IoT: Network locali e protocolli di comunicazione

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Uno degli elementi fondamenti delle architetture IoT è il network, cioè la componente che si occupa del trasporto dei dati dai sensori al database centrale.

Infatti, uno dei primi passi per costruire una rete IoT efficace consiste nel comprendere e decidere come i vari elementi comunichino tra loro e con il resto del mondo. Nella maggior parte delle situazioni non esiste un approccio unico per collegare le diverse componenti. Tuttavia, i network possono essere generalmente classificati in tre macro-categorie. I network possono seguire logiche di connessione wired (cioè utilizzando cablaggi), wireless (con comunicazione senza fili) oppure possono costituirsi come sistemi ibridi (caratterizzati dalla coesistenza di componenti collegate in maniera sia wired sia wireless).

 

Network IoT: Quale approccio è meglio adottare?

La scelta dell’approccio non è sempre intuitiva e immediata. Infatti, i devices IoT hanno caratteristiche e funzionalità talmente differenti (pensiamo ai sensori per le smart cities in confronto ai sensori wearable) che non esiste un approccio univoco. La decisione dipende, in larga parte, anche dalle esigenze degli utilizzatori e dalla dimensione della rete. 

Ad esempio, nel contesto di una rete domestica intelligente (BAN), le reti personali (PAN) e le reti locali (LAN) sono quelle più comunemente utilizzate perché le loro dimensioni ridotte sono sufficienti per soddisfare i requisiti di comunicazioni relativi a un’area relativamente ristretta, come quella di un’abitazione. Differenti sono le necessità per le grandi entità, come le industrie, le quali hanno bisogno che molti sensori e attuatori siano connessi contemporaneamente in un’area di ampie dimensioni. In questo caso, la tecnologia wireless si prospetta probabilmente come la soluzione più adatta. 

Data la grande varietà di scelta, è necessario avere un quadro ben chiaro degli aspetti positivi e delle criticità legate a ogni approccio.

La tecnologia wired

L’approccio wired si caratterizza per trasmettere le informazioni tramite cavi. I principali punti di forza di un network wired sono illustrati nel seguente elenco [1]:

  • La sicurezza. Dato che i devices sono fisicamente collegati tramite cavi, manomissioni e intromissioni dall’esterno sono estremamente difficili e rare.
  • La distanza. Le trasmissioni possono avvenire a distanze molto più elevate rispetto a quelle dei più comuni protocolli wireless (come il Wi-Fi). Inoltre, la trasmissione non è in alcun modo compromessa dalla presenza di interferenze e ostacoli.
  • La semplicità. La connessione del dispositivo al network è semplice e immediata poiché è necessario unicamente connettere il device al cavo predisposto.
  • L’affidabilità. La trasmissione attraverso i cavi è solida e costante nel tempo. Non sono per nulla avvertiti gli effetti di interferenze esterne.
  • La velocità. La velocità di trasmissione teorica dell’Ethernet può raggiungere i 100 Gbps, contro l’1,3 Gbps del Wi-Fi.

La scelta di un approccio wired per la costruzione di un network IoT deve essere analizzata anche in relazione ai punti di debolezza.

  • La mobilità. I devices non possono essere spostati in maniera semplice. Una modifica della posizione comporta un’estensione del cavo o la definizione di un nuovo cablaggio. 
  • L’espansione. L’estensione della copertura del network non è immediata e può richiedere anche l’inserimento di ulteriori connessioni fisiche.
  • Il costo. Le connessioni tramite cavi sono generalmente più costose rispetto alle reti wireless, poiché ai costi dei singoli devices vanno aggiunti quelli dei cavi e della manodopera. Inoltre, in caso di danneggiamenti, le sostituzioni sono complesse e richiedono tempo.
  • La complessità. L’installazione richiede l’intervento di personale specializzato. Inoltre, la posa dei cavi dovrebbe avvenire durante la fase di costruzione dell’edificio, al fine di integrare i cablaggi all’interno delle pareti ed evitare soluzioni esteticamente sgradevoli (in particolar modo, nel caso di smart homes).
  • La potenza. Nella maggior parte delle situazioni, le reti wired necessitano di essere collegate a una fonte di energia per poter funzionare e nel caso di una perdita di tensione, il network potrebbe non essere in grado di funzionare mediante il supporto di una batteria (al contrario di una rete wireless).

I protocolli di comunicazione wired

Esistono differenti protocolli di comunicazione per collegare tramite cablaggi gli elementi di una rete wired.

Il più conosciuto e utilizzato è l’Ethernet.

Questa tecnologia è molto solida e ampiamente testata, in quanto risale alla metà degli anni ’70. Ogni scheda di rete Ethernet ha un unico codice che la identifica (il MAC address), costituito da 48 numeri binari. Il suo utilizzo è molto efficiente negli edifici perché la trasmissione delle informazioni avviene fluidamente, indipendentemente dai piani e dalla presenza di ostacoli.

Lo standard X10 [2] è un protocollo industriale aperto e internazionale che viene ampiamente adottato in ambito domotico. È molto popolare perché è ben consolidato (risale al 1975), economico e presente in moltissime componenti (anche nuove).

Basato sullo standard X10, nel 1999 viene rilasciato l’Universal Powerline Bus (UPB). Questo protocollo, migliorato nell’affidabilità e nella velocità di trasmissione, si propone per applicazioni nelle smart homes.

Un protocollo molto diffuso nei settori dell’automazione degli edifici e delle reti di controllo è il BACnet [3].

Esso è stato sviluppato dalla società ASHRAE (l’American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) per favorire l’interoperabilità fra gli elementi dei sistemi per il Building Management System (BMS) prodotti da fabbricanti diversi. Infatti, il BACnet è un protocollo di interscambio aperto, neutrale, non proprietario e senza diritti di utilizzo.

Altri protocolli sviluppati per essere applicati nel settore dell’automazione in ambito residenziale sono INSTEON [4] e KNX [5].

La tecnologia wireless

L’approccio wireless ha la caratteristica di trasmettere i dati e le informazioni senza l’ausilio di connessioni fisiche ma sfruttando, solitamente, onde radio a bassa frequenza. 

La tecnologia wireless ha avuto una diffusione ampia e veloce perché i vantaggi che offre sono considerevoli. I principali punti di forza di un network wireless sono elencati di seguito [1]:

  • La mobilità. È la caratteristica principale che ha favorito la diffusione del wireless. Infatti, l’assenza dei cavi permette sia di modificare la posizione fisica dei devices senza perdere la connessione sia di muovere i devices tra reti differenti senza eccessive difficoltà.
  • La flessibilità. La creazione di network wireless è estremamente semplice e intuitiva. Questa caratteristica permette di agganciare nuovi sensori in modo relativamente immediato.
  • La scalabilità. Le reti wireless possono essere scalate sia verso l’alto che verso il basso (cioè ampliate o ridotte) in maniera molto semplice e a bassissimo (o nullo) costo. Infatti, l’inserimento di nuovi sensori e attuatori, in periodi successivi alla creazione del network originale, è molto intuitivo. Il numero massimo di devices supportati dalla specifica rete è l’unico vincolo che deve essere rispettato quando si progetta un’espansione del network.
  • I costi ridotti. La realizzazione di una rete wireless è molto semplice e nella maggior parte dei casi non richiede l’intervento di personale specializzato. Di conseguenza, i costi si limitano a quelli relativi ai soli oggetti fisici.

I punti di forza dei network wireless sono molteplici ma esistono anche alcune criticità legate a questo approccio.

  • La sicurezza. Sebbene esistano molti meccanismi per rendere i networks e lo scambio dati sicuri, in una rete wireless le informazioni viaggiano mediante segnali elettromagnetici. Di conseguenza, sono più soggette ad intercettazioni e ad eventuali decrittazioni. Queste problematiche sono rare e insorgono soprattutto quando la rete non è protetta e configurata in modo adeguato.
  • Le interferenze. Le reti wireless possono essere soggette a interferenze provenienti dall’esterno (per es. le microonde viaggiano nella stessa banda utilizzata dalle reti wireless LAN). Questi disturbi possono peggiorare la qualità e l’affidabilità delle comunicazioni. 
  • La copertura. L’area di pertinenza di un network wireless può subire delle riduzioni a causa di ostacoli (come muri o mobili) o all’impropria posizione dei devices. Questa limitazione può causare una perdita di informazioni o comandi tra i devices e il gateway.
  • La velocità. La velocità di trasmissione dei dati è inferiore se comparata a quella delle reti wired (ad es. l’Ethernet) ma, generalmente, è più che sufficiente per soddisfare le necessità di applicazioni a scale ridotte (come nell’ambito di una smart home).

Dato l’utilizzo sempre più diffuso nei network wireless, gli sviluppatori si stanno muovendo per limitare (o sanare completamente) questi punti di debolezza. In particolare, l’ottimizzazione di alcuni protocolli di comunicazione mira a incrementare la sicurezza e la velocità delle reti wireless.

I protocolli di comunicazione wireless

Per quanto riguarda i protocolli di comunicazione, esistono numerose possibilità. Di seguito si illustrano brevemente i protocolli maggiormente utilizzati nell’ambito di network wireless.

Uno dei protocolli più conosciuti e utilizzati è quello Wi-Fi [6]. In ambiente residenziale (e non solo), la maggior parte delle abitazioni provvista di connessione a Internet ha un router Wi-Fi. Lo standard Wi-Fi più frequente (cioè l’IEEE 802.11n) è adeguato per la trasmissione di file ma richiede molta potenza e quindi non si propone come soluzione ideale per molte applicazioni IoT (come i dispositivi a batteria).

La tecnologia Bluetooth [7] è un protocollo di comunicazione a corto raggio e si adatta molto bene al collegamento di sensori IoT. Inizialmente, il Bluetooth era stato sviluppato per applicazioni con scambi di dati continui nel tempo ma questo richiedeva un notevole uso di batteria. Per sopperire a questo limite, nel 2011 è stato introdotto il protocollo Bluetooth Low Energy (BLE), noto anche come Bluetooth Smart, che riduce sensibilmente i consumi dei dispositivi. Attivando la connessione solo quando necessaria e mantenendo la modalità sleep nel tempo restante, una piccola batteria può funzionare anche per 4 o 5 anni.

Tuttavia, il BLE è stato predisposto per trasmettere piccoli volumi di dati; quindi la sua applicazione è adatta specialmente per il collegamento di devices IoT wearable tramite smartphone (come lo Smartwatch).

Similmente al BLE, molti altri protocolli stanno proponendo soluzioni Low-power. Si tratta di soluzioni a bassa energia e a basso costo che sono in grado di supportare la creazione di networks di devices intelligenti molto ampi. Uno degli esempi più famosi è quello fornito dalla tecnologia EnOcean [8] che permette trasmissioni fino a 30 metri all’interno degli edifici e fino a 300 metri in esterno.

In questo ambito, lo Zigbee [9] è un protocollo aperto che viene ampiamente utilizzato in ambito di controllo e automazione degli edifici (come i termostati smart). Le applicazioni IoT traggono vantaggio dalle caratteristiche di questo protocollo; come i bassi consumi (quindi una buona durata della batteria), l’elevata sicurezza e l’ottima scalabilità. Tuttavia, la velocità di trasmissione dati è piuttosto ridotta, come anche il raggio d’azione. Affine al protocollo Zigbee, vi è lo Z-Wave [10].  A corto raggio e a bassa potenza, è spesso utilizzato nell’ambito della domotica e delle applicazioni smart.

Gli standard precedentemente descritti sono generalmente adatti per network IoT locali, invece per il controllo remoto di grandi quantità di dispositivi e la trasmissione dei dati tramite Internet, il protocollo IPv6 si presenta come una scelta consona. L’IPv6 può supportare un elevatissimo numero di dispositivi IoT (per la precisione, 2128 indirizzi differenti), ha un’ottima scalabilità e buoni livelli di sicurezza. L’IPv6, però, necessitando di considerevole potenza di calcolo non si configura come soluzione ideale per i dispositivi IoT che hanno limitata potenza di calcolo, ridotte capacità computazionali e ideati per trasmettere solo piccole quantità di dati.

Un protocollo adeguato ai dispositivi low-power si trova nella tecnologia 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks). Il 6LoWPAN si propone come una versione compressa dell’IPv6, in quanto abbrevia la dimensione dell'indirizzo IP per i dispositivi permettendo comunque ai router di tradurli in normali indirizzi IPv6.

Questo protocollo configura una rete a bassa potenza, nella quale ogni dispositivo IoT ha il suo indirizzo IPv6 e può collegarsi a Internet mediante standard aperti. Il 6LoWPAN è molto adatto a dispositivi con consumi molto bassi e con prestazioni di calcolo limitate, come i dispositivi domotici. Questo protocollo di comunicazione è ancora relativamente poco diffuso ma le sue caratteristiche fanno pensare che potrà essere una valida alternativa nell’ambito di applicazioni a basso consumo e con bassi volumi di dati [11].

Per quanto riguarda le soluzioni low-power ma a lungo raggio, una recente soluzione è il protocollo LoRa [12]. Il punto di forza di questa tecnologia, a parte i ridotti consumi di energia, è la distanza di trasmissione dei dati, che può raggiungere i 30 km in ambiente rurale e i 2 km nei contesti urbani. Date queste caratteristiche, il protocollo LoRa è molto utilizzato per applicazioni che richiedono la copertura di grandi distanze, quali le smart manufacturing e le smart cities.

Nella seguente tabella (Tabella 1) si riassumono le principali caratteristiche dei protocolli di comunicazioni wireless precedentemente descritti.

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Approccio ibrido

È evidente che sia l’approccio wired che quello wireless sono caratterizzati da aspetti vantaggiosi ma hanno entrambi alcune criticità. L’idea che sta prendendo maggiormente piede è quella di creare network ibridi, che integrino porzioni di rete wired e wireless, per poter massimizzare i vantaggi di entrambi gli approcci. Ad esempio, sistemi ibridi costituiti da dispositivi basati sul protocollo X-10 e collegati con prodotti wireless (ad es. Z-Wave o Zigbee) sono popolari.

Sfide future

Con il veloce sviluppo della tecnologia IoT e la rapida diffusione di differenti tipologie di devices, le architetture future dovranno integrare le necessità delle diverse applicazioni e permettere che le integrazioni avvengano con soluzione di continuità. I nuovi network mirano soprattutto ad incrementare la velocità di trasmissione (i networks 5G possono consegnare da 1000 a 5000 volte più capacità di quelli 3G e 4G) e a ridurre la latenza delle comunicazioni (significa che i dati impiegano 1-10 millisecondi per andare dal punto di partenza a quello di arrivo). Inoltre, si punta anche ad aumentare il livello di programmabilità, in modo che gli operatori possano fare modifiche al network virtualmente, senza interagire con l’infrastruttura fisica [13].

Riferimenti

[1] D. Mocrii, Y. Chen, and P. Musilek, “IoT-based smart homes: A review of system architecture, software, communications, privacy and security,” Internet of Things, vol. 1–2, pp. 81–98, Sep. 2018.

[2] “X10 Home Gadgets since 1978.” [Online]. Available

[3] “BACnet.” [Online]. Available.

[4] “Insteon.” [Online]. Available

[5] “KNX.” [Online]. Available

[6] “Wi-Fi.” [Online]. Available

[7] “Bluetooth.” [Online]. Available

[8] “EnOcean.” [Online]. Available

[9] “Zigbee Alliance.” [Online]. Available

[10] “Z-Wave.” [Online]. Available

[11] A. Baig, “IPv6 for IoT Networks,” Coll. Comput. Inf. Syst.

[12] “LoRa.” [Online]. Available

[13] O. Vermesan and P. Friess, Internet of Things – From Research and Innovation to Market Deployment. Aalborg: River Publishers, 2014.


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