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IoT Saturday PN 2019 - S8-6 Francesco Not

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La gran parte dei progetti IoT parte dallo sviluppo di un Proof-of-Concept basato su piattaforme di prototipazione rapida (Arduino, Raspberry Pi, ecc.) , che permettono di valutare velocemente la fattibilità dell'idea e mettono le basi per l'implementazione della soluzione. Quando il PoC è validato, il sistema funziona ed il backend è operativo, è il momento di pensare all'industrializzazione. Ottimizzazioni, portabilità, prototipi, test, certificazioni, produzione... quanto complesso è realizzare un prodotto?

Publicado en: Ingeniería
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IoT Saturday PN 2019 - S8-6 Francesco Not

  1. 1. #iotsatpn saturday 2019 Internet of Things OK, the PoC runs… what’s next? Steps to bring an IoT device concept to manufacturing Francesco Not In questa presentazione andremo a fare una carrellata sul processo di sviluppo dell’hardware di un dispositivo elettronico IoT, dalla sua ideazione alla messa in produzione.
  2. 2. #iotsatpn Francesco Not – Electronic Engineering • Hardware and firmware development since 2002 • Consulting and Product Management since 2012 • Industrial and Consumer markets • Home office / Laboratory • Continuous improvement on new technologies and techniques • Worldwide network of contacts in electronics supply chain and manufacturing services Tecnologo e consulente per l’ingeneria elettronica. Da 17 anni sviluppo dispositivi elettronici per i mercati industriale e consumer. Da 6 anni faccio il consulente per la gestione di progetti ad alto contenuto tecnologico. Lavoro principalmente nel mio ufficio/laboratorio, dove sono autonomo per lo sviluppo, la protototipazione ed i test dei dispositivi che progetto per i miei clienti. L’elettronica e la tecnologia sono la mia passione, mi tengo costantemente aggiornato sulle novità del mercato dei semiconduttori e della fabbricazione elettronica e provo materialmente tutte le nuove tecnologie su cui riesco a mettere le mani. Negli anni ho costruito una rete internazionale di relazioni nel mondo dell’industria elettronica che mi tornano spesso utili per trovare soluzioni innovative in maniera rapida ed efficace.
  3. 3. #iotsatpn I got an idea on a new product, let’s make it IoT ! Generalmente tutto parte da un’idea, dalla soluzione di un problema reale e dall’intuizione che quella soluzione possa diventare un prodotto di successo.
  4. 4. #iotsatpn New project – Exciting idea! Bene, l’idea è interessante, pare che il mercato risponda bene ai test… dopotutto potrebbe valer la pena mettere insieme un Dimostratore Tecnologico, o come detto comunemente, Proof Of Concept (PoC). Allora, come prima cosa compriamo un po' di materiale e proviamo a giocarci un po’...
  5. 5. #iotsatpn Proof Of Concept – Development Boards Questo è quello che molti di noi hanno spesso sulla scrivania: una scheda prototipale come Arduino, Raspberry Pi, schede di sviluppo per microcontrollori, ecc., connesse a schede di espansione, sensori, attuatori, moduli wifi, bluetooth, radio, e chi più ne ha più ne metta. Questa è la base per il Proof of Concept, il set-up minimo per iniziare a mettere in piedi il software che, lo sappiamo bene, è il vero valore del progetto, quello che all’utente dà la percezione del valore.
  6. 6. #iotsatpn Proof Of Concept – Software development Ora è il momento di dedicarci allo sviluppo del software: back-end, front-end, protocolli di comunicazione, Interfacce Utente, magari anche App per i dispositivi mobili. Insomma, tutto quello che serve per un sistema IoT come si deve e che framework come Microsoft Azure mettono a disposizione per semplificarci la vita. Lo mostriamo ai finanziatori, al nostro responsabile, lo facciamo provare ai commerciali e magari agli stessi clienti e sì, gli piace, sono contenti, funziona bene ed è divertente da usare. Quindi...
  7. 7. #iotsatpn Proof Of Concept – It could work!! SI… PUO’… FARE! Questo sarà il nostro prossimo, eccezionale prodotto!
  8. 8. #iotsatpn Fantastic! Let’s go to production … … but …. Fantastico! Possiamo cominciare a venderlo? Beh, prima bisogna farlo, e questo prodotto funziona mediante l’hardware che, in questo momento… è più o meno così...
  9. 9. #iotsatpn BMoW (Big Mess o’ Wires) Prototype UN PIATTO DI SPAGHETTI!
  10. 10. #iotsatpn Okay then, let’s make that hardware! Va bene, siamo convinti, facciamo questo passo… sviluppiamo il nostro hardware! Okay… da dove si comicia?
  11. 11. #iotsatpn Electronic device engineering - process- Make or Buy? Specifications Hardware design Firmware development Prototyping Testing and validation Field tests Industrialization Certifications and finally Mass Production Corrections and re-spin Pre-series Schema semplificato di sviluppo di un prodotto elettronico.
  12. 12. #iotsatpn Electronic device engineering - Make or Buy- Raspberry Pi, Arduino, BeagleBone, etc. are meant for laboratory use, NOT production! • Need for stable external power, no protection • No granted long-term availability • Need for cumbersome add/on boards (shields/capes) • Lots of unneeded I/O and connectors • Bad aesthetics, big size Le schede di sviluppo rapido, tipo Arduino, Raspberry Pi e compagnia bella non sono progettate per essere usate fuori dal laboratorio. Nel mondo reale l’elettronica è sottoposta a sbalzi di tensione, interferenze elettromagnetiche, scariche elettrostatiche, sbalzi termici e di umidità, abusi meccanici… insomma, stress di ogni tipo. Se ci mettiamo anche il fatto che nessuno ci garantisce che per i prossimi 5/10 anni quella scheda sarà disponibile in commercio, ecco che usarla diventa un rischio. Se poi abbiamo un prodotto consumer che deve avere un’estetica piacevole e magari molto compatta, beh, allora non ci siamo proprio.
  13. 13. #iotsatpn Electronic device engineering - Custom vs. Off-the-Shelf - Custom HW • Pros: – Completely tailor made – Custom shapes and dimensions, integration – Full control on HW and SW • Cons: – Longer development cycle – Expensive in low volumes Off-the-shelf HW • Pros: – Proven and tested, SW available – Faster Time-to-Market • Cons: – Nearly impossible to find exactly what we need – Expensive in high volumes La scelta, quindi, deve essere fatta fra: progettare un nuovo hardware da zero oppure adattarsi ad un hardware già fatto. Sicuramente un harware custom ci dà il massimo controllo sulle tecnologie, i costi e le forme ma va considerato il lavoro di sviluppo che, alle volte, può essere considerevole. Con un hardware già pronto, invece, tutto è risolto ma in genere non si trova una soluzione del tutto adeguata ai nostri scopi. Certo possiamo adattare i nostri requisiti a quello che troviamo ma, insomma, vogliamo scendere a compromessi prima di partire?
  14. 14. #iotsatpn Electronic device engineering - SOM + custom carrier - • Tested and certified • Drivers + kernel ready • Long-term availability • Support available • Easier and faster to develop • Adapted to final application • Upgradable with newer SOM + Magari possiamo sfruttare qualcosa che già esiste, come una scheda a microprocessore su modulo, che possiamo comprare già fatta a prezzi contenuti – e soprattutto con i driver già fatti ed il sistema operativo pronto! - , e dedicarci al design della sola interfaccia verso il mondo esterno, la scheda madre o carrier board, così da ottenere quello che vogliamo in tempi più rapidi e spendendo molto meno in costi di sviluppo. Questa soluzione “intermedia” è piuttosto diffusa in ambito industriale, per applicazioni che sfruttano dei microprocessori potenti e possono avere simensioni e forme che consentono l’integrazione di una elettronica relativamente voluminosa.
  15. 15. #iotsatpn Electronic device engineering - custom HW - Di contro con un design completamente personalizzato possiamo ottenere esattamente quello che vogliamo, anche assemblaggi tridimensionali molto compatti e schede flessibili e molto sottili, pensiamo ad esempio ai wearables e all’elettronica integrata nei vestiti oppure sensori ambientali integrati nelle scatole a muro oppure ancora sensori industriali che devono adattarsi alla forma ed alla dimensione del semilavorato da controllare. Insomma, con un design custom possiamo realizzare una soluzione specificamente ottimizzata per la nostra applicazione.
  16. 16. #iotsatpn in most of IoT projects some custom HW is needed Nella realtà, prendiamone atto, molti progetti IoT per dare il massimo del loro valore, necessitano di una qualche forma di hardware personalizzato. Quando abbiamo deciso come procedere, mettiamo le basi per i prossimi sviluppi...
  17. 17. #iotsatpn Electronic device engineering - Specifications- Too many IoT projects are developed without specification definition. Many of those will fail or get far beyond schedule because there is no guideline of what needs to be done and with which priority. LE SPECIFICHE, queste sconosciute! Quanti progetti vengono portati avanti senza una definizione formale e definitiva delle specifiche? TROPPI! Con tutto quello che ne consegue… Dedichiamo tutto il tempo necessario alla fromalizzazione delle specifiche per ogni parte del sistema, che saranno la nostra linea guida per i mesi di successivo sviluppo (quando ci saremo dimenticati il perché avevamo preso quella decisione) e ci daranno le priorità quando le cose non saranno lineari (cioè quasi sempre!)
  18. 18. #iotsatpn Electronic device engineering - Technology selection- Una parte fondamentale dello sviluppo dell’elettronica è la selezione tecnologica. In questo caso non stiamo parlando del processore o del SoM da usare, che abbiamo già deciso a questi punto, ma a tutte le tecnologie e la componentistica “di controno” che comunque gioca un ruolo critico nella definizione della complessità del sistema. Le tecnologie scelte a questo punto possono essere ad esempio: il sistema di acquisizione del dato sensoriale, quale una videocamera, ed i sistemi di illumiazione del pezzo da riprendere, oppure la scelta dei connettori per interconnettere il sistema, ma anche le tencologie reallizzative come la dimensione dei componenti da usare, la loro dissipazione termica e le tecnologia di assemblaggio; insomma, tutto quello che può impattare direttamente sulla efficienza della produzione e della manutenzione del prodotto.
  19. 19. #iotsatpn Electronic device engineering - Technology verification - Per le parti critiche del progetto, ad esempio parti in radiofrequenza, sensori, analogica di precisione, parti meccaniche ed elettromeccaniche, ecc., oppure elementi sottoposti a stress notevoli come elettronica di potenza e elementi a forte dissipazione termica, alle volte è necessario sviluppare prototipi di test e validazione per essere certi che la soluzione adottata dia realmente i risultati sperati. In questi casi il prototipo di test dà la possibilità di fare delle misure mirate sulla parte più critica, per non avere poi sorprese quando tale tecnologia sarà integrata nel prodotto finito, riducendo i rischi al minimo ed abbreviando il ciclo di sviluppo.
  20. 20. #iotsatpn Electronic device engineering - Hardware design- Finalmente si comincia con lo sviluppo hardware dell’elettronica e della meccanica. Scelta dei componenti e delle tecnologie, disegno dello schematico, layout della scheda sono competenze all’apparenza accessibili ma nascondono molte insidie che hanno a che fare con il Design for Manufacturability (DFM), cioè tutte quelle scelte che impattano direttamente sulla produzione e ne determinano i costi. Per questo è molto importante l’esperienza in ambito produttivo – bisogna sapere come funzionano i processi produttivi per sapere come sfruttarli al meglio. Stesso discorso, più intuitivamente, per il disegno meccanico, sia esso per parti in metallo o in plastica. Per i progetti che lo prevedono, bisogna porre particolare attenzione ai cablaggi, che spesso sono la principale causa di malfunzionamenti del sistema una volta che è stato messo in opera.
  21. 21. #iotsatpn Electronic device engineering - Firmware development - Quando si decide di sviluppare un hardware custom, sia esso anche solo limitato alla scheda madre, generalmente è necessario sviluppare o adattare del software di basso livello, tipicamente driver o primitive di codice che permettono l’accesso all’hardware sottostante. Questa fase di sviluppo di solito comprende anche tutti quei meccanismi che non vengono sviluppati per il PoC, quali bootloader, update del firmware – magari Over The Air – protocolli e sistemi di sicurezza ed autenticazione, diagnostica e altro. In genere questa è la fase di progetto più dispendiosa in termini di tempo e risorse ed è difficilmente gestibile con metodi Agile, per cui necessita di una attenta pianificazione e monitoraggio.
  22. 22. #iotsatpn Electronic device engineering - Security and robustness - ● TPM, Secure Boot, firmware updates and authentication ● Trusted Execution Environments ● Cryptography of protocols and data storage ● Network access and enrolment ● Key storage protection ● Anti tampering and intrusion detection ● Physical protection of hardware In ambito IoT e, specialmente IIoT, la sicurezza dei dispositivi e delle connessioni è fondamentale, eppure è uno degli argomenti meno sentiti e sui quali mancano più competenze. Spesso l’endpoint IoT viene connesso direttamente alla rete aziendale e questo mette il dispositivo sotto la mira di potenziali attaccanti. Anche un semplice termostato, se connesso alla rete, può diventare un punto di accesso per malintenzionati. Per sensori che monitorano processi produttivi critici, sistemi di rilevamento delle manomissioni e meccanismi di autenticazione dei dati sono fondamentali specialmente se il dispositivo si trova in una zona nascosta o non sorvegliabile.
  23. 23. #iotsatpn Electronic device engineering - Attacks - ● Framework based network attacks ● Fuzzy probing and flooding ● Differential Power Analisys ● Silicon probing and injection ● Electromagnetic microscopy ● Laser pulse junction stimulation ● Ion beam fuse reset and silicon modification Attacchi ai dispositivi hardware in ordine di complessità. In base al valore del dato che transita nel sistema IoT, all’aumentare di tale valore, anche le risorse messe in campo da una attaccante variano in porporzione. Pensate se con un attacco remoto ad un sistema di controllo di una pressa fosse possibile disattivare il rilevamento di finecorsa… in un istante si potrebbe danneggiare irreparabilmente un macchinario di altissimo valore e mettere a rischio la vita degli operatori. Eventi come questo, ed anche peggiori, sono possibili se non viene posta particolare attenzione all’implementazione sicura dei sistemi IoT.
  24. 24. #iotsatpn Electronic device engineering - Prototyping - Bene, l’hardware è stato progettato ed ora è il momento di vedere realizzati i prototipi. In genere per questo si usano servizi dedicati di prototipazione rapida, che in breve tempo possono metterci a disposizione un limitato numero di prototipi su cui andare a fare…
  25. 25. #iotsatpn Electronic device engineering - Testing and validation - I nostri test elettrici, meccanici… magari distruttivi… come vedete dalle foto. Quando l’hardware è stato verificato si collega al software sviluppato in fase PoC, con le opportune modifiche, e su questo si continua lo sviluppo. Alla fine se tutto funziona si può dire che il prototipo è validato e si può andare avanti verso i test sul campo e la produzione. Se le cose non vanno come sperato e bisogna mettere mano al prototipo, si fa un pasetto indietro...
  26. 26. #iotsatpn Electronic device engineering - process- Make or Buy? Specifications Hardware design Firmware development Prototyping Testing and validation Field tests Industrialization Certifications and finally Mass Production Corrections Pre-series Si corregge il progetto e si fa un re-spin della parte hardware errata. Avete notato l’apparentemente innocua freccina? Ecco, questa procedura di correzione e test va ripetuta tutte le volte che serve (idealmente nessuna o comunque molto poche – in genere per progetti di bassa e media complessità una o due revisioni sono la norma). Uno o due re-spin dell’hardware vanno sempre previsti in fase di definizione delle tempistiche di progetto! Se il progetto è molto complesso, magari con delle parti analogiche o in radiofrequenza molto delicate, è preferibile, come abbiamo già visto, realizzare e testare quelle parti separatamente prima di sviluppare il resto dell’hardware, ed andare ad integrarle col resto della scheda solo quando sono state validate, così da non avere brutte sorprese dopo aver speso tempo e soldi sul prototipo finale.
  27. 27. #iotsatpn Electronic hardware engineering - Certifications - Un discorso importante meritano le certificazioni, siano esse relative alla sicurezza elettrica o alla compatibilità elettromagnetica, molto frequenti e rilevanti in ambito IoT. Ogni regione geografica ha normaive e marchi diversi e per molti di questi è necessario effettuare delle misure specifiche presso laboratori accreditati, che rilasciano la relativa certificazione di conformità. Ognuno di questi test può costare migliaia di euro e mesi di tempo, per cui è fondamentale definire a priori quali saranno i mercati e le norme di riferimenti per il prodotto che andiamo a sviluppare, così da adottare tecniche di progetto mirate a facilitare tali certificazioni. Qui sopra vedete un compendio dei marchi di certificazione e conformità elettrica e RF mondiali (forse ne ho dimenticato qualcuno).
  28. 28. #iotsatpn Electronic device engineering - Firmware development - • Advice: – Use pre-certified RF modules as much as possible in your products to avoid huge costs of certification. Se il vostro prodotto ha degli apparati radio, come Bluetooth, WiFi, Ant, Zigbee, LoRa, ecc. è assolutamente preferibile usare moduli radio integrati già certificati. Ogni certificazione di apparati radio costa parecchie migliaia di euro, va ripetuta per ciascun apparato radio nel sistema e può richiedere alcuni mesi per essere rilasciata da un ente certificatore accreditato. Usando moduli radio certificati molto spesso è sufficiente una autocertificazione di conformità con allegato un test report effettuabile da qualsiasi laboratorio di analisi elettromagnetica, ottenibile in tempi brevi e con costi molto più accessibili. Anche per la parte di alimentazione è preferibile usare soluzioni integrate già garantite per essere conformi alle norme.
  29. 29. #iotsatpn Electronic device engineering - Industrialization - DFM Design For Manufacturability Bene… siamo arrivati alla fine del processo, il prototipo funziona, il sistema sta in piedi, i dispositivi sono conformi alle norme quindi è il momento di preparare la produzione. In questa fase viene preparata la documentazione per la produzione, i piani di assemblaggio, cablaggi, procedure di test e collaudo e tutto quello che serve per automatizzare quanto più possibile la produzione in serie. A questo punto, se il sistema non è stato progettato in ottica DFM, si scoprono gli altarini, che di solito significa: produzione più lenta e complessa, con relativo aumento dei costi. Ecco perché, ancora una volta, l’esperienza del progettista e del Product Manager relativa alla produzione è di fondamentale importanza.
  30. 30. #iotsatpn overwhelming, isn’t it? maybe we could use some help! Wow, un sacco di cose per realizzare un prodotto, non è vero? Per fortuna c’è chi può darvi una mano...
  31. 31. #iotsatpn Francesco Not - Consulting • Advising customers on: – Technology selection – Feasibility analysis – Budget and resources estimation – Team building – Project/Product Management – Electronic component supplier management – Manufacturing partners management Francesco Not può assistervi in tutte le fasi del progetto, dalla ideazione e selezione tecnologica, via via fino alla messa in produzione e gestione dei partner manifatturieri. Per i progetti che ne possono beneficiare, è possibile mettere insieme un gruppo di lavoro composto da vari professionisti capaci di coprire tutte le fasi di qualsiasi progetto in ambito consumer e industriale.
  32. 32. #iotsatpn Francesco Not - Engineering • Hands-on work: – Electronic systems design – PCB layout and engineering – Product industrialization – Prototyping and testing – Team leading and coordination – Reverse engineering – System security evaluations Oltre alla consulenza, si offrono anche servizi di ingegneria elettronica e sviluppo firmware di basso livello. Alcuni campi di specializzazione che meritano citati sono: - Miniaturizzazione e tecnologie chip-on-board. - Elettronica flessibile e ultra-sottile. - Sistemi di sicurezza hardware, crittografia ed autenticazione. - Reverse engineering di schede obsolete e ricostruzione di dati per la riproduzione.
  33. 33. #iotsatpn Francesco Not - Target customers • Electric/Electronic companies: – Product innovation, advanced tech – Understaffing and workload spikes – Specialized skillset and services • ICT companies and software houses: – Hardware and low-level consulting – Industrialization of Proof-of-Concepts – Hardware security and assessments Generalmente lavoro con due tipi di aziende cliente, alle quali offro servizi integrativi o complementari al loro core business.
  34. 34. #iotsatpn Francesco Not - Value proposition • Passion → latest technologies • Independent → fast reaction • Lateral thinking → innovative ideas • Long-term experience → effectiveness • Security mindset → robust solutions • Broad network → prompt external support Perchè lavorare con un consulente indipendente?
  35. 35. #iotsatpn Let’s do this together! Per il prossimo progetto elettronico ora sapete a chi rivolgervi!
  36. 36. #iotsatpn Francesco Not – Contacts • Tel. +39 0433 786024 • Mob. +39 338 8546454 • Email: contact@francesconot.it • Skype: francesco.not • Via Lobbia 3 (Mena) 33020 Cavazzo Carnico UD – Italy < Rise to the challenge > http://www.francesconot.it Ecco dove trovarmi.

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