sincronizzare i dati anche dai client Python, JavaScript;
- uno strumento grafico (dashboard) di controllo e monitoraggio disponibile anche via mobile (IoT Remote App);
- strumenti da riga di comando per automazioni su larga scala tramite Arduino Cloud CLI.
In sostanza, Arduino Cloud consente di creare un programma basato su Arduino, caricarlo sulla scheda, sincronizzare i dati tramite la modalità di connessione scelta e creare una dashboard con un set di widget per controllare e monitorare i dati tramite smartphone, tablet o PC. Grazie a nuove funzionalità recentemente introdotte, è possibile lavorare sugli sketch in maniera collaborativa e creare dei template personalizzati per accelerare il lavoro dei tecnici sul campo.
Con l’IDE di Arduino Cloud si può facilmente sviluppare il proprio sketch, creare e configurare le variabili da sincronizzare e beneficiare della generazione automatica delle parti di sketch utili a gestirle (qui la guida completa): una volta che una variabile è sincronizzata ci si può accedere da uno qualsiasi degli altri dispositivi connessi.
Perché integrare Arduino Opta e Arduino Cloud?
La flessibilità di Opta, unita alle capacità IoT di Arduino Cloud, apre nuove opportunità per la personalizzazione delle soluzioni di automazione. Tra gli infiniti casi di applicazione in ambito industrial e building automation, possiamo citare ad esempio:
- Sostenibilità intelligente nell’edilizia green. Ricevendo dati da sensori analogici che misurano luce naturale, temperatura, presenza e qualità dell'aria interna, Arduino Opta può controllare dinamicamente l'intensità luminosa, la temperatura e il flusso d'aria per ottimizzare l'uso dell'energia.
- Sicurezza e controllo degli accessi. Arduino Opta può essere impiegato per la gestione della sicurezza fisica, ricevendo dati in tempo reale da sensori di presenza, dispositivi di rilevazione badge o di lettura targhe per velocizzare e automatizzare gli accessi leciti o abilitare allarmi in caso di intrusioni.
- Trattamento delle acque. Arduino Opta può integrare dati analogici provenienti in tempo reale dai sensori che monitorano parametri come torbidità, pH e portate, utilizzando algoritmi di apprendimento automatico per ottimizzare il trattamento e la gestione delle acque reflue. Questa fusione consente al sistema di prevedere le fluttuazioni, adattare i protocolli e rispondere in modo proattivo a condizioni mutevoli.
- Controllo dei processi chimici. La flessibilità e programmabilità di Arduino Opta consentono il pieno controllo di processi di precisione come miscelazione, controllo delle reazioni, polimerizzazione, cristallizzazione, riscaldamento o raffreddamento dei materiali, leggendo e regolando variabili come temperatura, pressione e concentrazioni dei reagenti in modo dinamico.
- Elaborazione alimentare industriale. Monitorare variabili come temperatura, pressione e viscosità e utilizzare uscite analogiche per regolare con precisione il dosaggio degli ingredienti, la velocità di miscelazione e gli elementi riscaldanti: grazie ad Arduino Opta diventa facile coordinare ogni fase della produzione alimentare, garantendo alti standard di qualità e riducendo al minimo gli sprechi.
Caso studio: il monitoraggio del livello di serbatoi
Per le applicazioni industriali che prevedono l’utilizzo quotidiano di serbatoi di trasporto e stoccaggio - come quelli negli impianti di trattamento delle acque - Arduino Opta può essere la soluzione perfetta per supportare il monitoraggio e la regolazione dei livelli. Ad esempio, è possibile creare un sistema intelligente con un serbatoio di grandi dimensioni e uno più piccolo, gestiti attraverso due dispositivi Arduino Opta, due sensori di livello, una pompa, una valvola e il software Arduino Cloud. I sensori di livello a galleggiante sono monitorati tramite ingressi digitali di ciascun dispositivo Opta, mentre la pompa di riempimento e la valvola sono controllate tramite le uscite relè di entrambi i micro PLC. I due Opta hanno una routine di monitoraggio specifica per tracciare e controllare i livelli minimo e massimo del liquido nei due serbatoi, e comunicano costantemente tramite Modbus RTU le informazioni di stato ed i parametri utili a comprendere la situazione e adottare le azioni necessarie per mantenere le capacità desiderate. Il micro PLC che gestisce il serbatoio grande viene impostato come client, quello dedicato al serbatoio piccolo è il server. La pompa di riempimento si attiva se viene rilevato l’allarme di livello massimo del serbatoio grande, causando il travaso in quello piccolo. Il compito di Arduino Cloud è eseguire l’attuazione da remoto e il monitoraggio dello stato del sistema tramite connettività Wi-Fi utilizzando uno sketch. Come ulteriore opzione di connettività, Opta offre anche la possibilità di connettersi via Ethernet.
Caso studio: il monitoraggio della pressione differenziale sub-slab
Un secondo caso studio interessante può essere un sistema di monitoraggio da remoto mediante il cloud (in sostanza una forma di telemetria) per il controllo dei sistemi di depressurizzazione sub-slab (sotto la pavimentazione di un edificio) come quello realizzato da AMB Vapor Monitoring. La soluzione prevede letture giornaliere programmate della pressione differenziale da ciascuna delle posizioni di test della pressione, con la registrazione e archiviazione dei dati su Arduino Cloud - per un tempo prestabilito - grazie a connettività LTE Cellular. Le informazioni sono quindi disponibili su qualsiasi computer o dispositivo mobile tramite agevoli dashboard, con la possibilità di monitorare la situazione nel tempo e inviare avvisi in tempo reale se una qualsiasi delle posizioni di test della pressione non dovesse soddisfare la soglia impostata. A livello di infrastruttura fisica, il sistema è composto da due scatole a parete: la scatola di comunicazione e la scatola Porta di test della pressione, che può essere costituita essenzialmente da un micro PLC Arduino Opta. Il numero di scatole Porta da installare dipende dal numero di posizioni di test della pressione richiesto. Nella scatola Porta di prova della pressione è collocato un solenoide la cui apertura/chiusura viene comandata da un relè controllato da Opta. Il solenoide associato ad una determinata posizione di test della pressione è collegato a una serie di collettori, a loro volta collegati al trasmettitore di pressione differenziale. Quest’ultimo comunica con Opta, che registra la lettura della pressione differenziale e la invia al cloud.
