La necessità di condivisione di risorse e di dati, in qualsiasi ambito della vita quotidiana di più di due miliardi di persone è uno dei problemi chiave delle comunicazioni dei prossimi anni, sia in termini di quantità che di disponibilità che di sicurezza; ne sono riprova social networks e l'esponenziale crescita di traffico dati da e per dispositivi "mobile", quali smartphone, tablet, ultrabook, etc. Questi trend hanno innescato una sorta di reazione a catena, che coinvolge sempre più dispositivi e sistemi elettronici, ambiti tecnologici, compartimenti industriali, tale per cui ogni individuo accede (talvolta inconsciamente) a sempre più risorse in rete. Tanto che questi dispositivi sono stati già definiti "piattaforme convergenti" in quanto integrano diverse tecnologie, con la costante di accesso alla rete dati attraverso diverse porte e per scopi sempre più differenziati. Usufruendo della cosiddetta "Internet of things", sono ora possibili scenari di vero controllo distribuito e di automazione, dove l'utilizzatore può accedere, comandare e ottenere informazioni dal proprio ambiente, sia esso la propria abitazione, la propria vettura, la propria postazione in un ufficio, in un'isola di assemblaggio in catena di montaggio o su una trattrice durante una lavorazione sul campo. La spina dorsale di questa rivoluzione sembra essersi radicata in un insieme di tecnologie chiamato Ethernet, che garantisce velocità di trasferimento dai 100 Mbit ai 10 GBit e un'estrema dinamicità nella propria topologia; queste velocità di trasferimento dei dati pare che ormai abbiano rovesciato l'adagio per cui l'I/O è sempre più lento della mera computazione: siamo arrivati al limite tale per cui certi microcontrollori faticano a gestire la mole di traffico disponibile in rete.
Ethernet e lo stack protocollare più famoso, lo "stack TCP/IP" o "internet protocol suite" forniscono una grande varietà di protocolli, creati appositamente per utilizzare al meglio le potenzialità delle tecnologie sottostanti.
Viceversa nel mondo delle applicazioni embedded sono a tutt'oggi standardizzati e utilizzati protocolli specifici, che consentono una comunicazione sicura e in real time, al fine di realizzare dei veri e propri sistemi di controllo distribuiti nei singoli veicoli. Tutto questo per ragioni di sicurezza e di tipologia di comunicazione che gestita in modo diametralmente opposto a quello che accade normalmente su Internet. Per citare un esempio eclatante su tutti in quest'ambito, lo standard ISO-11783 - ISOBUS, per la gestione della comunicazione sulle macchine agricole e il pilotaggio degli attrezzi in autoconfigurazione, si sta affermando in maniera sensibile ora anche tra le aziende italiane. Questo standard definisce un protocollo di comunicazione tra sistemi elettronici embedded (ECUs) di trattrici e attrezzi, unificando i comandi e connessioni e realizzando un vero sistema plug and play, capace di riconoscere autonomamente macchinari agricoli specializzati connettibili direttamente in hot plug, le relative funzionalità e necessità. Una unica consolle di comando per qualsiasi attrezzatura aderente allo standard. Purtroppo tutti i dati relativi al funzionamento della macchina, ai trattamenti che sono eseguiti sul terreno sulla base di programmazioni di precisione geo-referenziate, non sono direttamente pubblicabili sulla rete internet, così come anche la programmazione delle lavorazioni e il collezionamento ei dati avviene sempre su protocolli proprietari e non è direttamente usufruibile dalla rete. Contemporaneamente tutti i protocolli di questo tipo, e ISOBUS no fa eccezione, soffrono di congestione di traffico, dovuta alla età del protocollo che non è più adeguato alle richieste di controllo delle macchine di oggi.
Per tali motivi si sta cercando di sostituire tutti i protocolli embedded del mondo mobile basati sulle reti CAN. In ambito automotive sono stati creati diverse nuove tipologie di rete, con alterne fortune, quali Biteflight, Flexray, MOST... ma nessuna di queste sembra essere la soluzione cercata per realizzare le reti delle macchine del prossimo futuro.
Ethernet si è affermato con successo in moltissimi ambiti industriali oltre a quello delle telecomunicazioni, quali, l'automazione industriale e l'avionica, prendendo ormai piede anche nel comparto automobilistico, storicamente pioniere delle tecnologie innovative in seguito applicate nelle heavy-duty machinery e nelle macchine agricole.
Non ultimo, darebbe la possibilità di integrazione con un altro tipo di comunicazione Wireless tra cluster di macchine, per la gestione delle sessioni di lavoro cooperative e, in un prossimo futuro, per il cantiere completamente automatizzato, con le macchine che lavorano in sincrono e collaborano per lavorazioni complesse, il tutto in real time in ambienti anche popolati da esseri umani.
Purtroppo Ethernet e il protocollo TCP/IP applicato sia alle reti wired che wireless, così come si presentano off-the-shelf non soddisfano i requisiti necessari nel mondo delle macchine, ma avrebbero il vantaggio della immediata integrazione con tutti i sistemi MIS (management information systems) e con i sistemi di comunicazione a lungo raggio over the Internet.
La comunità scientifica internazionale si è attivata nella ricerca per un nuovo tipo di rete cablata ad elevato determinismo, con un alto throughput, sufficientemente immune ai disturbi e di costo per nodo appropriato per l'ambito di applicazione.
Due in genere gli approcci a tale ricerca:
o uno si basa sulla modifica dell'arbitraggio dell'accesso al canale trasmissivo, molto adottato nel settore di automazione industriale, che prevede la modifica dello standard Ethernet per ottenere un protocollo a livello datalink con accesso di tipo TDMA, associato ad accorgimenti software per ottenere i livelli di safety richiesti (i cosiddetti ethernet fieldbus, tra i quali si annoverano Ethercat, Powerlink, Profibus, TTEthernet, etc);
o l'altro si basa sulla modifica del layer fisico, utilizzando soluzioni hardware per aumentare l'immunità ai disturbi e incrementare la lunghezza della rete (Approccio seguito a esempio da Broadcom e Renesas).
Molto spesso queste soluzioni sono proprietarie o hanno alti costi di ingresso, sia in termini di hardware sia in termini di complessità di implementazione della tecnologia, cosa che rappresenta un pesante ostacolo per l'adozione in ambiti automobilistici, caratterizzati un'estrema attenzione al contenimento dei costi, del time to market e da elevati volumi di vendita) e di conseguenza anche nel settore agricolo.
L'Istituto IMAMOTER del CNR invece ha approcciato la ricerca di una nuova tipologia di rete per il mercato dei veicoli heavy-duty e delle macchine agricole, adottando un approccio teso ad adattare le tecnologie esistenti, sfruttandone le opzioni disponibili e normalmente poco utilizzate, per architettare una rete a partire dalla topologia fisica, ad arrivare fino ai protocolli di trasporto, utilizzando software open source e hardware non proprietario; durante le diverse fasi dello sviluppo della ricerca e dei test a banco, è stato dimostrato che tali tecnologie sono adatte ad essere un primo approccio a un sistema di controllo per macchine agricole compatibile con ISOBUS, ma che offrono alto throughput e sufficienti caratteristiche di dinamicità, in termini di configurabilità e hot plug dei componenti, e di sicurezza funzionale (safety).
Tale risultato sancisce che una versione modificata di Ethernet e del protocollo TCP/IP può essere adottata con esito positivo nel mondo mobile, mantenendo una rete a traffico misto, ovvero che conviva con il tradizionale traffico che può essere direttamente immesso in rete internet, garantendo comunque prestazioni adeguate in termini di real time e sicurezza sotto determinate condizioni di controllo della banda associata alle diverse tipologie di traffico.
Entrando più nello specifico, per quanto riguarda la topologia, infatti, le macchine agricole di ultima generazione sono a tutti gli effetti dei "sistemi aperti" e abbisognano quindi di dinamicità nella connessione e nell'accesso alla rete: se più attrezzi possono essere collegati, anche in cascata alla trattrice, reti come ISO 11783 - ISOBUS (o SAE J1939, il corrispettivo per macchine heavy duty), consentono l'estensione e l'unificazione dei controlli e delle strutture di rete.
Utilizzando topologie a stella, avvalendosi quindi di switch, si riesce a garantire un minor costo nel wiring e diminuirne il peso; inoltre, la dinamicità sopradescritta viene ottimamente gestita, consentendo anche l'interconnessione delle ECU a bordo dell'attrezzo o della motrice.
Dal punto di vista ella sicurezza, l'utilizzo di un dispositivo elettronico per l'instradamento dei pacchetti (switch), diventa a tutti gli effetti un device critico per l'intera infrastruttura di rete; infatti un guasto dello switch rischia di compromettere tutta la connettività all'interno dell'attrezzo e di tutti gli attrezzi connessi a valle.
Per effettuare anche in termini di sicurezza funzionale un decisivo passo avanti rispetto alle reti CAN esistenti, il progetto ha quindi richiesto la ideazione di una rete in cui tale dispositivo critico, e le sue connessioni ai diversi rami della rete sono stati ridondati, anche avvalendosi degli algoritmi di spanning tree, che permettono di ricreare istantaneamente ogni regola di instradamento una volta che un dispositivo ha subito un guasto.
Come precedentemente accennato, un altro grande vantaggio dell'adozione di Ethernet come dorsale di comunicazione o come bus complementare è la completa trasparenza e facilità di integrazione tra la rete cablata e wireless (utilizzando IEEE 802.11 b/g/n), avendo il Wi-Fi un addressing MAC compatibile e la presenza di svariati prodotti gateway; integrabilità del resto dimostrata anche con una rete ISOBUS standard tramite gateway Ethernet-CAN.
Oltre ai normali test funzionali, volti alla prova funzionale del sistema, i test eseguiti sono stati anche incentrati sulla reazione di un device critico come lo switch, a carichi di lavoro molto maggiori di quelli realmente applicati a questa classe di applicazioni.
Si è cercato infatti di valutare la latenza introdotta dallo smistamento dei pacchetti da uno switch L3, sia in termini di tempo, sia in termini di peggioramento del determinismo, cioè della varianza dei tempi inter-arrivo (vale a dire la differenza di tempo tra l'arrivo di due pacchetti consecutivi), che la gestione a livello di rete intrinsecamente aggiungeva. Ciò è stato fatto anche prevedendo un sistema di priorità, tale da suddividere la banda offerta dal canale in diversi livelli di precedenza.
Gli stessi test, sono stati eseguiti anche in una configurazione che prevedesse lo switching a livello datalink, con priorità conforme a IEEE 802.1p; questi test danno un termine di paragone per i suddetti test.
I risultati ottenuti sono ottimi:
o sia in termini di latenza (molto simile ad una gestione a livello datalink);
o sia in termini di determinismo (la differenza nella varianza rispetto ad uno switching a livello datalink è evidente, che è due ordini di grandezza inferiore rispetto allo switch a livello 3, con valori che si aggirano a 10-3).
Il sistema ideato è quindi una soluzione pubblicabile e annoverabile assieme alle più famose Ethercat e Powerlink e può concorrere per la realizzazione di reti quasi isocrone e ad elevato livello di sicurezza funzionale per le applicazioni veicolari, sia nel mondo automotive che nel mondo dei veicoli heavy-duty.
Data la bontà dei risultati ottenuti si è iniziata la disseminazione degli stessi presso la comunità internazionale sia elettronica e informatica, sia nel mondo delle applicazioni mobili ai livelli più alti. I risultati sono infatti stati pubblicati sia in ambito IEEE sia in ambito SAE, qui ottenendo anche un riconoscimento per l'innovatività della soluzione, che è stata poi riproposta dalla stessa SAE su SAE Off Highway Engineering Journal. La stessa ricerca è stata presentata anche in ambito ISO presso il comitato tecnico ISO TC23 per la normazione della elettronica sulle macchine agricole, e in conseguenza dei risultati, l'Istituto IMAMOTER ha ottenuto la leadership di una task force ISO per la creazione di un nuovo bus per le reti ISOBUS di nuova generazione. La soluzione ideata è oggi pronta per applicazioni pilota su flotte di veicoli. l'Istituto IMAMOTER si sta intraprendendo la realizzazione di una unità di controllo embedded in grado di fare da gateway tra le reti attuali e quelle del futuro, per gestire applicazioni miste in cui testare il protocollo, per gestire la convivenza di sistemi di diverse generazioni.
Come nota finale preme evidenziare che protocolli di questo genere sono aperti e facilmente adattabili sia in ambito industriale che in ambito veicolare, a tutti i livelli, poiché sia la banda allocata ai diversi protocolli, sia il throughput, sia il numero di partecipanti e la topologia di rete sono configurabili e programmabili. Infatti il protocollo è stato concepito in modo totalmente aperto e modificabile, con interventi importanti di modifica e arricchimento allo stack TCP/IP e ai servizi del sistema operativo utilizzato (Linux).
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