La nuova scheda Arduino Edge Control automatizza l’agricoltura intelligente

Arduino Edge Control è il nuovo dispositivo della serie Arduino PRO, di facile implementazione, adatto per applicazioni di monitoraggio in tempo reale e controllo remoto, ottimizzato per applicazioni in ambienti esterni. Si amplia quindi la gamma di componenti della famiglia Arduino, la piattaforma a microcontrollore made in Italy, amatissima da makers, progettisti e appassionati di elettronica. In questo articolo vedremo cosa è Arduino Edge Control e cosa si può realizzare con questa potente e versatile scheda.  

Una panoramica introduttiva

Sono trascorsi ormai ben sedici anni dall'uscita della prima scheda a microcontrollore Arduino. Il progetto Arduino nasce presso l'Istituto di Interaction Design di Ivrea grazie alla collaborazione di cinque docenti. La scheda elettronica programmabile Arduino è da sempre considerata la base per la realizzazione di progetti in modo rapido e intuitivo, un must per i progettisti elettronici, gli appassionati ed i makers di tutto il mondo. Nel corso del tempo si sono susseguiti diversi modelli della scheda e, parallelamente, si è andata ad ampliare in modo consistente la gamma di applicazioni realizzabili, spaziando da piccoli progetti di hobbistica a prototipi di robotica, meccanica o monitoraggio ambientale. Un lasso di tempo nel quale sono state sviluppate e diffuse sul mercato soluzioni che solo fino a qualche anno prima erano del tutto impensabili. Arduino Edge Control (Figura 1, Figura 2, Figura 3) è la nuova scheda di casa Arduino, lanciata da poco sul mercato embedded delle schede a microcontrollore. Dal design robusto e accattivante, Arduino Edge Control ha sin da subito trovato la sua naturale collocazione nella moltitudine di applicazioni verso le quali si concentrano gli sforzi dei produttori di componenti elettronici, per fornire soluzioni sempre al massimo delle possibilità e delle prestazioni. Vediamo ora, nello specifico, di cosa si tratta. 

L'hardware open source Arduino Edge Control apporta creatività e innovazione all'agricoltura moderna. Allo stesso tempo, è una soluzione sicura e altamente scalabile. La scheda è in grado di ottimizzare il monitoraggio e il controllo remoto nelle applicazioni dell'agricoltura intelligente, nell'agricoltura di precisione e in tutte quelle applicazioni che richiedono un controllo intelligente e automatizzato in luoghi remoti. Si tratta di settori in forte crescita, dei quali sentiremo sempre di più parlare in futuro, grazie anche alle moderne tecnologie che li supportano. Se volessimo invece definire il tipo di mercato al quale si rivolge, è sicuramente quello delle applicazioni high level, si tratta infatti di un hardware di livello professionale. Come sempre accade quando vengono lanciate nuove tecnologie nel mondo Arduino, la partecipazione della community sarà preziosa per sviluppare e testare progetti anche con questo nuovo hardware. L'innovativa piattaforma Arduino, infatti, vanta una grande community di milioni di utenti a livello mondiale, fatta di makers e progettisti elettronici, molto attiva e orientata al "learning by doing". Una breve digressione era doverosa. Torniamo ora alla scheda Arduino Edge Control. Per gestire l'Arduino Edge Control da remoto basterà installarlo sul campo e utilizzare quindi il servizio Arduino IoT Cloud (Figura 5) o altri servizi di terze parti. Progettata per ridurre al massimo il consumo di energia, requisito particolarmente richiesto nelle applicazioni low power dell'ecosistema IoT e dell'agricoltura 4.0, la scheda mantiene acceso solo l'hardware essenziale relativo agli interrupt esterni. I sistemi di controllo a bassa potenza hanno trovato ampia diffusione nell'agricoltura di precisione. Arduino Edge Control ha tutto ciò che serve per realizzare un progetto IoT. Se ci pensiamo, ciò che serve per realizzare un progetto IoT è, innanzitutto, un hardware open source flessibile e scalabile, una piattaforma di sviluppo, un set di sensori e una app per il monitoraggio da remoto. 

Grazie all'Arduino Edge Control può essere migliorata la qualità del raccolto, oltre al monitoraggio intelligente in tempo reale di condizioni ambientali, qualità del suolo e crescita delle colture. C'è un fattore importante da tenere in considerazione. Oggigiorno i dispositivi IoT non sono percepiti solo come semplici prodotti, tutt'altro, sono dei veri e propri servizi che permettono di gestire in modo automatizzato i dati forniti e raccolti dai sensori intelligenti ai quali i dispositivi stessi sono collegati, per questo motivo molte realtà aziendali stanno implementando le tecnologie dell'Internet delle Cose per offrire ai propri clienti il massimo livello di automazione delle attività. 

Figura 1. La scheda Arduino Edge Control

L'elaborazione intelligente dei dati real time è un altro punto di forza della scheda Arduino Edge Control. A tal proposito, ricordo che i sensori sono componenti molto frequentemente impiegati proprio nell'agricoltura smart, e che ben si prestano nella gestione intelligente dei dati ambientali. Relativamente ad Arduino Edge Control, i dati, infatti, come anticipato in precedenza, possono essere raccolti in tempo reale dai sensori e inviati all'Arduino IoT Cloud per l'analisi in tempo reale. La catena del valore dei dati è un'analisi preziosa utile per supportare i processi aziendali a vari livelli. Tutti noi sappiamo bene quanto i dati siano importanti strumenti di valore e quanto la corretta gestione di essi faccia la differenza nella resa di un processo e di un'attività. 

Figura 2. Arduino Edge Control packaging

 

Figura 3. Fronte-retro della confezione contenente la scheda Arduino Edge Control

In quali applicazioni possiamo utilizzare Arduino Edge Control

Il dispositivo consente di automatizzare una vasta gamma di attività agricole come l'irrigazione, la fertilizzazione e il controllo dei parassiti. Arduino Edge Control è in grado di gestire dati relativi alle condizioni meteorologiche, alla qualità del suolo ed alla crescita delle colture, parametri determinanti per la resa di un'attività agricola, poiché offrono una metrica sull'efficienza e sulla produzione delle colture. Il largo impiego di Arduino Edge Control è dovuto all'automatizzazione dei processi con conseguente aumento della qualità delle colture e riduzione dello sforzo o errore umano, e di ogni fonte di rischio derivante dalle attività agricole. L'hardware si presta a una vasta gamma di situazioni e può essere posizionato praticamente ovunque, è in grado di collegare sensori e azionare attuatori come valvole di blocco, molto comuni in agricoltura. Utilizzando Arduino Edge Control è possibile minimizzare i rischi legati alla produzione e gli errori umani di gestione del processo, riducendo i costi annessi e migliorando l'efficienza del business con l'automazione e l'agricoltura predittiva. 

Quali sono le applicazioni di monitoraggio e controllo, alle quali si rivolge Arduino Edge Control?

In generale, Arduino Edge Control viene utilizzato in applicazioni fisse e ben si presta per il monitoraggio e il controllo in questi specifici settori di attività:

  • condizioni meteorologiche
  • misurazioni agricole
  • sistemi di irrigazione smart
  • qualità del suolo
  • crescita delle colture
  • resa del raccolto
  • efficienza delle apparecchiature
  • controllo dell'irrigazione
  • controllo della fertilizzazione
  • controllo dei parassiti
  • qualità del raccolto
  • controllo degli accessi
  • condizioni delle acque nelle piscine
  • acquisizione di dati geospaziali 
  • automatizzazione del controllo qualità 

Con Arduino Edge Control, in sostanza, è possibile monitorare in tempo reale un processo agricolo completo

Arduino Edge Control è anche una soluzione di monitoraggio e controllo ideale per la gestione di queste importanti attività:

    • Serre automatizzate: per gestire in modo automatico l'umidità e la temperatura e altri parametri, garantendo il miglior ambiente per la crescita delle piante, riducendo al minimo le emissioni di carbonio e massimizzando la resa economica delle colture. Con l'aggiunta di uno scudo GPS Arduino MKR, è possibile effettuare una pianificazione ottimale della rotazione delle colture ed acquisire dati geospaziali;  
    • Idroponica/Acquaponica: nelle applicazioni che prevedono la crescita delle piante senza il suolo, si rende necessario un controllo automatizzato delle condizioni ambientali adatte alla crescita delle colture minimizzando il lavoro manuale;
    • Coltivazione di funghi: per monitorare i parametri di temperatura e umidità adatti a sostenere la crescita delle spore. Sensori watermark, porte di uscita e opzioni di connettività disponibili su Arduino Edge Control, rendono questo possibile.

Arduino Edge Control può essere implementato anche come soluzione adatta per altri ambienti esterni, ad esempio, nei cantieri o nel settore immobiliare per automatizzare il controllo degli accessi, o dalle società di manutenzione e pulizia delle piscine per monitorare e controllare le condizioni dell'acqua della piscina da luoghi remoti. 

Specifiche tecniche di livello professionale

Come accennato precedentemente, si tratta di una scheda affatto energivora, il basso consumo energetico è uno degli aspetti che la rendono particolarmente interessante e facilmente implementabile. L'assenza sulla scheda di sensori built-in, che sono invece presenti in diverse altre soluzioni embedded, viene ampiamente compensata dalle numerose porte I/O, slot MKR integrati (per collegare le schede MKR Arduino ed estendere le funzioni di connettività) e connettori dedicati per interfacciare moduli (ad esempio un modulo display LCD). A ciò si aggiunge anche la possibilità di connettere sensori esterni o associare stazioni meteorologiche, in base all'applicazione specifica richiesta. Un ampio ventaglio di possibilità per una vasta gamma di funzionalità espandibili.

Relativamente all'ingombro, la scheda ha dimensioni di 104 mm x 86 mm. La scheda Arduino Edge Control è basata sul processore SoC nRF52840, appartenente alla famiglia di SoC della famiglia nRF52. Si tratta, nello specifico, dello stesso processore della scheda Arduino Nano BLE. E' compatibile con molte librerie per Intelligenza Artificiale, quale TensorFlow micro. Il chip nRF52840 è costruito attorno alla CPU ARM Cortex-M4 a 32 bit con unità a virgola mobile che opera a 64 MHz. Per quanto concerne invece la connettività, Arduino Edge Control è dotato di Bluetooth integrato. La sua connettività può essere espansa facilmente attraverso l'utilizzo di modem 2G/3G/CatM1/NB-IoT, LoRa®, Sigfox e Wi-Fi aggiungendo qualsiasi scheda della famiglia MKR. Arduino Edge Control può essere alimentato da un pannello solare o da un classico alimentatore DC. In Tabella 1 sono riassunte le principali caratteristiche funzionali della scheda. 

 Tabella 1. Specifiche tecniche della scheda Arduino Edge Control (Fonte: store.arduino.cc/edge-control

Microcontroller nRF52840 (64 MHz Arm® Cortex-M4F)
Digital Input 6x edge sensitive wake up pins
Digital Output 8x latching relay command outputs with drivers
8x latching relay command outputs without drivers
Relays 4x 60V/2.5A galvanically isolated solid state relays
Analog Input 4x 4-20mA inputs
8x 0-5V analog inputs
16x hydrostatic watermark sensor input
Terminal Block Connectors 6x 18 pin plug in terminal block connectors
Power Supply 12 V Acid/lead SLA Battery Supply
(Recharged via solar panels)
Power Consumption Low power (up to 34 months on a 12V/5Ah battery)
200uA Sleep current
Memory 1 MB onboard Flash memory
2 MB onboard QSPI Flash memory
SD Card Interface for SD Card connector (through expansion port only)
Connectivity

Bluetooth
Wifi*
3G*NB-IoT*
LoRaWAN®*

 * Requires Arduino MKR board
Peripherals Full-speed 12 Mbps USB
Arm CryptoCell CC310 security subsystem
QSPI/SPI/TWI/I²S/PDM/QDEC
High speed 32 MHz SPI
Quad SPI interface 32 MHz
12-bit 200 ksps ADC
128 bit AES/ECB/CCM/AAR co-processor
Operational Temperature -40° C to +85° C (-40° F to 185°F)
Length 104 mm
Width 86 mm
 

Figura 4. Un esempio di applicazione della scheda Arduino Edge Control con display LCD e due schede Arduino MKR 1300

Sulla control board è presente anche uno slot per schede micro SD e una memoria flash aggiuntiva da 2 MB per l'archiviazione dei dati, entrambi direttamente connessi al processore tramite un'interfaccia SPI. Gli schematici dell'Arduino Edge Control sono completamente open source, Arduino mette a disposizione tutti gli strumenti per creare il vostro hardware personalizzato.

Il basso consumo energetico, le numerose porte di output, le diverse opzioni di connettività modulare e la possibilità di collegare numerosi sensori esterni rendono Arduino Edge Control non solo una scheda interessante dal punto di vista hardware, ma un vero e proprio sistema di controllo altamente flessibile e scalabile, in grado di adattarsi alle specifiche esigenze agricole e di migliorare significativamente le attività dell'agricoltura intelligente, senza al contempo perdere la connotazione dell'open source, da sempre elemento distintivo dell'intero ecosistema Arduino, sia lato software sia lato hardware. Per utilizzare la scheda è stata predisposta una apposita libreria di controllo, che fornisce l'accesso a molti dei diversi pin e funzionalità. Si tratta della libreria "Arduino_EdgeControl" che fornisce anche le API fondamentali utili per la scrittura del codice. Le librerie sono risorse preziose che tornano sempre utili in fase di programmazione, essendo porzioni di codice già scritte. Arduino PRO fornisce anche un utile tutorial iniziale, una guida introduttiva passo-passo per prendere subito dimestichezza con l'Arduino Edge Control, completa delle istruzioni di configurazione della scheda con il noto ambiente di sviluppo IDE (Integrated Development Environment) di Arduino. Nella guida di Arduino PRO troverai anche i collegamenti, l'alimentazione, le funzioni di controllo dei pin GPIO e lo sketch per far lampeggiare un LED, riportato qui sotto. Il tutorial può essere interamente visualizzato QUI

Di seguito un esempio di sketch completo per far lampeggiare il LED della scheda:

#include <Arduino_EdgeControl.h>

void setup()
{
Serial.begin(9600);

// Set the timeout
auto startNow = millis() + 2500;
while (!Serial && millis() < startNow);
Serial.println("Hello, Edge Control Sketch!");

// Enable power lines
Power.enable3V3();
Power.enable5V();

// Start the I2C connection
Wire.begin();

// Initalise the expander pins
Expander.begin();
Expander.pinMode(EXP_LED1, OUTPUT);
}

void loop()
{
// put your main code here, to run repeatedly:
Serial.println("Blink");
Expander.digitalWrite(EXP_LED1, LOW);
delay(500);
Expander.digitalWrite(EXP_LED1, HIGH);
delay(500);
}

 

Diversi sketch di esempio si possono consultare sul sito web Arduino PRO o nell'ambiente di sviluppo Arduino IDE. 

Arduino IoT Cloud, la web app intelligente

Arduino IoT Cloud (Figura 5) è un servizio sicuro, scalabile e di facile configurazione, per sviluppare i propri progetti IoT in modo fluido e veloce, connettendo sensori con applicazioni intelligenti. Connettere, monitorare, controllare e gestire i dispositivi da remoto attraverso la dashboard, non sarà più un problema con Arduino IoT Cloud. La dashboard della web app Arduino IoT Cloud consente di fare tutto questo in modo semplice e intuitivo. Anche la fase di creazione del codice per programmare il dispositivo è notevolmente semplificata, basta aggiungere solo alcune righe di codice per personalizzare quello che fornirà l'app. Una volta aggiunto il dispositivo all'Arduino IoT Cloud, infatti, Arduino Cloud crea automaticamente il codice per programmare il device. I codici di esempio per sensori e attuatori semplificano ulteriormente il processo di programmazione. Si possono trasmettere i dati dei sensori a fogli di calcolo o database e automatizzare alerts e azioni. Con le API Arduino IoT Cloud gli sviluppatori possono anche creare app personalizzate. Ma non è tutto. Sono forniti anche esempi per connettersi a Google Spreadsheets, Amazon Alexa o altri servizi di terze parti. La web app Arduino IoT Cloud garantisce comunicazioni sicure dei dispositivi IoT al cloud con protocollo standard industriale SSL. Con Arduino IoT Cloud si possono analizzare in tempo reale i dati dei sensori e organizzarli in grafici raggiungendo alti livelli di automatizzazione della nostra attività.

Figura 5. La dashboard di Arduino IoT Cloud

Considerazioni conclusive

Arduino Edge Control è il sistema di controllo low power pensato per rendere innovativa l'agricoltura di precisione, connettere i dispositivi IoT al cloud utilizzando app per controllarli, visualizzare, gestire e analizzare i dati dei sensori, e automatizzare molte delle comuni attività agricole, semplificando e accelerando lo sviluppo del proprio progetto. Grazie alla scheda Arduino Edge Control si può customizzare la propria applicazione IoT con il potere dell'edge e dell'Intelligenza Artificiale. La possibilità di espansione della connettività wireless con le schede della famiglia Arduino MKR, rende Arduino Edge Control una scheda dalle potenzialità applicative infinite. 

L'agricoltura 4.0 diventa sempre più smart con Arduino Edge Control 

Arduino Edge Control è disponibile per l'acquisto sullo store ufficiale di Arduino: store.arduino.cc

>> Per consultare tutte le specifiche tecniche, i pin, le posizioni dei connettori e il disegno meccanico della scheda, vi rimando alla prossima sezione. 

Riferimenti & Product Datasheet 

[1] STORE ARDUINO EDGE CONTROL 

[2] Sense the future of smart agriculture with Arduino Edge Control

[3] Introducing the Arduino Pro Edge Control: The Future of Smart Agriculture:

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2 Commenti

  1. Andrea Garrapa 4 Giugno 2021
  2. Giordana Francesca Brescia 4 Giugno 2021

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