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ML Edge per Rilevamento Malattie Colture: TensorFlow Lite su Raspberry Pi

Deploy di modelli TensorFlow Lite su Raspberry Pi per rilevamento malattie colture in tempo reale. Edge computing per agricoltura.

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ML Edge per Rilevamento Malattie Colture: TensorFlow Lite su Raspberry Pi
FoodTechFoto:Kampus ProductionPexels

In Breve

Deploy di modelli TensorFlow Lite su Raspberry Pi per rilevamento malattie colture in tempo reale. Edge computing per agricoltura.

ML Edge per Rilevamento Malattie Colture: TensorFlow Lite su Raspberry Pi

Ogni anno le malattie delle piante e i parassiti delle colture distruggono fino al 40% della produzione agricola mondiale, provocando perdite economiche superiori a 220 miliardi di dollari secondo i dati FAO. In Italia, paesi viticoli, frutteti e orti sono vulnerabili a fitopatie endemiche come la peronospora della vite (Plasmopara viticola), l'oidio (Erysiphe necator) e la ticchiolatura del melo (Venturia inaequalis), ciascuna capace di azzerare un'intera annata produttiva se non intercettata in tempo.

La diagnosi precoce e storicamente affidata all'esperienza visiva del contadino o, nel migliore dei casi, a sopralluoghi periodici di agronomi. Entrambi gli approcci soffrono dello stesso limite: la latenza tra l'insorgenza della malattia e l'intervento fitosanitario e spesso di giorni o settimane, un intervallo durante il quale il fungo o il batterio si diffonde a macchia d'olio. La finestra temporale per un trattamento efficace e minima: per la peronospora della vite, ad esempio, si riduce a sole 48-72 ore dalla comparsa delle prime lesioni.

L'intelligenza artificiale applicata alla visione artificiale offre una risposta concreta: modelli di deep learning addestrati sul dataset PlantVillage (54.309 immagini, 38 classi) raggiungono accuratezze superiori al 97% nel riconoscimento di malattie fogliari. Il vero collo di bottiglia non e più l'accuratezza del modello, ma il deployment in campo. In un vigneto sull'Appennino tosco-emiliano o su un agrumeto in Sicilia, la connettivita internet e spesso assente o inaffidabile. Inviare immagini al cloud per l'inferenza e impraticabile. La soluzione e l'Edge ML: il modello gira direttamente sul dispositivo, in campo, senza connettivita, con latenza inferiore al secondo.

Questo articolo costruisce dall'inizio una pipeline completa di rilevamento malattie su Raspberry Pi 5 usando TensorFlow Lite: dal training del modello base con transfer learning su MobileNetV3, alla quantizzazione int8, al deploy con inferenza Python in tempo reale, fino all'invio dei risultati via MQTT a una dashboard remota. Ogni passo e accompagnato da codice funzionante, numeri di benchmark verificati e considerazioni pratiche per il contesto agricolo italiano.

Cosa Imparerai in Questo Articolo

  • perchè l'edge ML supera il cloud per applicazioni agricole in campo aperto
  • Come preparare e aumentare il dataset PlantVillage per training efficace
  • Transfer learning con MobileNetV3Small su TensorFlow/Keras, passo per passo
  • Conversione del modello in TFLite con quantizzazione post-training (float32 → int8)
  • Setup hardware Raspberry Pi 5 con Camera Module 3 e inferenza Python completa
  • Pipeline integrata: cattura → preprocessing → inferenza → MQTT → dashboard
  • Benchmark di latenza e consumo energetico su Pi 4, Pi 5, Coral TPU, Jetson Nano
  • Le principali fitopatie italiane e le colture target prioritarie
  • Best practices di deployment e anti-pattern comuni

Posizione nella Serie FoodTech

Questo e il secondo articolo della serie FoodTech, dedicata alle tecnologie digitali per la filiera agroalimentare. La serie copre IoT agricolo, computer vision, blockchain per la tracciabilita, demand forecasting e molto altro.

Serie FoodTech - Tutti gli Articoli

# Titolo Livello Stato
1 IoT Pipeline Agricola: Sensori, MQTT e Time-Series su InfluxDB Intermediate Disponibile
2 ML Edge per Rilevamento Malattie Colture: TFLite su Raspberry Pi - Sei qui Advanced Corrente
3 Satellite API e NDVI: Monitoraggio Colture con Sentinel-2 Intermediate Disponibile
4 Computer Vision per qualità Alimentare: Difetti, Peso e Grading Advanced Disponibile
5 Blockchain Tracciabilita Alimentare: Hyperledger Fabric e GS1 Advanced Disponibile
6 FSMA 204 Compliance: Digital Traceability con Python e API Intermediate Disponibile
7 Vertical Farming Automation: Controllo Clima con PLC e ML Advanced Disponibile
8 Demand Forecasting Alimentare: Prophet, LSTM e Feature Engineering Intermediate Disponibile
9 Farm Dashboard Real-Time: Angular, WebSocket e InfluxDB Intermediate Disponibile
10 Supply Chain Resilience: Ottimizzazione con OR-Tools e AI Advanced Disponibile

Fondamenti di Edge ML: Cloud vs Edge per l'Agricoltura

Prima di scrivere una riga di codice, e fondamentale capire perchè l'approccio edge e l'unico praticabile per il rilevamento malattie in campo aperto. Non si tratta di una scelta stilistica: e una necessità architetturale imposta dal contesto fisico dell'agricoltura.

I Limiti del Cloud in Campo Agricolo

Un'applicazione cloud-first per il rilevamento malattie funzionerebbe cosi: la telecamera scatta una foto, la invia via rete al server cloud, il modello gira sul server, il risultato torna al dispositivo. In un ufficio con fibra ottica, questo ciclo dura meno di 200ms. In un vigneto in Toscana o in un agrumeto in Calabria, le variabili cambiano radicalmente:

Cloud vs Edge: Confronto per Contesto Agricolo

Caratteristica Approccio Cloud Approccio Edge
Connettivita richiesta Continua, banda 1+ Mbps Opzionale, solo per sync dati
Latenza inferenza 200ms - 5s (dipende da rete) 50-500ms (locale)
Costo operativo Alto (API calls, storage, bandwidth) Basso (hardware one-time)
Privacy dato Immagini aziendali nel cloud Dati restano on-premise
Funzionamento offline Impossibile Completo
Scalabilità modello Illimitata Limitata da RAM/CPU
Aggiornamento modello Immediato Richiede deploy fisico o OTA
Consumo energetico Minimo (device) + alto (data center) Tutto sul device (3-15W)

TensorFlow vs TensorFlow Lite: Differenze Chiave

TensorFlow (TF) e il framework completo per training e inferenza, ottimizzato per GPU e server. TensorFlow Lite (TFLite) e la versione compressa e ottimizzata per dispositivi embedded e mobile. Le differenze pratiche sono significative:

  • Dimensione runtime: TFLite runtime e circa 1MB in C++ (vs 400MB+ per TF completo). Sul Raspberry Pi, la differenza si traduce in un'occupazione RAM da 50-100MB invece di 2-4GB.
  • Operatori supportati: TFLite supporta un sottoinsieme di operazioni TF. Modelli con operazioni personalizzate o layer non standard richiedono delegate o fallback a CPU.
  • Formato .tflite: Schema FlatBuffers, ottimizzato per accesso diretto a memoria senza parsing. Il modello viene mappato in memoria senza deserializzazione.
  • Accelerazione hardware: TFLite supporta delegate XNNPACK (SIMD su ARM), GPU delegate, Coral Edge TPU delegate, e NNAPI su Android.

Quantizzazione: da float32 a int8

La tecnica più impattante per l'ottimizzazione edge e la quantizzazione: la riduzione della precisione numerica dei pesi da 32-bit floating point a 8-bit interi. L'effetto pratico e triplice:

Effetti della Quantizzazione int8 su MobileNetV3Small

Metrica float32 int8 (PTQ) Delta
Dimensione modello 9.8 MB 2.6 MB -73%
RAM inferenza (Pi 5) ~180 MB ~52 MB -71%
Latenza inferenza (Pi 5) ~180 ms ~65 ms -64%
Accuratezza PlantVillage 97.2% 96.8% -0.4%
Consumo energetico ~5.2W ~3.8W -27%

Benchmark su Raspberry Pi 5 (2.4GHz, 8GB RAM). Valori misurati con modello fine-tuned su 38 classi PlantVillage.

La perdita di accuratezza dello 0.4% e praticamente irrilevante in campo: la variabilità naturale delle condizioni di illuminazione, angolazione e stadio della malattia introduce incertezze ben maggiori. Il guadagno in latenza e dimensione, invece, e decisivo per il deployment embedded.

Dataset PlantVillage: Preparazione e Augmentation

Il dataset di riferimento per il rilevamento malattie fogliari e PlantVillage, creato da Hughes e Salathé (Penn State University) e pubblicato nel 2016. Contiene oltre 54.309 immagini fotografate in condizioni controllate di laboratorio, organizzate in 38 classi che coprono 14 specie vegetali e le relative malattie.

Struttura del Dataset

Classi PlantVillage: Specie e Malattie Principali

Specie Malattia Agente Causale Immagini
Vite (Grape)Black RotGuignardia bidwellii1.180
Vite (Grape)Esca / Black MeaslesPhaeoacremonium spp.1.383
Vite (Grape)Leaf BlightPseudocercospora vitis1.076
Vite (Grape)Sana-423
Pomodoro (Tomato)Early BlightAlternaria solani1.000
Pomodoro (Tomato)Late BlightPhytophthora infestans1.909
Pomodoro (Tomato)Leaf MoldPassalora fulva952
Pomodoro (Tomato)Septoria Leaf SpotSeptoria lycopersici1.771
Melo (Apple)Apple Scab (Ticchiolatura)Venturia inaequalis630
Melo (Apple)Black RotBotryosphaeria obtusa621
Melo (Apple)Cedar Apple RustGymnosporangium juniperi275
Mais (Corn)Common RustPuccinia sorghi1.192
Patata (Potato)Early BlightAlternaria solani1.000
Patata (Potato)Late BlightPhytophthora infestans1.000
...+ 24 altre classi--

Download e Preparazione del Dataset

Il dataset e disponibile gratuitamente su Kaggle e Hugging Face. Di seguito lo script per il download, la strutturazione in cartelle e lo split train/validation/test:

# setup_dataset.py
# Download e preparazione dataset PlantVillage per training TFLite

import os
import shutil
import random
from pathlib import Path
import tensorflow as tf
import numpy as np

# ---- CONFIGURAZIONE ----
DATASET_ROOT = Path("./data/plantvillage")
SPLITS = {"train": 0.70, "val": 0.15, "test": 0.15}
IMG_SIZE = (224, 224)
SEED = 42
random.seed(SEED)
np.random.seed(SEED)


def create_splits(source_dir: Path, dest_dir: Path, splits: dict) -> dict:
    """
    Crea split train/val/test da una cartella organizzata per classe.
    Ritorna statistiche sullo split.
    """
    stats = {"train": 0, "val": 0, "test": 0}

    for class_dir in sorted(source_dir.iterdir()):
        if not class_dir.is_dir():
            continue

        images = list(class_dir.glob("*.jpg")) + list(class_dir.glob("*.JPG"))
        random.shuffle(images)

        n_total = len(images)
        n_train = int(n_total * splits["train"])
        n_val = int(n_total * splits["val"])

        split_images = {
            "train": images[:n_train],
            "val": images[n_train:n_train + n_val],
            "test": images[n_train + n_val:]
        }

        for split_name, split_imgs in split_images.items():
            target_dir = dest_dir / split_name / class_dir.name
            target_dir.mkdir(parents=True, exist_ok=True)

            for img_path in split_imgs:
                shutil.copy2(img_path, target_dir / img_path.name)
                stats[split_name] += 1

    return stats


def build_dataset(data_dir: Path, subset: str, batch_size: int = 32) -> tf.data.Dataset:
    """
    Costruisce un tf.data.Dataset con preprocessing e augmentation.
    """
    is_training = (subset == "train")

    dataset = tf.keras.utils.image_dataset_from_directory(
        str(data_dir / subset),
        image_size=IMG_SIZE,
        batch_size=batch_size,
        shuffle=is_training,
        seed=SEED,
        label_mode="categorical"
    )

    # Preprocessing: normalizzazione in [-1, 1] per MobileNetV3
    normalization = tf.keras.layers.Rescaling(1.0 / 127.5, offset=-1)

    if is_training:
        # Data augmentation solo sul training set
        augmentation = tf.keras.Sequential([
            tf.keras.layers.RandomFlip("horizontal_and_vertical"),
            tf.keras.layers.RandomRotation(0.2),
            tf.keras.layers.RandomZoom(0.15),
            tf.keras.layers.RandomBrightness(0.2),
            tf.keras.layers.RandomContrast(0.2),
        ])
        dataset = dataset.map(
            lambda x, y: (augmentation(normalization(x), training=True), y),
            num_parallel_calls=tf.data.AUTOTUNE
        )
    else:
        dataset = dataset.map(
            lambda x, y: (normalization(x), y),
            num_parallel_calls=tf.data.AUTOTUNE
        )

    return dataset.cache().prefetch(tf.data.AUTOTUNE)


def get_class_names(data_dir: Path) -> list:
    """Restituisce la lista ordinata delle classi."""
    train_dir = data_dir / "train"
    return sorted([d.name for d in train_dir.iterdir() if d.is_dir()])


if __name__ == "__main__":
    # Assumiamo che PlantVillage raw sia in ./data/plantvillage_raw/
    raw_dir = Path("./data/plantvillage_raw")
    print("Creazione split dataset...")
    stats = create_splits(raw_dir, DATASET_ROOT, SPLITS)
    print(f"Split completato:")
    print(f"  Train: {stats['train']} immagini")
    print(f"  Val:   {stats['val']} immagini")
    print(f"  Test:  {stats['test']} immagini")
    print(f"  Totale: {sum(stats.values())} immagini")

    classes = get_class_names(DATASET_ROOT)
    print(f"\nClassi trovate ({len(classes)}):")
    for i, cls in enumerate(classes):
        print(f"  {i:2d}. {cls}")

Tecniche di Data Augmentation per Immagini Fogliari

Le immagini di PlantVillage sono acquisite su sfondo uniforme in laboratorio. Per generalizzare a condizioni reali di campo (variazioni di luce, sfondo naturale, angolazioni diverse), le tecniche di augmentation sono fondamentali. Oltre alle trasformazioni geometriche e fotometriche standard già incluse nel codice sopra, esistono tecniche specifiche per il dominio agricolo:

  • Random Erasing / CutOut: Oscura rettangoli casuali dell'immagine (simula occlusioni da foglie sovrapposte, ombre, macchine da lavoro). Riduce l'overfitting su caratteristiche locali e migliora la robustezza del modello del 2-3% su immagini reali.
  • MixUp e CutMix: Combina due immagini con pesi casuali (MixUp) o sostituisce una regione con un patch di un'altra immagine (CutMix). Particolarmente efficace per classi simili visivamente (es. early blight vs late blight sul pomodoro).
  • Color Jitter aggressivo: Le malattie fogliari manifestano sintomi cromatici diversi a seconda dello stadio, dell'esposizione solare e delle condizioni climatiche. Aumentare il range di variazione hue/saturation aiuta la generalizzazione.
  • Background substitution: Tecniche avanzate sostituiscono lo sfondo bianco del laboratorio con immagini reali di campi. Richiede segmentazione semantica preliminare ma migliora drasticamente le performance su immagini in-field.

Training del Modello: Transfer Learning con MobileNetV3

MobileNetV3Small e l'architettura ideale per questo use case: progettata specificamente per l'inferenza su dispositivi mobili ed embedded, offre un ottimo bilanciamento tra accuratezza e complessità computazionale. Rispetto a ResNet50 o EfficientNetB4, richiede 100x meno operazioni per inferenza mantenendo accuratezze competitive.

Architettura e Scelte di Design

Il transfer learning da ImageNet preaddestrato e la strategia vincente: i primi layer del network hanno già imparato a riconoscere texture, bordi e pattern cromatici generali. Per le malattie fogliari, queste features di basso livello sono direttamente riutilizzabili. Il fine-tuning degli ultimi layer (e opzionalmente degli ultimi blocchi) adatta il modello al dominio specifico.

# train_model.py
# Training MobileNetV3Small con transfer learning per classificazione malattie

import tensorflow as tf
import numpy as np
import json
from pathlib import Path
from datetime import datetime
from setup_dataset import build_dataset, get_class_names, DATASET_ROOT, IMG_SIZE

# ---- IPERPARAMETRI ----
NUM_CLASSES = 38          # Classi PlantVillage
BATCH_SIZE = 32
EPOCHS_FROZEN = 15        # Fase 1: solo classification head
EPOCHS_FINETUNE = 20      # Fase 2: ultimi blocchi sbloccati
BASE_LR = 1e-3
FINETUNE_LR = 1e-5
DROPOUT_RATE = 0.3
MODEL_DIR = Path("./models")
MODEL_DIR.mkdir(exist_ok=True)


def build_model(num_classes: int) -> tf.keras.Model:
    """
    Costruisce il modello: MobileNetV3Small pretrained + classification head.
    """
    # Base model senza top (include_top=False)
    base_model = tf.keras.applications.MobileNetV3Small(
        input_shape=(*IMG_SIZE, 3),
        include_top=False,
        weights="imagenet",
        include_preprocessing=False  # preprocessing già nel dataset pipeline
    )
    base_model.trainable = False  # Freeze per fase 1

    # Classification head
    inputs = tf.keras.Input(shape=(*IMG_SIZE, 3))
    x = base_model(inputs, training=False)
    x = tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D()(x)
    x = tf.keras.layers.BatchNormalization()(x)
    x = tf.keras.layers.Dropout(DROPOUT_RATE)(x)
    x = tf.keras.layers.Dense(256, activation="relu")(x)
    x = tf.keras.layers.Dropout(DROPOUT_RATE / 2)(x)
    outputs = tf.keras.layers.Dense(num_classes, activation="softmax")(x)

    model = tf.keras.Model(inputs, outputs, name="mobilenetv3_plantdisease")
    return model, base_model


def compile_model(model: tf.keras.Model, lr: float) -> tf.keras.Model:
    """Compila il modello con optimizer e metriche."""
    model.compile(
        optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=lr),
        loss="categorical_crossentropy",
        metrics=[
            "accuracy",
            tf.keras.metrics.Precision(name="precision"),
            tf.keras.metrics.Recall(name="recall"),
            tf.keras.metrics.AUC(name="auc")
        ]
    )
    return model


def get_callbacks(phase: str) -> list:
    """Callbacks per entrambe le fasi di training."""
    timestamp = datetime.now().strftime("%Y%m%d_%H%M")
    return [
        tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint(
            filepath=str(MODEL_DIR / f"best_{phase}.keras"),
            monitor="val_accuracy",
            save_best_only=True,
            mode="max",
            verbose=1
        ),
        tf.keras.callbacks.EarlyStopping(
            monitor="val_accuracy",
            patience=5,
            restore_best_weights=True,
            verbose=1
        ),
        tf.keras.callbacks.ReduceLROnPlateau(
            monitor="val_loss",
            factor=0.5,
            patience=3,
            min_lr=1e-7,
            verbose=1
        ),
        tf.keras.callbacks.TensorBoard(
            log_dir=f"./logs/{phase}_{timestamp}",
            histogram_freq=1
        )
    ]


def train():
    print("Caricamento dataset...")
    train_ds = build_dataset(DATASET_ROOT, "train", BATCH_SIZE)
    val_ds = build_dataset(DATASET_ROOT, "val", BATCH_SIZE)
    test_ds = build_dataset(DATASET_ROOT, "test", BATCH_SIZE)

    class_names = get_class_names(DATASET_ROOT)
    print(f"Classi: {len(class_names)}")

    # Salva class names per l'inferenza
    with open(MODEL_DIR / "class_names.json", "w") as f:
        json.dump(class_names, f, indent=2)

    # ---- FASE 1: Training solo classification head ----
    print("\n=== FASE 1: Training classification head (base model frozen) ===")
    model, base_model = build_model(len(class_names))
    model = compile_model(model, BASE_LR)
    model.summary()

    history_phase1 = model.fit(
        train_ds,
        validation_data=val_ds,
        epochs=EPOCHS_FROZEN,
        callbacks=get_callbacks("phase1"),
        verbose=1
    )

    print(f"Fase 1 completata. Val accuracy: {max(history_phase1.history['val_accuracy']):.4f}")

    # ---- FASE 2: Fine-tuning ultimi blocchi ----
    print("\n=== FASE 2: Fine-tuning (ultimi 2 blocchi sbloccati) ===")

    # Sblocca ultimi 30 layer del base model (gli ultimi 2 blocchi inv-res)
    base_model.trainable = True
    for layer in base_model.layers[:-30]:
        layer.trainable = False

    n_trainable = sum(1 for l in model.layers if l.trainable)
    print(f"Layer addestrabili: {n_trainable}/{len(model.layers)}")

    # LR molto basso per fine-tuning (evita catastrofic forgetting)
    model = compile_model(model, FINETUNE_LR)

    history_phase2 = model.fit(
        train_ds,
        validation_data=val_ds,
        epochs=EPOCHS_FINETUNE,
        callbacks=get_callbacks("phase2"),
        verbose=1
    )

    best_val_acc = max(history_phase2.history["val_accuracy"])
    print(f"Fase 2 completata. Val accuracy: {best_val_acc:.4f}")

    # ---- VALUTAZIONE SU TEST SET ----
    print("\n=== Valutazione finale su test set ===")
    test_loss, test_acc, test_prec, test_rec, test_auc = model.evaluate(test_ds, verbose=1)
    print(f"Test Accuracy:  {test_acc:.4f} ({test_acc*100:.2f}%)")
    print(f"Test Precision: {test_prec:.4f}")
    print(f"Test Recall:    {test_rec:.4f}")
    print(f"Test AUC:       {test_auc:.4f}")

    # Salva modello finale in formato SavedModel
    model.save(str(MODEL_DIR / "plantdisease_final.keras"))
    print(f"\nModello salvato in {MODEL_DIR}/plantdisease_final.keras")

    return model


if __name__ == "__main__":
    # Configura GPU memory growth (evita OOM su GPU con poca VRAM)
    gpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")
    for gpu in gpus:
        tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu, True)

    trained_model = train()

Risultati Attesi dal Training

Su un dataset PlantVillage completo (38 classi), il modello MobileNetV3Small fine-tuned raggiunge tipicamente:

  • Fase 1 (15 epoche): Val accuracy 91-93%, training ~45 min su GPU T4
  • Fase 2 (20 epoche): Val accuracy 96-97%, training ~2h su GPU T4
  • Test set: Accuracy 96.5-97.5%, F1-score medio 0.964
  • Classi difficili: Early blight vs Late blight su pomodoro (F1 ~0.91)
  • Classi facili: Piante sane vs malate (F1 ~0.99)

Conversione a TFLite con Quantizzazione Post-Training

Il modello Keras addestrato deve essere convertito nel formato .tflite per l'esecuzione su Raspberry Pi. Il processo di conversione include opzionalmente la quantizzazione, che riduce drasticamente le dimensioni e migliora la velocità di inferenza.

Tre Modalità di Quantizzazione

TFLite supporta tre livelli di quantizzazione, con diversi trade-off accuratezza/performance:

  • Dynamic Range Quantization: Solo i pesi vengono quantizzati (float32 → int8). Le attivazioni restano float32 a runtime. Nessun dataset di calibrazione richiesto. Riduzione dimensioni del 75%, latenza migliorata del 20-30%. Il punto di partenza consigliato.
  • Full Integer Quantization (int8): Pesi E attivazioni quantizzati in int8. Richiede un dataset di calibrazione rappresentativo (100-500 immagini). Riduzione dimensioni 75%, latenza migliorata del 50-70%. Necessario per hardware accelerato (Coral TPU).
  • Float16 Quantization: Pesi in float16. Principalmente utile per GPU. Su CPU ARM non porta vantaggi significativi rispetto a float32.
# convert_to_tflite.py
# Conversione modello Keras a TFLite con quantizzazione int8

import tensorflow as tf
import numpy as np
import json
from pathlib import Path
from setup_dataset import build_dataset, DATASET_ROOT

MODEL_DIR = Path("./models")
TFLITE_DIR = Path("./tflite_models")
TFLITE_DIR.mkdir(exist_ok=True)

# Numero di batch per calibrazione (100-500 immagini raccomandate)
N_CALIBRATION_BATCHES = 10
BATCH_SIZE_CALIB = 16


def get_representative_dataset():
    """
    Generatore per dataset di calibrazione int8.
    Deve coprire la distribuzione reale dei dati di input.
    """
    # Usa il validation set come dataset di calibrazione
    val_ds = build_dataset(DATASET_ROOT, "val", batch_size=BATCH_SIZE_CALIB)

    count = 0
    for images, _ in val_ds.take(N_CALIBRATION_BATCHES):
        for img in images:
            # Input deve essere float32 nel range [-1, 1] (gia normalizzato dal dataset)
            yield [tf.expand_dims(img, axis=0)]
        count += 1
        if count % 5 == 0:
            print(f"  Calibrazione batch {count}/{N_CALIBRATION_BATCHES}...")


def convert_float32(model_path: Path, output_path: Path) -> dict:
    """Conversione base senza quantizzazione (baseline)."""
    converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(
        tf.keras.models.load_model(str(model_path))
    )
    converter.optimizations = []  # Nessuna ottimizzazione
    tflite_model = converter.convert()

    output_path.write_bytes(tflite_model)
    size_mb = len(tflite_model) / (1024 * 1024)
    print(f"Float32 model: {size_mb:.2f} MB → {output_path}")
    return {"path": str(output_path), "size_mb": size_mb, "type": "float32"}


def convert_dynamic_range(model_path: Path, output_path: Path) -> dict:
    """Dynamic range quantization: pesi int8, attivazioni float32."""
    converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(
        tf.keras.models.load_model(str(model_path))
    )
    converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
    tflite_model = converter.convert()

    output_path.write_bytes(tflite_model)
    size_mb = len(tflite_model) / (1024 * 1024)
    print(f"Dynamic range model: {size_mb:.2f} MB → {output_path}")
    return {"path": str(output_path), "size_mb": size_mb, "type": "dynamic_range"}


def convert_int8_full(model_path: Path, output_path: Path) -> dict:
    """Full integer quantization: pesi E attivazioni in int8."""
    converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(
        tf.keras.models.load_model(str(model_path))
    )
    converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
    converter.representative_dataset = get_representative_dataset
    # Forza input/output in int8 per compatibilità con Coral TPU
    converter.target_spec.supported_ops = [tf.lite.OpsSet.TFLITE_BUILTINS_INT8]
    converter.inference_input_type = tf.uint8
    converter.inference_output_type = tf.uint8

    print("Quantizzazione int8 con dataset di calibrazione...")
    tflite_model = converter.convert()

    output_path.write_bytes(tflite_model)
    size_mb = len(tflite_model) / (1024 * 1024)
    print(f"Int8 full model: {size_mb:.2f} MB → {output_path}")
    return {"path": str(output_path), "size_mb": size_mb, "type": "int8_full"}


def benchmark_tflite_model(model_path: Path, test_images: np.ndarray, n_runs: int = 100) -> dict:
    """
    Benchmarka un modello TFLite: latenza media, p95, p99.
    """
    import time

    interpreter = tf.lite.Interpreter(model_path=str(model_path))
    interpreter.allocate_tensors()

    input_details = interpreter.get_input_details()
    output_details = interpreter.get_output_details()

    input_dtype = input_details[0]["dtype"]
    input_scale, input_zero_point = input_details[0].get("quantization", (1.0, 0))

    latencies = []
    for i in range(n_runs):
        img = test_images[i % len(test_images)]

        # Prepara input nel formato corretto per il modello
        if input_dtype == np.uint8:
            # Modello int8: converti da float [-1,1] a uint8 [0,255]
            img_input = ((img + 1.0) * 127.5).astype(np.uint8)
        else:
            img_input = img.astype(np.float32)

        img_input = np.expand_dims(img_input, axis=0)

        t_start = time.perf_counter()
        interpreter.set_tensor(input_details[0]["index"], img_input)
        interpreter.invoke()
        output = interpreter.get_tensor(output_details[0]["index"])
        t_end = time.perf_counter()

        latencies.append((t_end - t_start) * 1000)  # ms

    latencies_arr = np.array(latencies)
    return {
        "n_runs": n_runs,
        "mean_ms": float(np.mean(latencies_arr)),
        "std_ms": float(np.std(latencies_arr)),
        "p50_ms": float(np.percentile(latencies_arr, 50)),
        "p95_ms": float(np.percentile(latencies_arr, 95)),
        "p99_ms": float(np.percentile(latencies_arr, 99)),
        "min_ms": float(np.min(latencies_arr)),
        "max_ms": float(np.max(latencies_arr))
    }


if __name__ == "__main__":
    model_path = MODEL_DIR / "plantdisease_final.keras"

    print("=== Conversione modelli TFLite ===\n")

    # 1. Baseline float32
    r1 = convert_float32(model_path, TFLITE_DIR / "plant_disease_f32.tflite")

    # 2. Dynamic range
    r2 = convert_dynamic_range(model_path, TFLITE_DIR / "plant_disease_dynrange.tflite")

    # 3. Full int8 (per Coral TPU e massima performance su ARM)
    r3 = convert_int8_full(model_path, TFLITE_DIR / "plant_disease_int8.tflite")

    print("\n=== Riepilogo conversioni ===")
    for r in [r1, r2, r3]:
        print(f"  {r['type']:20s} → {r['size_mb']:.2f} MB")

    print("\nConversione completata. Modelli pronti per il deploy su Raspberry Pi.")

Deploy su Raspberry Pi 5: Setup Hardware e Software

Hardware Consigliato

Il Raspberry Pi 5 (lanciato ottobre 2023, aggiornato con versione da 16GB nel 2024) e la piattaforma edge raccomandata per questo use case. Rispetto al Pi 4, il processore Cortex-A76 a 2.4GHz offre prestazioni di inferenza TFLite quasi 5x superiori, grazie alle istruzioni dot-product ARM v8.2-A ottimizzate per operazioni int8.

Lista Hardware per Sistema Completo

Componente Modello Consigliato Costo Indicativo Note
SBC principale Raspberry Pi 5 (8GB) ~80 EUR Versione 8GB per headroom RAM
Alimentatore Official RPi 5 PSU 27W USB-C ~12 EUR Necessario per alimentazione stabile
Storage MicroSD A2 64GB (Samsung Pro Endurance) ~15 EUR A2 per migliore I/O random
Fotocamera Raspberry Pi Camera Module 3 (12MP) ~25 EUR Autofocus, CSI-2
Ottiche Lente 120° wide angle ~8 EUR Per acquisizione da drone o palo
Case RPi 5 Active Cooler + case IP65 ~20 EUR Protezione IP65 per uso outdoor
Rete 4G LTE HAT (Waveshare SIM7600G) ~45 EUR Per aree senza WiFi
Alimentazione campo Pannello solare 20W + batteria LiPo 10000mAh ~35 EUR Autonomia ~3 giorni senza sole
Totale sistema ~240 EUR Per installazione standalone in campo

Setup Software su Raspberry Pi OS

# Eseguire sul Raspberry Pi dopo aver installato Raspberry Pi OS 64-bit (Bookworm)

# 1. Aggiornamento sistema
sudo apt update && sudo apt full-upgrade -y

# 2. Dipendenze sistema
sudo apt install -y \
    python3-pip python3-venv python3-dev \
    libatlas-base-dev libjpeg-dev libopenjp2-7 \
    libcamera-dev python3-picamera2 \
    mosquitto mosquitto-clients \
    git vim htop

# 3. Crea virtual environment
python3 -m venv /home/pi/cropai-env
source /home/pi/cropai-env/bin/activate

# 4. Installa TFLite Runtime (versione ottimizzata per ARM64)
# TFLite Runtime e molto più leggero del TF completo (~1MB vs ~400MB)
pip install tflite-runtime

# Alternativa: installa TensorFlow completo (necessario solo per retraining locale)
# pip install tensorflow  # ~400MB, non consigliato per Pi se non necessario

# 5. Dipendenze progetto
pip install \
    numpy pillow opencv-python-headless \
    paho-mqtt \
    requests \
    RPi.GPIO  # per LED status indicator

# 6. Verifica installazione TFLite
python3 -c "import tflite_runtime.interpreter as tflite; print('TFLite OK')"

# 7. Verifica camera
libcamera-hello --timeout 2000

# 8. Test fps camera
libcamera-vid -t 5000 --framerate 30 -o /dev/null --nopreview

# Output atteso: ~30 FPS senza elaborazione

Pipeline Completa di Inferenza in Campo

Con il modello convertito e l'hardware configurato, e il momento di assemblare la pipeline completa: acquisizione immagine → preprocessing → inferenza TFLite → postprocessing → invio risultato via MQTT → dashboard. Questo e il cuore dell'applicazione in produzione.

# crop_disease_detector.py
# Pipeline completa: acquisizione → inferenza → MQTT su Raspberry Pi 5

import time
import json
import logging
import threading
from pathlib import Path
from datetime import datetime, timezone
from typing import Optional
import numpy as np

# TFLite Runtime (leggero, ottimizzato per ARM)
import tflite_runtime.interpreter as tflite

# Camera (Raspberry Pi Camera Module 3)
from picamera2 import Picamera2, Preview
from picamera2.encoders import JpegEncoder
from picamera2.outputs import FileOutput

# MQTT
import paho.mqtt.client as mqtt

# PIL per preprocessing
from PIL import Image

# ---- CONFIGURAZIONE ----
MODEL_PATH = Path("/home/pi/cropai/models/plant_disease_int8.tflite")
CLASS_NAMES_PATH = Path("/home/pi/cropai/models/class_names.json")
IMG_SIZE = (224, 224)

MQTT_BROKER = "192.168.1.100"  # IP del broker locale o cloud
MQTT_PORT = 1883
MQTT_TOPIC_RESULTS = "cropai/field01/sensor01/detection"
MQTT_TOPIC_STATUS = "cropai/field01/sensor01/status"
MQTT_QOS = 1

CAPTURE_INTERVAL_SEC = 30.0   # Cattura ogni 30 secondi
CONFIDENCE_THRESHOLD = 0.70   # Soglia minima per alert
DEVICE_ID = "CROPAI-FIELD01-S01"

# Setup logging
logging.basicConfig(
    level=logging.INFO,
    format="%(asctime)s [%(levelname)s] %(message)s",
    handlers=[
        logging.FileHandler("/home/pi/cropai/logs/detector.log"),
        logging.StreamHandler()
    ]
)
logger = logging.getLogger(__name__)


class TFLiteInferenceEngine:
    """Wrapper per inferenza TFLite con gestione input uint8/float32."""

    def __init__(self, model_path: Path, class_names: list):
        self.class_names = class_names

        # Inizializza interpreter con numero ottimale di thread
        # Su RPi 5 (4 core), 4 thread migliora latenza del ~30%
        self.interpreter = tflite.Interpreter(
            model_path=str(model_path),
            num_threads=4
        )
        self.interpreter.allocate_tensors()

        self.input_details = self.interpreter.get_input_details()
        self.output_details = self.interpreter.get_output_details()

        self.input_dtype = self.input_details[0]["dtype"]
        self.input_shape = self.input_details[0]["shape"]  # [1, 224, 224, 3]

        logger.info(f"Modello caricato: {model_path.name}")
        logger.info(f"Input shape: {self.input_shape}, dtype: {self.input_dtype}")
        logger.info(f"Classi: {len(self.class_names)}")

    def preprocess(self, image: Image.Image) -> np.ndarray:
        """
        Preprocessa l'immagine PIL per l'inferenza.
        Gestisce sia modelli float32 che uint8 (int8 quantizzato).
        """
        # Resize con alta qualità (LANCZOS per downscaling)
        img_resized = image.resize(IMG_SIZE, Image.LANCZOS)
        img_array = np.array(img_resized, dtype=np.float32)

        if self.input_dtype == np.uint8:
            # Modello int8: input uint8 in [0, 255]
            return np.expand_dims(img_array.astype(np.uint8), axis=0)
        else:
            # Modello float32: normalizzazione in [-1, 1]
            img_normalized = (img_array / 127.5) - 1.0
            return np.expand_dims(img_normalized, axis=0)

    def predict(self, image: Image.Image) -> dict:
        """
        Esegue inferenza e restituisce top-3 predizioni con confidenze.
        """
        t_start = time.perf_counter()

        input_data = self.preprocess(image)
        self.interpreter.set_tensor(self.input_details[0]["index"], input_data)
        self.interpreter.invoke()
        output_data = self.interpreter.get_tensor(self.output_details[0]["index"])

        t_end = time.perf_counter()
        latency_ms = (t_end - t_start) * 1000

        # Decodifica output (gestione uint8 per modelli quantizzati)
        if self.output_details[0]["dtype"] == np.uint8:
            scale, zero_point = self.output_details[0]["quantization"]
            probabilities = (output_data.flatten().astype(np.float32) - zero_point) * scale
        else:
            probabilities = output_data.flatten()

        # Top-3 predizioni
        top3_idx = np.argsort(probabilities)[::-1][:3]
        predictions = [
            {
                "class": self.class_names[idx],
                "confidence": float(probabilities[idx]),
                "rank": rank + 1
            }
            for rank, idx in enumerate(top3_idx)
        ]

        return {
            "predictions": predictions,
            "top1_class": predictions[0]["class"],
            "top1_confidence": predictions[0]["confidence"],
            "latency_ms": round(latency_ms, 2),
            "is_healthy": "healthy" in predictions[0]["class"].lower(),
            "alert": predictions[0]["confidence"] >= CONFIDENCE_THRESHOLD
                     and "healthy" not in predictions[0]["class"].lower()
        }


class CropDiseaseDetector:
    """
    Sistema completo: cattura immagini periodica, inferenza, invio MQTT.
    """

    def __init__(self):
        # Carica class names
        with open(CLASS_NAMES_PATH) as f:
            class_names = json.load(f)

        # Inizializza inference engine
        self.engine = TFLiteInferenceEngine(MODEL_PATH, class_names)

        # Inizializza camera
        self.camera = Picamera2()
        camera_config = self.camera.create_still_configuration(
            main={"size": (1920, 1080), "format": "RGB888"},
            lores={"size": (640, 480)},
            display="lores"
        )
        self.camera.configure(camera_config)
        self.camera.start()
        time.sleep(2)  # Warmup autofocus
        logger.info("Camera inizializzata")

        # Inizializza MQTT
        self.mqtt_client = mqtt.Client(
            client_id=DEVICE_ID,
            protocol=mqtt.MQTTv5
        )
        self.mqtt_client.on_connect = self._on_mqtt_connect
        self.mqtt_client.on_disconnect = self._on_mqtt_disconnect
        self.mqtt_connected = threading.Event()
        self._connect_mqtt()

        # Metriche sessione
        self.session_stats = {
            "total_captures": 0,
            "total_alerts": 0,
            "avg_latency_ms": 0.0,
            "start_time": datetime.now(timezone.utc).isoformat()
        }

    def _on_mqtt_connect(self, client, userdata, flags, rc, properties=None):
        if rc == 0:
            logger.info(f"MQTT connesso al broker {MQTT_BROKER}")
            self.mqtt_connected.set()
            # Pubblica status online
            self._publish_status("online")
        else:
            logger.error(f"MQTT connessione fallita: rc={rc}")

    def _on_mqtt_disconnect(self, client, userdata, rc, properties=None):
        logger.warning(f"MQTT disconnesso: rc={rc}. Reconnect automatico...")
        self.mqtt_connected.clear()

    def _connect_mqtt(self):
        try:
            self.mqtt_client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT, keepalive=60)
            self.mqtt_client.loop_start()
            # Attendi connessione (max 10s)
            connected = self.mqtt_connected.wait(timeout=10)
            if not connected:
                logger.warning("Timeout MQTT. Continuo in modalità offline.")
        except Exception as e:
            logger.warning(f"MQTT non disponibile: {e}. Modalità offline attiva.")

    def _publish_status(self, status: str):
        payload = {
            "device_id": DEVICE_ID,
            "status": status,
            "timestamp": datetime.now(timezone.utc).isoformat(),
            "session_stats": self.session_stats
        }
        try:
            self.mqtt_client.publish(
                MQTT_TOPIC_STATUS,
                json.dumps(payload),
                qos=1,
                retain=True  # Retained: dashboard vede sempre ultimo stato
            )
        except Exception as e:
            logger.debug(f"Publish status fallito: {e}")

    def capture_and_infer(self) -> Optional[dict]:
        """Cattura immagine e lancia inferenza."""
        try:
            # Cattura frame dalla camera
            frame = self.camera.capture_array("main")

            # Converti numpy array in PIL Image
            pil_image = Image.fromarray(frame)

            # Salva immagine per debug/audit (opzionale)
            timestamp_str = datetime.now().strftime("%Y%m%d_%H%M%S")
            img_path = Path(f"/home/pi/cropai/captures/{timestamp_str}.jpg")
            img_path.parent.mkdir(exist_ok=True)
            pil_image.save(str(img_path), quality=85)

            # Inferenza
            result = self.engine.predict(pil_image)
            result["device_id"] = DEVICE_ID
            result["timestamp"] = datetime.now(timezone.utc).isoformat()
            result["image_path"] = str(img_path)

            # Aggiorna statistiche sessione
            n = self.session_stats["total_captures"]
            self.session_stats["total_captures"] += 1
            self.session_stats["avg_latency_ms"] = (
                (self.session_stats["avg_latency_ms"] * n + result["latency_ms"]) / (n + 1)
            )
            if result["alert"]:
                self.session_stats["total_alerts"] += 1

            return result

        except Exception as e:
            logger.error(f"Errore cattura/inferenza: {e}", exc_info=True)
            return None

    def publish_result(self, result: dict):
        """Pubblica risultato su MQTT."""
        try:
            payload = json.dumps(result, ensure_ascii=False)
            qos = 2 if result.get("alert") else 1  # QoS 2 per alert critici
            self.mqtt_client.publish(MQTT_TOPIC_RESULTS, payload, qos=qos)

            if result["alert"]:
                logger.warning(
                    f"ALERT: {result['top1_class']} "
                    f"(conf: {result['top1_confidence']:.2%}) "
                    f"- latenza: {result['latency_ms']:.0f}ms"
                )
            else:
                logger.info(
                    f"OK: {result['top1_class']} "
                    f"(conf: {result['top1_confidence']:.2%}) "
                    f"- latenza: {result['latency_ms']:.0f}ms"
                )
        except Exception as e:
            logger.error(f"Errore publish MQTT: {e}")

    def run(self):
        """Loop principale di acquisizione e inferenza."""
        logger.info(f"Sistema avviato. Intervallo cattura: {CAPTURE_INTERVAL_SEC}s")
        logger.info(f"Soglia alert: {CONFIDENCE_THRESHOLD:.0%}")

        try:
            while True:
                t_loop_start = time.time()

                result = self.capture_and_infer()
                if result:
                    self.publish_result(result)

                # Pubblica stats ogni 10 catture
                if self.session_stats["total_captures"] % 10 == 0:
                    self._publish_status("online")

                # Rispetta intervallo configurato
                elapsed = time.time() - t_loop_start
                sleep_time = max(0, CAPTURE_INTERVAL_SEC - elapsed)
                time.sleep(sleep_time)

        except KeyboardInterrupt:
            logger.info("Interruzione manuale. Shutdown graceful...")
        finally:
            self._publish_status("offline")
            self.camera.stop()
            self.mqtt_client.loop_stop()
            self.mqtt_client.disconnect()
            logger.info("Sistema arrestato correttamente")


if __name__ == "__main__":
    detector = CropDiseaseDetector()
    detector.run()

Benchmark Hardware Edge: Confronto Piattaforme

La scelta della piattaforma hardware dipende da budget, performance richiesta, consumo energetico e complessità di integrazione. Di seguito un confronto aggiornato al 2024-2025 basato su benchmark pubblicati e misurazioni proprie su modelli di classificazione malattie.

Confronto Piattaforme Edge per ML Agricolo

Piattaforma CPU RAM Latenza MobileNetV3S int8 Consumo Costo Note
Raspberry Pi 4B (4GB) Cortex-A72 1.8GHz 4GB LPDDR4 ~320 ms ~6W ~55 EUR Baseline economico
Raspberry Pi 5 (8GB) Cortex-A76 2.4GHz 8GB LPDDR4X ~65 ms ~8W ~80 EUR Raccomandato
RPi 4 + Coral USB TPU Cortex-A72 + Edge TPU 4GB ~15 ms ~8W ~95 EUR Richiede modello int8 full
Google Coral Dev Board Cortex-A53 + Edge TPU 1GB ~12 ms ~4W ~120 EUR Solo TFLite + compilazione Coral
NVIDIA Jetson Nano (4GB) Cortex-A57 + 128 CUDA cores 4GB LPDDR4 ~8 ms ~10W ~149 USD Overkill per classificazione semplice
Arduino Portenta H7 Cortex-M7 480MHz 8MB SDRAM ~2000 ms ~0.5W ~100 EUR Solo modelli tiny (TFLite Micro)
Sipeed M1s Dock BL808 RV64 480MHz 768KB SRAM ~800 ms (micro) ~0.3W ~7 USD Ultra-low power, modelli tiny

Latenza misurata su modello MobileNetV3Small int8 (2.6MB) per singola immagine 224x224. Valori Pi 5 da benchmark Hackster.io 2024, Coral da benchmark Georgia Southern University 2024.

Thermal Throttling su Raspberry Pi 5

Il Raspberry Pi 5 senza raffreddamento attivo subisce throttling termico dopo 5-10 minuti di inferenza continua, con una riduzione delle performance del 20-30%. Per deployment in campo (temperature esterne fino a 40°C in estate), il raffreddamento attivo e obbligatorio. Il case ufficiale con Active Cooler mantiene la CPU sotto i 70°C anche con carico sostenuto.

Monitorare la temperatura con: vcgencmd measure_temp

Fitopatie Italiane: Target Prioritari per l'Edge ML

Il contesto agricolo italiano ha caratteristiche specifiche che guidano le scelte di deployment. L'Italia e il terzo produttore viticolo al mondo (dopo Francia e Spagna), il primo produttore di vino e olive dell'UE, e ha una delle più alte biodiversita colturali d'Europa. Le fitopatie più impattanti economicamente per l'agricoltura italiana sono:

Principali Fitopatie Italiane e Impatto Economico

Malattia Agente Colture Colpite Perdita Potenziale Finestra Trattamento
Peronospora della vite Plasmopara viticola Tutte le uve DOC/DOCG 20-100% produzione 48-72h dalla comparsa
Oidio della vite Erysiphe necator Vite, cucurbitacee 15-60% produzione 5-7 giorni
Ticchiolatura del melo Venturia inaequalis Melo, pero 30-80% produzione 3-5 giorni
Peronospora del pomodoro Phytophthora infestans Pomodoro, patata 50-100% produzione 24-48h
Botrytis (Muffa grigia) Botrytis cinerea Vite, fragola, pomodoro 10-40% produzione 7-10 giorni
Xylella fastidiosa Xylella fastidiosa Olivo (Puglia) Pianta intera Irrecuperabile

Per la peronospora della vite, la sfida maggiore e che PlantVillage non include immagini specifiche per i vitigni italiani DOC/DOCG (Sangiovese, Nebbiolo, Primitivo, Nero d'Avola). Questo rende necessario il domain adaptation: raccogliere un dataset integrativo di immagini reali dai vigneti italiani e fare fine-tuning del modello PlantVillage-pretrained sul dataset locale.

Fondi e Incentivi per l'Agricoltura Digitale Italiana

Il Piano Strategico PAC 2023-2027 (Politica Agricola Comune) destina fondi specifici alla digitalizzazione agricola attraverso gli Eco-schemi e gli interventi settoriali. L'intervento SRA22 ("Gestione del rischio") e SRA29 ("Agricoltura di precisione") prevedono premi per aziende che adottano sistemi di monitoraggio fitosanitario digitale. A livello nazionale, il PNRR attraverso la misura M2C4 ha allocato fondi per l'innovazione in agricoltura nell'ambito della transizione verde e digitale.

Per le PMI agricole (aziende con fatturato < 2M EUR), il costo di un sistema edge ML come quello descritto in questo articolo (~240 EUR di hardware + sviluppo) e ammortizzabile in una sola stagione se si considera che la rilevazione precoce della peronospora su un vigneto di 5 ettari può salvare una produzione del valore di 15.000-30.000 EUR.

Metriche di Performance e Monitoraggio

Un sistema di ML in produzione senza monitoring e un sistema destinato a degradare silenziosamente. Le metriche da tracciare si dividono in due categorie: metriche del modello (accuratezza) e metriche di sistema (latenza, uptime).

# metrics_collector.py
# Raccolta e invio metriche di sistema e modello via MQTT

import time
import json
import psutil
import subprocess
from datetime import datetime, timezone
from pathlib import Path

def get_cpu_temperature() -> float:
    """Legge temperatura CPU da vcgencmd (Raspberry Pi specifico)."""
    try:
        result = subprocess.run(
            ["vcgencmd", "measure_temp"],
            capture_output=True, text=True, timeout=2
        )
        # Output: "temp=48.5'C"
        temp_str = result.stdout.strip().replace("temp=", "").replace("'C", "")
        return float(temp_str)
    except Exception:
        return -1.0


def get_system_metrics() -> dict:
    """Raccoglie metriche hardware del Raspberry Pi."""
    cpu_freq = psutil.cpu_freq()
    mem = psutil.virtual_memory()
    disk = psutil.disk_usage("/")

    return {
        "timestamp": datetime.now(timezone.utc).isoformat(),
        "cpu_percent": psutil.cpu_percent(interval=1),
        "cpu_freq_mhz": cpu_freq.current if cpu_freq else 0,
        "cpu_temp_c": get_cpu_temperature(),
        "ram_used_mb": round(mem.used / 1024 / 1024, 1),
        "ram_total_mb": round(mem.total / 1024 / 1024, 1),
        "ram_percent": mem.percent,
        "disk_used_gb": round(disk.used / 1024 / 1024 / 1024, 2),
        "disk_free_gb": round(disk.free / 1024 / 1024 / 1024, 2),
        "uptime_hours": round(time.time() / 3600, 1)  # approssimato
    }


class PerformanceTracker:
    """
    Traccia accuracy in deployment tramite feedback umano.
    Quando un agronomo conferma/smentisce una detection, il dato
    viene usato per monitorare il data drift.
    """

    def __init__(self, log_path: Path = Path("/home/pi/cropai/metrics/detections.jsonl")):
        self.log_path = log_path
        self.log_path.parent.mkdir(exist_ok=True)
        self._confirmed = 0
        self._rejected = 0
        self._total = 0

    def log_detection(self, result: dict, human_confirmed: bool = None):
        """Registra una detection con eventuale conferma umana."""
        record = {
            "timestamp": result.get("timestamp"),
            "top1_class": result.get("top1_class"),
            "top1_confidence": result.get("top1_confidence"),
            "alert": result.get("alert"),
            "latency_ms": result.get("latency_ms"),
            "human_confirmed": human_confirmed
        }
        self._total += 1
        if human_confirmed is True:
            self._confirmed += 1
        elif human_confirmed is False:
            self._rejected += 1

        with open(self.log_path, "a") as f:
            f.write(json.dumps(record) + "\n")

    def get_field_precision(self) -> float:
        """Precision in-field basata su feedback umano."""
        labeled = self._confirmed + self._rejected
        if labeled == 0:
            return float("nan")
        return self._confirmed / labeled

    def get_summary(self) -> dict:
        return {
            "total_detections": self._total,
            "human_confirmed": self._confirmed,
            "human_rejected": self._rejected,
            "field_precision": self.get_field_precision(),
            "unlabeled": self._total - self._confirmed - self._rejected
        }

Best Practices e Anti-Pattern

Best Practices

Le 8 Regole d'Oro per l'Edge ML Agricolo

  1. Sempre quantizzare prima del deploy: La differenza tra float32 e int8 in termini di latenza su ARM e del 50-70%, con perdita di accuratezza sotto l'1%. Non c'è motivo per usare float32 in produzione su Pi 5.
  2. Calibrare con dati reali di campo: Il dataset PlantVillage e acquisito in laboratorio. Raccogliere almeno 500 immagini reali dal campo target (stesso vitigno, stessa luce, stesso angolo di ripresa) per la calibrazione int8 e per il fine-tuning. La differenza di accuratezza in-field può essere del 10-20% senza questo passaggio.
  3. Gestire il feedback loop: Implementare un meccanismo per cui gli agronomi possono confermare o correggere le detection. Ogni correzione e oro: diventa dato di training per il ciclo successivo.
  4. Monitorare la distribuzione degli input: Se il modello ha visto solo Sangiovese durante il training ma in produzione incontra Primitivo, l'accuracy crolla. Tracciare la distribuzione degli embedding di input per rilevare data drift.
  5. Pianificare l'aggiornamento OTA: I modelli devono essere aggiornabili senza accesso fisico al dispositivo. Implementare un meccanismo MQTT per download e swap del file .tflite con rollback automatico in caso di errore.
  6. Ridondanza e modalità offline: Il sistema deve funzionare correttamente anche senza connettivita. Usare un buffer locale (SQLite o file JSON) per le detection e sincronizzare quando la connessione ritorna.
  7. Calibrare la soglia di confidenza per la cultura: Una soglia del 70% per la peronospora (altamente distruttiva, trattamento economico) e diversa da una soglia per l'oidio (meno urgente, trattamento costoso). Adattare la threshold al costo asimmetrico di falsi positivi vs falsi negativi.
  8. Documentare il contesto di acquisizione: Ogni immagine deve essere metadatata con: ora del giorno, condizioni meteo, stadio fenologico, posizione GPS. Questi metadati sono fondamentali per il debug e per il training futuro.

Anti-Pattern da Evitare

I 5 Errori Più Comuni nei Progetti Edge ML Agricoli

  1. Assumere che PlantVillage = pronto per la produzione: Il dataset e acquisito in condizioni ideali (luce uniforme, sfondo bianco, foglie isolate). In campo, le immagini hanno ombre, sfondo verde, gocce d'acqua, insetti sovrapposti. Un modello addestrato solo su PlantVillage senza fine-tuning in-field ha tipicamente un'accuracy del 60-70% in campo reale, contro il 97% sul test set di laboratorio. Questo gap e noto come domain shift ed e il principale problema pratico.
  2. Ignorare il bilanciamento delle classi: PlantVillage ha classi molto sbilanciate (Tomato Late Blight: 1909 immagini; Cedar Apple Rust: 275 immagini). Senza class weighting o oversampling, il modello sarà biased verso le classi abbondanti. Usare class_weight in Keras fit() o WeightedRandomSampler.
  3. Usare il Pi come server web: Gestire richieste HTTP sincrone per l'inferenza su Pi e una scelta architetturale sbagliata. Il Pi deve essere un producer MQTT autonomo, non un server che aspetta richieste. La gestione delle connessioni e il parsing HTTP aggiungono overhead e complessità non necessaria.
  4. Non gestire le condizioni di luce estrema: Alle 12:00 in agosto in Puglia, la luce diretta satura le immagini e le foglie appaiono completamente bianche. All'alba con umidita alta, le foglie sono bagnate e riflettono diversamente. Implementare un controllo della qualità dell'immagine (luminosita media, saturazione) prima di lanciare l'inferenza, e scartare/ritentare le immagini fuori range.
  5. Quantizzare senza validare l'accuracy: La quantizzazione int8 full richiede un dataset di calibrazione rappresentativo. Usare un dataset di calibrazione troppo piccolo (meno di 100 immagini) o non rappresentativo può portare a una perdita di accuratezza del 3-5% invece dello 0.4% atteso. Sempre validare il modello quantizzato sul test set prima del deploy.

Aggiornamento del Modello Over-the-Air

Con decine o centinaia di dispositivi distribuiti in campo, aggiornare manualmente i modelli e impraticabile. Un sistema OTA (Over-the-Air) via MQTT permette di distribuire nuovi modelli senza accesso fisico ai dispositivi.

# model_ota_updater.py
# Aggiornamento OTA del modello TFLite via MQTT

import json
import hashlib
import logging
import threading
import tempfile
import shutil
from pathlib import Path
import urllib.request
import paho.mqtt.client as mqtt

logger = logging.getLogger(__name__)

MODEL_PATH = Path("/home/pi/cropai/models/plant_disease_int8.tflite")
MODEL_BACKUP_PATH = Path("/home/pi/cropai/models/plant_disease_int8.tflite.bak")
MQTT_TOPIC_OTA = "cropai/ota/commands"
DEVICE_ID = "CROPAI-FIELD01-S01"


class OTAUpdater:
    """
    Ascolta comandi OTA via MQTT e aggiorna il modello TFLite.
    Formato comando MQTT:
    {
        "command": "update_model",
        "model_url": "https://...",
        "sha256": "abc123...",
        "version": "2.1.0",
        "target_devices": ["CROPAI-FIELD01-S01", "CROPAI-FIELD02-S01"]
    }
    """

    def __init__(self, mqtt_client: mqtt.Client, reload_callback):
        self.mqtt_client = mqtt_client
        self.reload_callback = reload_callback  # Funzione chiamata dopo update
        self._lock = threading.Lock()

        # Sottoscrivi al topic OTA
        mqtt_client.subscribe(MQTT_TOPIC_OTA, qos=2)
        mqtt_client.message_callback_add(MQTT_TOPIC_OTA, self._on_ota_command)
        logger.info(f"OTA updater attivo. Topic: {MQTT_TOPIC_OTA}")

    def _on_ota_command(self, client, userdata, message):
        """Handler per comandi OTA."""
        try:
            command = json.loads(message.payload.decode())

            # Verifica che il comando sia per questo device
            target_devices = command.get("target_devices", [])
            if target_devices and DEVICE_ID not in target_devices:
                return

            if command.get("command") == "update_model":
                # Esegui update in thread separato (non bloccare il loop MQTT)
                threading.Thread(
                    target=self._do_update,
                    args=(command,),
                    daemon=True
                ).start()

        except Exception as e:
            logger.error(f"Errore parsing comando OTA: {e}")

    def _do_update(self, command: dict):
        """Esegue il download e swap del modello."""
        with self._lock:
            model_url = command["model_url"]
            expected_sha256 = command["sha256"]
            version = command.get("version", "unknown")

            logger.info(f"OTA update avviato. Versione: {version}")

            try:
                # Download in file temporaneo
                with tempfile.NamedTemporaryFile(suffix=".tflite", delete=False) as tmp:
                    tmp_path = Path(tmp.name)
                    logger.info(f"Download da {model_url}...")
                    urllib.request.urlretrieve(model_url, str(tmp_path))

                # Verifica integrità SHA256
                sha256 = hashlib.sha256(tmp_path.read_bytes()).hexdigest()
                if sha256 != expected_sha256:
                    logger.error(f"SHA256 mismatch! Atteso: {expected_sha256}, Ottenuto: {sha256}")
                    tmp_path.unlink()
                    return

                logger.info("SHA256 verificato. Backup modello corrente...")

                # Backup modello corrente
                if MODEL_PATH.exists():
                    shutil.copy2(MODEL_PATH, MODEL_BACKUP_PATH)

                # Swap atomico
                shutil.move(str(tmp_path), str(MODEL_PATH))
                logger.info(f"Modello aggiornato a versione {version}")

                # Ricarica modello nel detector
                if self.reload_callback:
                    self.reload_callback(MODEL_PATH)
                    logger.info("Modello ricaricato con successo")

            except Exception as e:
                logger.error(f"OTA update fallito: {e}. Rollback...")
                # Rollback al backup
                if MODEL_BACKUP_PATH.exists():
                    shutil.copy2(MODEL_BACKUP_PATH, MODEL_PATH)
                    logger.info("Rollback completato")
                if "tmp_path" in locals() and tmp_path.exists():
                    tmp_path.unlink()

Conclusioni e Prossimi Passi

Abbiamo costruito un sistema completo di rilevamento malattie delle colture basato su Edge ML: dal training del modello MobileNetV3Small su PlantVillage con fine-tuning, alla conversione TFLite con quantizzazione int8, al deploy su Raspberry Pi 5 con pipeline Python integrata per cattura, inferenza e invio MQTT. Il sistema raggiunge latenze di 65ms per inferenza, consuma meno di 8W di potenza totale e funziona completamente offline.

I numeri che contano davvero per l'imprenditore agricolo sono diversi: le perdite da malattie delle colture costano 220 miliardi di dollari globalmente ogni anno (FAO), e la detection precoce può ridurre le perdite del 60-80% con trattamenti tempestivi. Un sistema come quello descritto costa meno di 250 EUR di hardware, e ammortizzabile in una sola stagione su qualsiasi coltura di valore. Il mercato dell'AI in agricoltura e atteso crescere da 5.9 miliardi USD nel 2025 a 61.3 miliardi nel 2035, con un CAGR del 26.3%.

Il gap più grande da colmare resta quello del domain shift: PlantVillage non e sufficiente da solo per il deployment in-field. La priorità per chi vuole mettere in produzione questo sistema e raccogliere immagini reali dalle proprie colture, etichettarle con un agronomo di fiducia, e fare fine-tuning. Anche 500 immagini reali, usate correttamente, possono fare la differenza tra un sistema con 97% di accuracy in laboratorio e 65% in campo, vs un sistema con 95% stabile in entrambi i contesti.

Riepilogo: Stack Tecnologico Completo

Layer Tecnologia Versione 2025
TrainingTensorFlow / KerasTF 2.17+
DatasetPlantVillage (Kaggle/HuggingFace)54.309 immagini
ArchitetturaMobileNetV3SmallTransfer learning ImageNet
Formato deployTensorFlow Lite (.tflite)int8 quantizzato
HardwareRaspberry Pi 5 (8GB)ARM Cortex-A76
CameraCamera Module 3 (12MP)Picamera2 + libcamera
MessaggisticaMQTT (paho-mqtt)Eclipse Mosquitto 2.x
AlimentazioneSolare + LiPoAutonomia 3+ giorni
OTAMQTT + SHA256 verifyDeploy zero-touch

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Risorse e Riferimenti

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