Nel capitolo secondo capitolo della tesi " SVILUPPO E IMPLEMENTAZIONE SU MICROCONTROLLORE DI UN’APPLICAZIONE WEB SERVER PER IL CONTROLLO DI UN SISTEMA EMBEDDED"sono presentati diversi prodotti commerciali impieganti Web Service , in modo particolare dispositivi di tipo embedded. Viene discusso, inoltre, su come le tecnologie Web entrino nel mondo industriale e della domotica e si pone l’attenzione sui fattori che impediscono il pieno sviluppo in questi ambiti. Infine vengono proposti diversi articoli che affrontano tematiche simili a quelle della tesi.

1. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2
Capitolo 2
Il Web Service e i sistemi embedded
Nel capitolo sono presentati diversi prodotti commerciali impieganti Web Service , in
modo particolare dispositivi di tipo embedded. Viene discusso, inoltre, su come le
tecnologie Web entrino nel mondo industriale e della domotica e si pone l’attenzione sui
fattori che impediscono il pieno sviluppo in questi ambiti. Infine vengono proposti
diversi articoli che affrontano tematiche simili a quelle della tesi.
2.1 Il fenomeno della miniaturizzazione
Il progresso tecnologico vede molto spesso il nascere di una tecnologia per computer
PC o server e dopo poco tempo il porting1 della stessa su architetture ridotte, embedded
o portabili. Nel 1995 nasce Apache Web Server e nel 1999 si assiste alla gara “The
World’s Smallest Server”: università e aziende si sforzano di semplificare ed
ottimizzare il prodotto di Apache per arrivare a servire pagine Web tramite una piccola
scheda elettronica.
Il dispositivo più eclatante in quanto a dimensioni è iPic del Department of Computer
Science University of Massachusetts che utilizza una interfaccia SLIP e “gira” su un
microcontrollore a 8 piedini, il PIC12509A.
Molte aziende hanno iniziato a produrre schede di sviluppo basate su microcontrollori
con interfaccia Ethernet come la Picoweb Server (della Picoweb) oppure la
PICDEM.net (della Microchip Technologies) o la RCM3750 RabbitCore (della Rabbit
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Porting: operazione con cui un programma, sviluppato originariamente per una piattaforma, viene
modificato nel suo codice sorgente (vd. compilatore) in modo da poter essere utilizzato in un'altra
piattaforma.
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Semiconductor). Quest’ultimo prodotto è particolarmente interessante ed evoluto ma di
costo superiore ai precedenti: possiede 512KByte di memoria programma e supporta
anche SSL.
Vengono progettati processori che forniscono full duplex 10/100 Base-T Ethernet come
il NS9750 (della Netsilicon).
Tra il 2001 e il 2002 nascono le prime piattaforme per Web Service con prodotti
commerciali come gSOAP2, .NET e AXIS; pochissimo tempo dopo nascono le versioni
embedded.
Tra i primi troviamo Samsung e Thinkware che mettono sul mercato iPC: un System-
On-Chip che implementa un Web Service standard, con moduli SOAP e XML. Il cuore
del progetto è il processore ARM7TDMI e il RTOS della VxWorks con un ANSI-C
compatibile I/O system (per esempio, per creare socket TCP). Implementa la
crittografazione dei dati e, a livello fisico, offre un collegamento verso l’esterno di tipo
seriale wired o di tipo wireless (IEEE802.11b).
E’ un’architettura molto sofisticata: presenta canali DMA, porte USB, sistemi di
risparmio energetico, A/D converter ecc... . Viene fornita una evaluation board
corredata di tutto software open-source e degli strumenti di sviluppo.
Anche Ultimodule domina la scena col suo eSOAP [27], implementazione commerciale
leggera di SOAP, appunto, orientato soprattutto al mercato dei PDA e degli smartphone
che esce nel 2004. Viene fornito con un toolkit ovvero un insieme di librerie C++ che
forniscono un SOAP engine in grado di dare ad un sistema embedded l’interoperabilità
tipica dei sistemi client/server basati su Web Service.
L’occupazione di memoria del server SOAP è circa 150KByte ed è disponibile per
sistemi operativi real time o normali.
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in [22] si discute delle ottimizzazioni introdotte tali da poterlo utilizzare anche su
sistemi embedded
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La stessa azienda commercializza Smart Controller Module: una scheda di ridotte
dimensioni basata su FPGA che, oltre l’implementazione di Web Service , fornisce
praticamente tutti i bus wired attualmente utilizzati in campo controllistico. Offre due
principali soluzioni: programma l’FPGA per applicazioni tipiche predefinite oppure
fornisce il codice VHDL che gestisce le funzioni base della scheda che poi può essere
personalizzato dall’utente.
Per quanto riguarda il mondo Java, segnaliamo kSOAP [28] di Enhydra.org (progetto
nato nel 2001). E’ una API SOAP open source da integrare all’interno di Java 2
Microedition. Dato il suo ridotto footprint è ideali per la creazione di Java-applet
SOAP-enabled da eseguire su telefoni cellulari o smart phone.
Infine citiamo .NET Embedded dellaMicrosoft per lo sviluppo diWeb Service su sistemi
embedded. Quest’ultimo richiede che sul dispositivo target sia installato Windows CE e
quindi è una soluzione altamente platform-dependent.
Tutti questi dispositivi, come l’architettura proposta possono essere utilizzati tra l’altro
in scenari di automazione industriale e di domotica. E’ importante sottolineare come
tutti i Web Service commerciali appena presentati abbiano come piattaforma-obiettivo i
sistemi embedded ma richiedano comunque un certo ammontare di risorse
hardware/software.
2.2 I Web Service nello scenario industriale
Nell’ambito dell’automazione industriale si diffonde sempre più il trend di avere
dispositivi e macchinari “intelligenti”, cioè in grado di controllare il proprio stato e di
prendere opportune decisioni. Il tipico scenario in cui un impianto industriale si può
trovare è di avere un gran numero di macchinari, ognuno con compiti specifici e,
soprattutto, con propri standard di comunicazione verso i sistemi di controllo (computer,
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stazioni operative, ecc. . . ). Nascono limitazioni dovute al fatto che i vari protocolli
sono proprietari e quindi rendono difficile la strutturazione di una rete “omogenea” e di
un sistema per supervisionare e agire sui dispositivi in maniera remota.
Le prime limitazioni sono dovute agli standard industriali di trasmissione dati (di tipo
seriale) come Profibus, Foundation Fieldbus, CanBus. Si è allora pensato che fosse
possibile utilizzare Ethernet [29]; i vantaggi sono considerevoli a costo di una maggiore
complessità del protocollo [30]:
• grande scalabilità della rete;
• possibilità di gestire un grandissimo numero di nodi;
• le velocità di trasmissione aumentano notevolmente dai 9.6 kbit/s con una RS232 a
1 Gbit/s con una IEEE 802 su cavi Cat5e o su fibra ottica;
• possibilità di incrementare la lunghezza delle reti di controllo;
• migliorano le performance e l’interoperabilità;
• possibilità di utilizzare switches, hubs, cavi e fibre ottiche che sono estremamente
più economici rispetto ai corrispettivi dispositivi per porte seriali.
Questi vantaggi sono determinanti, infatti sono state sviluppate versioni Ethernet di
questi vecchi protocolli, ad esempio Profinet (vedere [31] per le sue caratteristiche di
real time) o Foundation Fieldbus High Speed Ethernet su cui si basa la cosiddetta
Industrial Ethernet . Conseguentemente aziende come la Korenix, MOXA, Acromag,
ecc. . . lanciano sul mercato prodotti mirati all’adattamento dei tradizionali componenti
Ethernet (switch, hub, cavi, adattatori, ecc. . . ) allo scenario industriale; sono
caratterizzati da sistemi di ridondanza, operatività in ampi range di temperatura, alta
configurabilità, sistemi avanzati di controllo dei guasti con allarmi.
Ciò che inizialmente ha rallentato l’adozione di Ethernet nel settore industriale è stata la
sua mancanza di determinismo che non poteva garantire il soddisfacimento di vincoli di
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real-time. Questo ostacolo è stato superato grazie ad accorgimenti particolari come
l’adozione di meccanismi di full duplex-switched [32] che evitano collisioni di pacchetti
e pongono un limite massimo ai ritardi di trasmissione e l’applicazione di algoritmi di
scheduling ottimizzati [33]. Lo standard de facto del protocollo di comunicazione per
l’Industrial Ethernet è il TCP/IP (livello 4 dello stack ISO-OSI). Comunque non basta
stabilire un canale di comunicazione comune tra i dispositivi ma occorre definire un
protocollo applicazione (livello 7 dello stack ISO-OSI) che garantisca l’interoperabilità
tra dispositivi; esempi di protocollo applicazione sono SMTP, FTP, HTTP.
In ambito industriale un protocollo applicazione utilizzato per la comunicazione tra
dispositivi è DCOM (Distributed Component Object Model), (è il protocollo comune in
Profinet).
DCOM ma anche OPC e CORBA sono protocolli standard per la definizione di modelli
di oggetti trasmessi su una rete: ogni nodo appartenente alla rete è vista come una unità
“chiusa” che comunica con altre unità attraverso un’interfaccia.
Il distributed computing garantito da tali standard è limitato dal fatto che i dispositivi
che comunicano devono “parlare” con lo stesso protocollo applicazione e questo
prevede la conoscenza delle caratteristiche di tutti i dispositivi collegati alla rete, ciò è
possibile se la rete è di tipo locale.
L’estensione da una rete locale a una rete mondiale (Internet) dove esiste
l’imprevedibilità dei nodi connessi pone dei freni al distributed computing e in questo
caso vengono in aiuto i Web Service . Questi adottano come protocollo applicazione
l’HTTP che è uno standard molto usato per la comunicazione su Internet, inoltre
utilizzano l’XML come formato di “marshalling” e “un-marshalling” dei dati tra client e
server, quindi con un parser XML è possibile l’interpretazione dell’informazione
migliorando l’interoperabilità.
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6. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2
Tra i Web Service si è ormai affermato lo standard SOAP che, oltre al già citato
vantaggio di risolvere il problema di eterogeneità delle comunicazioni tra dispositivi che
utilizzano protocolli applicazione diversi, riesce a fornire un’astrazione dei modelli
degli oggetti ancora superiore garantendo un meccanismo di trasmissione indipendente
dagli ambienti in cui i client e i server “girano” e dalle loro implementazioni. Inoltre
utilizzando il protocollo HTTP si evitano i problemi dovuti alla gestione del traffico da
parte dei firewalls quindi i messaggi SOAP viaggiano sulla porta 80 senza ostacoli.
Tra le maggiori società che hanno sviluppato Web Service di tipo SOAP per estendere i
loro servizi ci sono Google, Ebay e Amazon. Tutte forniscono delle API (descritte in un
documento WSDL pubblico) utilizzabili sulla base di diversi tipi di registrazione che
pongono differenti limitazioni all’uso. Alternativamente ai servizi di tipo SOAP
vengono messi a disposizione servizi di tipo REST.
2.3 La domotica e i Web Service
La home-automation non è più considerata come un accessorio di lusso adatto solo a
nuove realizzazioni di altissimo livello ed improponibile nella maggior parte delle
applicazioni, al contrario diventa un insieme di soluzioni che possono essere offerte
anche in realizzazioni di medio livello ed in ristrutturazioni di impianti esistenti, grazie
alla disponibilità di prodotti dal costo ridotto sempre più semplici nell’installazione e
nel funzionamento.
La home-automation è una realtà che non serve soltanto per rendere la vita comoda e
più sicura ma sta creando una grande svolta per anziani e disabili. Negli anni precedenti
è stato un campo non in grande evoluzione a causa della moltitudine di standard
utilizzati (X10, CEBus, BACnet, INSTEON, ZigBee), nessuno dei quali riusciva ad
imporsi sul mercato. Una grande svolta è iniziata con Windows Media Center, la
grande box multimediale di Microsoft, che ha deciso di integrare alcuni moduli software
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7. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2
per gestire (anche attraverso Internet) reti domotiche di alcuni produttori tra cui HAI,
BTicino e ABB. I protocolli gestiti da questi produttori diventano quindi gli standard
per chi realizza dispositivi da integrare nelle reti di automazione domotica.
Negli ultimissimi tempi Ethernet viene impiegato anche in campo domotico grazie alle
sue doti di versatilità, di economicità e al grande numero di dispositivi ed applicazioni
disponibili sul mercato. La scalabilità di questo bus permette inoltre di graduare
facilmente il peso (e la spesa!) di un intervento in quanto è possibile in una prima fase
occuparsi del controllo delle funzioni principali (impianto luce, motorizzazioni,
termoregolazione) e poi nel tempo aggiungere funzioni accessorie quali il controllo
tramite telecomandi, la supervisione, il controllo remoto, senza modificare nulla
dell’impianto già realizzato.
In generale, ci si sta muovendo verso l’utilizzo di protocolli aperti anche nel settore
della domotica. Prova di ciò è il fatto che la Cimetrics produce un adattatore che
realizza una interfaccia Web Service a partire da un protocollo BACNET [34];
adattatori di questo tipo per altri bus sono ampiamente disponibili sul mercato.
Questo trend è dovuto al fatto che si incomincia a sentire la necessità di usare interfacce
pubbliche (come quelle realizzate dai Web Service ) perché, non solo il padrone di casa
ma anche altre entità fornite delle dovute autorizzazioni possano interfacciarsi agli
impianti di casa. Uno scenario di questo genere potrebbe essere costituito da un servizio
di video-sorveglianza centralizzato con operatori umani che supervisionano diverse
abitazioni; una volta percepito un allarme, il centro cattura lo streaming video
dell’abitazione coinvolta e attua le dovute misure di sicurezza. Oppure il gestore
dell’energia elettrica, per esempio, in accordo con un contratto stipulato con il cliente,
potrebbe attuare delle ottimizzazioni sui consumi dell’abitazione. Oppure pensiamo ad
un forno microonde che riceve le istruzioni per la cottura da un servizio su Internet
gestito dagli esperti mondiali del settore. Anche in questo caso, le interfacce pubbliche
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concorrono all’integrazione dei servizi: la casa non è più gestita solo dal padrone di casa
ma da varie entità (servizi) che collaborano con lui.
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