Protocolli wireless per la domotica

Dato che Internet delle Cose inizia a diffondersi nella nostra realtà sia personale che professionale, le nostre case sono tra i primi luoghi ad esserne interessati. L’ubiquità delle reti wireless, degli smartphone e della connettività Cloud offre ricche opportunità per i produttori di dispositivi affinché le nostre case acquisiscano valore aggiunto grazie all’utilizzo di apparecchiature domestiche connesse più intelligenti. Le opportunità, tuttavia, creano anche competizione, quindi nel mondo della domotica wireless esiste un’incredibile quantità di protocolli in concorrenza tra di loro. Ma al di là di una tale confusione c’è del metodo in questa follia; non esiste a tutt’oggi un solo protocollo che possa ritenersi ottimale per qualsiasi tipo di utilizzo, ma molti di questi protocolli offrono prestazioni eccellenti per determinate applicazioni nell’ambito IoT. Daremo qui un’occhiata ai protocolli wireless migliori, utilizzati oggi negli impianti di domotica intelligenti, e guarderemo anche a un nuovo sistema standard promettente, nella speranza che un giorno possa unirli tutti insieme.

Z-Wave

Con oltre mille dispositivi e ben più di cento aziende che realizzano prodotti compatibili, Z-Wave è attualmente il protocollo wireless più conosciuto nel mondo della domotica e non accenna a rallentare il passo. Si tratta di un protocollo wireless proprietario progettato per le esigenze di bassa potenza e bassa larghezza di banda relativamente all’Internet delle Cose. Z-Wave utilizza lo standard fisico radio Ieee 802.15.4 come anche il sistema di reti mesh, al fine di incrementare il range operativo e migliorare il livello di robustezza della rete. Diversamente da Bluetooth e da ZigBee, che operano nella banda dei 2,4 GHz, Z-Wave opera a 868 MHz in Europa e a 915 MHz nel Nord America. Il funzionamento alle frequenze sub-1GHz consente a Z-Wave di avere un segnale robusto e resistente al Bluetooth e alle reti Wi-Fi. La bassa frequenza permette a Z-Wave di funzionare con un range superiore e quindi di essere tre volte più potente di ZigBee. La topologia della rete Z-Wave è una struttura a maglie in cui ciascun nodo funge da ripetitore, incrementando in tal modo il range operativo e consentendo alla rete di continuare a operare anche nel caso in cui un nodo venga meno. Ciascuna rete Z-Wave presenta almeno un controller, tipicamente un hub connesso tramite Wi-Fi che impartisce comandi in rete e che spesso opera come gateway per Internet.Trattandosi di un protocollo proprietario, tutti i produttori di dispositivi Z-Wave devono necessariamente utilizzare uno dei chip SoC, la cui licenza è stata concessa da Sigma Designs. L’approccio SoC consente di implementare gran parte degli sviluppi progettuali sul chip radio senza la necessità di usare Mcu esterne, semplificando così lo sviluppo a livello hardware. Lo sviluppo del software avviene tramite un Sdk standard messo a disposizione da Sigma. Le ultime 500 serie di Z-Wave SoC offrono un range superiore fino a 150 m, il 50 % di durata in più delle batterie e il 250 % in più di larghezza di banda, ma mantengono allo stesso tempo la compatibilità con tutti i dispositivi Z-Wave della generazione precedente. In seguito alla fase di sviluppo, i prodotti devono essere sottoposti a certificazione prima di potervi applicare il logo Z-Wave. Il sistema chiuso implica prezzi leggermente più alti, ma permette anche una facile interoperabilità tra i prodotti Z-Wave. I segnali di Z-Wave, robusti e privi di interferenze, e l’interoperabilità di livello superiore con più di mille altri prodotti Z-Wave presenti sul mercato incoraggiano una scelta a favore dei dispositivi IoT nel campo della domotica.

ZigBee

In quanto standard aperto realizzato nel 2005 e che utilizza lo strato fisico Ieee 802.15.4, ZigBee è stato il primo protocollo wireless più importante progettato per l’IoT. Come Z-Wave, funziona a bassa potenza e con reti mesh. Nonostante siano previsti per funzionare fino a 100 metri all’aria aperta, i dispositivi ZigBee raggiungono spesso una portata inferiore, poiché il sistema radio è configurato per l’efficienza energetica e non per il range operativo. Tuttavia, la rete mesh di ZigBee consente l’utilizzo su reti ampie che possono arrivare a un range superiore rispetto a un singolo dispositivo ZigBee. La struttura a maglie permette alla rete di funzionare oltre la linea di vista, dietro gli angoli, oltre gli ostacoli o su diversi livelli di un edificio. Il futuro di ZigBee è incerto. La sua efficienza energetica è stata sorpassata dal Bluetooth Low Energy e da diversi protocolli nuovi o imminenti, tra cui una nuova versione del Ble, il quale anch’esso funziona con la rete mesh. I moduli ZigBee qualificati ed economici disponibili hanno mantenuto finora la loro popolarità e costituiscono una scelta ragionevole per i progetti IoT a rete chiusa, ma dato il loro basso livello di interoperabilità è difficile considerarli in futuro come uno dei protocolli più importanti per la domotica.

Thread

Lanciato nel 2015, Thread è un protocollo IP wireless molto promettente per la domotica, creato da Google Nest in collaborazione con Samsung, Freescale e Arm, che mira a unire i prodotti della domotica in un solo protocollo d’avanguardia capace di operare su un hardware già esistente. Diversamente da Z-Wave e ZigBee, i dispositivi Thread sono intrinsecamente indirizzabili tramite IP utilizzando 6LowPan sullo strato di rete, allo scopo di assegnare a ciascun dispositivo Thread il proprio indirizzo IPv6. Questo consente di collegare con molta facilità le reti Thread a Internet e semplifica l’integrazione con le applicazioni Cloud. Invece di introdurre un nuovo strato fisico, Thread utilizza 802.15.4 come ZigBee e Z-Wave. I moduli radio Thread sono già presenti sul mercato e numerosi moduli radio ZigBee esistenti possono essere anche aggiornati per poter supportare Thread. Oltre a facilitare la realizzazione di nuovi dispositivi Thread, ciò consente ad alcuni prodotti ZigBee attuali di supportare facilmente Thread. Thread supporta il sistema di messaggistica breve e i dispositivi “sonnolenti” per ridurre al minimo il consumo di energia. Come ZigBee e Z-Wave, Thread supporta le reti mesh a favore di architetture di rete robuste. Un aspetto importante da considerare: il Thread stack definisce gli strati fisici e di rete, ma lascia indefinito il livello delle applicazioni. Finora, Thread viene utilizzato come livello di rete nativo soltanto da Nest Weave. La ZigBee Cluster Library ha anche dichiarato la compatibilità con il nuovo protocollo, il che significa che le applicazioni progettate per Zcl possono ora operare sulle reti Thread. Pur trattandosi di un protocollo nuovissimo, Thread non è stato ancora adottato come Z-Wave, ma presenta comunque uno sviluppo progettuale ben studiato e indirizzabile tramite Ip, un forte sostegno a livello industriale e la capacità di lavorare sui componenti hardware esistenti; molto gioca a suo favore ed è un protocollo che i costruttori di oggi dei dispositivi IoT devono considerare di supportare.

Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy, entrato in scena nel 2010, è parte integrante della specificazione Bluetooth 4.0. Con il Bluetooth integrato nei sistemi operativi Android e iOS, il supporto al Ble è già integrato negli smartphone odierni, rendendolo un protocollo interessante per i dispositivi dei clienti, tra cui la domotica. Mentre ai dispositivi che fanno uso di altri protocolli IoT (anche Thread) è necessario accedere tramite un gateway, ai dispositivi Ble si può accedere direttamente da smartphone o tablet. Diversamente dal Bluetooth tradizionale, progettato per il flusso di dati, Bluetooth Low Energy è ottimizzato per la comunicazione a bassa larghezza di banda, non frequente e a impulsi. Pertanto si presta bene per la trasmissione delle informazioni dei sensori e del controllo. Il Ble può essere molto efficiente dal punto di vista energetico; i sensori Ble wireless ottimizzati per l’efficienza permettono di raggiungere cicli di batteria dell’ordine di settimane, mesi o anche anni. La topologia Ble più nota è il tipo di connessione master-slave. In una topologia master-slave, un dispositivo Ble master può connettersi a slave multipli, ma un solo slave riesce a connettersi a un solo master. Questa topologia è molto adatta per reti asimmetriche di piccole dimensioni, come uno smartphone e le relative periferiche, un’automobile e i relativi componenti elettronici, o un computer industriale e i sensori delle attrezzature vicine. La topologia master-slave è meno adatta per la connessione di una grande quantità di dispositivi in una rete in area locale. Oltre alle connessioni master-slave, i dispositivi Bluetooth Low Energy possono comunicare anche mediante trasmissione dei dati a dispositivi vicini. In questo modo, un dispositivo Ble trasmette a un numero illimitato di dispositivi in ascolto. Per esempio, un termostato potrebbe servirsi di questa modalità per trasmettere le informazioni sulla temperatura a intervalli regolari. Trattandosi di un protocollo molto conosciuto, i chip Ble sono scesi nel prezzo e sono quindi molto abbordabili. Molti chip Ble hanno un design SoC con un processore applicativo integrato, consentendo un’integrazione semplice e a basso costo di dispositivi e sensori IoT efficienti a livello di potenza. L’ubiquità del Bluetooth Low Energy negli smartphone lo rende perfetto per i dispositivi di domotica e la sua efficienza energetica lo rende anche interessante per la comunicazione M2M. Utilizza il salto di frequenza adattativo per evitare interferenze, così da poter coesistere con altri protocolli come Wi-Fi; si consideri tuttavia che il Ble non è un protocollo con rete mesh, quindi il range dipende dalla potenza radio e dagli ostacoli ambientali.

Wi-Fi

Il Wi-Fi, rispetto ad altri protocolli, non è mai stato concepito per la domotica e non è efficiente a livello di potenza per applicazioni a bassa larghezza di banda; ma rimane comunque un protocollo di domotica di enorme importanza perché la rete wireless è presente praticamente in ogni abitazione. I dispositivi Wi-Fi, invece di dover creare una propria rete, possono trarre vantaggio dalle reti esistenti. Questo aspetto li rende estremamente interessanti come protocollo per i dispositivi di domotica che possono semplicemente connettersi con le reti domestiche esistenti. Uno svantaggio del Wi-Fi, oltre al problema dell’efficienza energetica, è dato anche dal fatto di avere uno stack relativamente grande, richiedendo maggiore memoria e potenza di calcolo rispetto ad altri protocolli. Tuttavia, per quanto riguarda i dispositivi che hanno risorse sufficienti a tale scopo, l’ubiquità delle reti wireless e la loro natura a base IP fa del supporto Wi-Fi una delle soluzioni migliori per garantire una facile connettività e interoperabilità con gli utenti finali.

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