Dispositivi IoT Edge: cosa sono, tipologie, vantaggi e utilizzi

I dispositivi IoT edge sono unità hardware che elaborano i dati in prossimità del luogo in cui vengono generati, prima che questi raggiungano il cloud. Ne sono un esempio i sensori intelligenti, i gateway, i PC industriali e i server in loco.

Questi dispositivi generano grandi volumi di letture e video. Alcuni di questi dati, come i valori ripetuti dei sensori, non contengono nuove informazioni, quindi inviarli tutti al cloud comporta uno spreco di larghezza di banda. I dispositivi edge filtrano questi dati in loco e gestiscono le decisioni che non possono attendere un server remoto, mentre il cloud archivia i dati a lungo termine e gestisce l’intera flotta.

Il settore dell’IoT si sta espandendo rapidamente, collegando un numero sempre maggiore di macchine, contatori e veicoli in tutti i settori. IoT Analytics ha previsto che entro la fine del 2025 ci saranno 21,1 miliardidi dispositivi IoT connessi , contando nodi attivi e gateway.

Man mano che questo ecosistema cresce, la collaborazione diventa sempre più importante, come dimostra l’adesione di Com4 all’AIoTI (Alliance for IoT and Edge Computing Innovation) per promuovere l’IoT e l’edge computing in tutta Europa.

Questo articolo ne illustra i vantaggi, le funzioni, le tipologie, il funzionamento, i casi d’uso e gli aspetti relativi alla sicurezza.

Cosa sono i dispositivi IoT edge e l’edge computing?

L’edge computing colloca l’elaborazione e l’archiviazione vicino alla fonte dei dati anziché esclusivamente in un data center centrale. La norma ISO/IEC TR 23188 definisce il concetto di “vicino” in base alla latenza piuttosto che alla distanza fisica, pertanto sia un server in loco che un server nella rete di un operatore di telefonia mobile possono fungere da edge.

Non tutti i dispositivi IoT sono dispositivi edge. Un dispositivo IoT è un oggetto connesso che produce dati. Un dispositivo edge dispone della memoria e della potenza di elaborazione necessarie per gestire tali dati quasi in tempo reale, ad esempio filtrandoli, memorizzandoli temporaneamente, analizzandoli o attivando un’azione locale.

Una sonda di temperatura che si limita a inoltrare le letture grezze è un dispositivo IoT. Il gateway che filtra le sue letture e attiva un allarme locale è un dispositivo edge.

Vantaggi dell’elaborazione dei dati IoT a livello di edge

L’elaborazione edge aiuta le aziende nei seguenti sei modi:

• Risposte più rapide: un dispositivo edge attiva arresti di sicurezza e controlli di qualità in loco. Questo è importante perché un comando di arresto ritardato proveniente da un server remoto può mettere a rischio un lavoratore.

• Costi dei dati ridotti: una telecamera di traffico può contare i veicoli direttamente sul dispositivo e inviare solo i totali, così l’azienda paga per trasmettere pochi numeri invece che ore di video.

• Funzionamento durante le interruzioni di connessione: le regolelocali continuano a funzionare quando la connessione viene interrotta, quindi un gateway su un peschereccio registra la temperatura del carico in mare e la carica una volta che l’imbarcazione rientra nell’area di copertura.

• Maggiore riservatezza dei dati: un monitor paziente può analizzare i valori cardiaci direttamente sul dispositivo e condividere solo i risultati anomali, il che mantiene i dati sanitari grezzi fuori dalla rete e supporta il principio di minimizzazione dei dati previsto dal GDPR.

• Decisioni basate sull’intelligenza artificiale: grazie ai modelli di apprendimento automatico in esecuzione sul dispositivo, una telecamera edge è in grado di riconoscere condizioni che le regole fisse non riescono a rilevare, come uno scaffale vuoto in un negozio, e di avvisare immediatamente il personale.

• Interoperabilità: un gateway edge funge da traduttore tra i protocolli industriali e i moderni formati IoT, consentendo così a un impianto di collegare i vecchi controllori Modbus e i nuovi sensori wireless a un’unica dashboard.

L’edge aggiunge inoltre hardware per l’applicazione di patch e la sicurezza, quindi offre i maggiori vantaggi laddove il percorso di rete è lungo o instabile.

Funzioni chiave dei dispositivi IoT edge

Un sensore intelligente svolge le prime due funzioni, mentre un gateway o un server edge ne gestisce la maggior parte:

• Acquisizione: legge i dati tramite protocolli di campo industriali come Modbus o OPC UA e aggiunge unità di misura e timestamp.

• Riduzione: scarta i valori invariati, calcola la media dei campioni e comprime i dati prima del caricamento.

• Decidere: esegue regole di soglia, interblocchi o circuiti di controllo che non possono attendere il cloud.

• Infer: esegue un modello addestrato per segnalare anomalie o classificare immagini.

• Protezione: separa la rete di campo dalla WAN e crittografa il traffico in uscita.

• Connette: invia i dati a monte tramite Ethernet, Wi-Fi o reti cellulari come LTE-M, NB-IoT o 5G.

Un dispositivo edge elabora i dati sul proprio hardware, ma dipende comunque dalla propria connessione di rete. Senza un uplink affidabile, non può ricevere nuovi modelli, aggiornamenti del firmware o comandi remoti dal cloud.

Tipi di dispositivi IoT edge

I tipi riportati di seguito spaziano dall’hardware più piccolo a livello di asset ai server all’interno della rete mobile:

• Sensori intelligenti: un microcontrollore integrato nel sensore filtra le letture prima della trasmissione, ad esempio inviando un unico valore riassuntivo anziché la forma d’onda completa delle vibrazioni.

• Gateway edge: un gateway raccoglie i dati da numerosi dispositivi sul campo. Un gateway IoT di base si limita a tradurre e inoltrare tali dati, mentre un gateway edge applica anche regole locali su di essi.

• Server edge e PC industriali: macchinemulti-core all’interno di un armadio, di un magazzino o di una sottostazione combinano i dati provenienti da diversi gateway o telecamere ed eseguono analisi più complesse.

• Dispositivi edge con IA: telecamere intelligenti e gateway dotati di un processore IA dedicato eseguono modelli di rilevamento e ispezione in loco.

• Periferia di rete (MEC): il Multi-access Edge Computing colloca i server all’interno della rete dell’operatore di telefonia mobile, consentendo a numerosi dispositivi 5G esterni di condividere un’unica applicazione a bassa latenza.

Un singolo sito può combinare diversi di questi tipi. Uno stabilimento può utilizzare sensori intelligenti sui propri motori, un gateway edge su ciascuna linea di produzione e un server edge per l’analisi delle telecamere.

Come funzionano i dispositivi IoT edge?

Una stazione di pompaggio dell’acqua remota mostra come un dispositivo edge gestisce i dati dal sensore al cloud:

1. Raccolta: i sensori sulla pompa misurano pressione, temperatura e vibrazioni e inviano ogni lettura a un gateway perimetrale situato nell’armadio di controllo della stazione.

2. Preparazione: il gateway applica un timestamp a ogni lettura, la converte in unità standard ed elimina i valori che non sono cambiati dall’ultima lettura.

3. Decisione: una regola locale verifica che ogni lettura rientri nei limiti di sicurezza; pertanto, in caso di picchi di pressione, il gateway arresta la pompa senza attendere il cloud.

4. Invio: il gateway invia un breve riepilogo ogni pochi minuti, oltre a un avviso ogni volta che interviene, tramite una connessione cellulare crittografata.

5. Aggiornamento: il cloud archivia la cronologia, rieduca i modelli sui dati provenienti da ogni stazione e invia le nuove versioni e le impostazioni al gateway. Ancheil luogo in cui avviene l’elaborazione influisce sui tempi di risposta.

In una sperimentazione 5G norvegese, un modello di temperatura della linea elettrica sul nodo MEC di Telenor ha risposto in 44,62 ms al 99° percentile, contro i 47,69 ms nella regione Azure più vicina e i 78,49 ms in Svezia. Nessuno dei tre ha soddisfatto i circa 8 ms necessari per un controllo rigoroso della rete elettrica.

Casi d’uso per i dispositivi IoT Edge

Questi quattro casi d’uso mostrano cosa decide un dispositivo edge in loco e cosa invia al cloud:

Manutenzione predittiva

Un gateway su una linea di produzione rileva le vibrazioni del motore, la corrente e la temperatura. Un modello locale segnala l’usura dei cuscinetti e invia un avviso con una finestra di dati, mentre il cloud riaddestra il modello sulla base della cronologia della flotta.

Monitoraggio della rete

I gateway nelle sottostazioni e in altre infrastrutture remote dei servizi pubblici continuano ad applicare le regole locali quando il collegamento a lunga distanza viene interrotto. Mettono in coda le letture durante l’interruzione e le caricano una volta ripristinato il collegamento.

Sicurezza tramite visione artificiale

Un PC edge analizza le riprese della telecamera, rileva l’ingresso di una persona nella zona di pericolo di un macchinario e attiva un arresto locale. Viene inviato al cloud solo il filmato relativo all’evento, anziché ore di video ininterrotto.

Veicoli e flotte connessi

I veicoli autonomi integrano i dati provenienti da telecamere, radar e GPS a bordo, poiché il tempo di andata e ritorno verso il cloud è troppo lento per evitare collisioni. Un gateway installato su un camion invia avvisi al conducente e memorizza i dati relativi al carico in caso di interruzioni di copertura.

Ciascuna di queste implementazioni richiede inoltre un collegamento in uplink adatto alla propria ubicazione, dall’Ethernet in una fabbrica alla rete cellulare su un camion che attraversa i confini.

Il ruolo dell’IA e dell’apprendimento automatico

L’IA edge applica un modello addestrato ai dati in tempo reale sul dispositivo, mentre l’addestramento rimane nel cloud o in un laboratorio dove sono concentrati dati e GPU.

Nell’agricoltura intelligente, le telecamere lungo la barra di irrorazione alimentano i processori di bordo che distinguono le erbacce dalle colture mentre la macchina si muove. I singoli ugelli mirano alle erbacce e i dati di irrorazione vengono successivamente inviati al cloud per creare mappe delle erbacce per le stagioni future.

I modelli vengono compressi prima della distribuzione in modo da poter essere ospitati su gateway, telecamere o microcontrollori. La loro precisione diminuisce inoltre al variare delle condizioni operative, pertanto ogni dispositivo necessita di un percorso di aggiornamento certificato e di una modalità per tornare alla versione precedente.

Quando le aziende dovrebbero utilizzare i dispositivi IoT Edge?

I dispositivi edge comportano l’aggiunta di hardware da mantenere in ogni sede, pertanto è consigliabile utilizzarli solo laddove le condizioni locali lo richiedano:

Se un modello cambia spesso e i dispositivi non riescono a ricevere gli aggiornamenti in modo affidabile, è più semplice disporre di una configurazione centralizzata.

Sicurezza: il principale punto critico

I dispositivi periferici sono spesso installati in armadi e veicoli con scarsa supervisione, e molti hanno un accesso diretto alle reti operative. Un gateway compromesso può fornire a un aggressore una via d’accesso alle apparecchiature dell’impianto.

Gli aggressori prendono di mira password predefinite condivise, firmware non firmato, porte di debug aperte e reti piatte senza separazione tra i dispositivi di campo e la WAN. I gateway industriali dovrebbero seguire la norma IEC 62443, lo standard di sicurezza per i sistemi di controllo industriali.

I seguenti controlli risolvono queste lacune:

• Assegnare a ogni dispositivo un’identità e un certificato univoci.

• Accettare solo firmware firmato, verificato all’avvio.

• Crittografare il traffico e separare la rete di campo dalla WAN.

• Assegnare un responsabile per l’applicazione delle patch a ciascun gateway per tutta la sua durata di vita.

I servizi di sicurezza IoT di Com4 aggiungono connessioni APN private e IPsec, in modo che il traffico dei dispositivi rimanga fuori dalla rete Internet pubblica.

L’elaborazione perimetrale riduce inoltre l’esposizione, poiché una minore quantità di dati grezzi attraversa la WAN, sebbene i dati memorizzati sul dispositivo debbano comunque essere crittografati.

Conclusione

I dispositivi perimetrali determinano quali dati IoT vengono elaborati localmente e quali vengono inviati al cloud. Questa scelta definisce i tempi di risposta, i costi dei dati e il comportamento di un sito in caso di interruzione della connessione.

Iniziate con le decisioni che non possono attendere un ciclo di andata e ritorno verso il cloud, quindi scegliete il livello di dispositivo più piccolo in grado di prenderle. Mantenete la cronologia, l’addestramento dei modelli e la gestione della flotta nel cloud.

Le schede SIM IoT globali di Com4 collegano i gateway edge in diversi paesi tramite LTE-M, NB-IoT, 4G, 5G o satellite. Polaris CMP attiva e monitora ogni SIM da remoto. Richiedete un kit di prova IoT gratuito o parlate con i nostri esperti per verificare la connettività presso le vostre sedi.