Standard e protocolli per la casa intelligente

Comfort, efficienza energetica e sicurezza sono le prerogative della casa intelligente del futuro che sta evolvendo all'insegna dell'integrazione e dell'espandibilità, in un'ottica di compatibilità non sempre possibile dato il proliferare di standard e protocolli.

Negli ultimi anni la tecnologia Smart Home si è largamente affermata grazie ai livelli crescenti di praticità, sicurezza ed efficienza. Tuttavia, i dispositivi intelligenti che trasformano la casa in un insieme smart non possono sopravvivere isolati. Essi hanno bisogno di parlare sia fra loro sia con gateway, smartphone e Pc che l'utente può utilizzare per controllarli. Non solo. Poiché uno dei principali pregi di una Smart Home è la personalizzazione, l'evoluzione sta progredendo all'insegna dell'integrazione e dell'espandibilità, in un'ottica di compatibilità che non sempre possibile dato il proliferare di standard e protocolli di interconnessione. Oggi le soluzioni disponibili sul mercato sono numerose e ogni tecnologia presenta punti di forza e punti di debolezza. Ecco una breve panoramica delle principali proposte.

 

  • Upb - Non molto diffuso l’Universal Powerline Bus è un protocollo proprietario che utilizza il cablaggio elettrico della casa per trasmettere dati tra dispositivi. Si tratta quindi di un protocollo a onde convogliate che benché efficiente e affidabile non fa della compatibilità con altri standard un suo punto di forza. Oltre a questo non prevede la crittografia e offre una larghezza di banda limitata, quindi può essere lento. Le capacità dell'Upb permettono di indirizzare fino a 250 dispositivi per appartamento e fino a 250 appartamenti per nodo, per un totale di 64.000 indirizzi. Data la sua struttura può convivere con altri sistemi di trasporto a onde convogliate.

 

  • X10 - X10 è uno standard industriale aperto e internazionale in circolazione da quasi 40 anni. Anch'esso utilizza il cablaggio domestico per comunicare attraverso onde convogliate. Doveva essere sostituito dall'Upb ma non è successo. Data la sua età, il protocollo è limitato e prevede semplici istruzioni in banda stretta. Inoltre, è suscettibile alle interferenze elettroniche, mitigabili però tramite dei filtri. Le trasmissioni X-10 sono sincronizzate con il passaggio per lo zero della tensione alternata. Controllando il passaggio per lo zero, i dispositivi X-10 sanno quando trasmettere o ricevere le informazioni. Anche se esistono alternative con larghezza di banda superiore, tra cui Knx, Insteon, BACnet e LonWorks, X10 rimane popolare in ambiente domestico. Le unità in uso in tutto il mondo sono milioni, ed è economico e vitale grazie alla continua introduzione di nuovi componenti sul mercato. I dati vengono generalmente trasmessi da un modulo di comando verso un modulo attuatore e consistono di due parti: indirizzo e comando. I moduli attuatori avanzati possono trasmettere una risposta di stato. I dispositivi X10 sono generalmente da inserire nelle prese di corrente. La spina è collocata nella parte posteriore mentre nella parte anteriore si trovano le regolazioni e le prese di uscita, a cui si può collegare per esempio una lampada, un televisore o un elettrodomestico da comandare. La frequenza relativamente alta della portante X10 non disturba le normali apparecchiature collegate alla rete elettrica.

 

  • Z-Wave - Z-Wave è un protocollo wireless sviluppato nel 2001 dalla danese Zen-Sys, acquisita nel 2008 dall'americana Sigma Designs. Con il tempo è diventato uno standard internazionale per reti mesh interoperabili e a bassa potenza. Progettato per la domotica, viene utilizzato nell'automazione degli ambienti residenziali, commerciali, ricettivi e assistenziali in applicazioni di domotica, telesorveglianza, telemedicina, intrattenimento domestico, controllo accessi, efficientamento energetico eccetera. Attualmente Z-Wave è supportato nel mondo da più di 200 produttori con oltre 1.200 dispositivi. Un così vasto supporto rende attualmente Z-Wave il sistema per domotica più diffuso al mondo. I prodotti Z-Wave offrono anche tutti i vantaggi delle architetture di rete "mesh", funzioni di comunicazione bidirezionale e compatibilità con tutte le applicazioni per la domotica (dal semplice controllo delle luci al completo sistema di sicurezza). Col recente lancio sul mercato dei prodotti e controller Gen 5 (Z-Wave Plus) l'assorbimento di corrente si è ridotto ulteriormente mentre la portata è aumentata. Grazie all'introduzione della funzionalità plug-and-play, il processo d'installazione e aggiornamento è molto semplice (può avvenire anche "Over The Air"). Il vantaggio è che si tratta di un protocollo semplice da configurare, che richiede pochissima energia e che può utilizzare ogni dispositivo come ripetitore. Il rovescio della medaglia è che, proprio come per il Wi-Fi, può presentare una fruibilità limitata qualora vi fosse una scarsa ricezione.

 

  • Insteon - Insteon è un mix di protocolli wireless e powerline combinati in un'unica rete di automazione domestica intelligente di tipo mesh. È semplice da configurare essendo principalmente plug and play, trasforma i dispositivi in ripetitori wireless ed è infinitamente scalabile. I prodotti compatibili con Insteon sono disponibili anche nei negozi. Questo sistema americano è tecnicamente molto completo in quanto la maggior parte dei prodotti trasmette i segnali sia sulla rete elettrica (PLC) sia via radiofrequenza (RF), col risultato di un'elevata affidabilità. Lo svantaggio del sistema Insteon è rappresentato dalla penuria di moduli disponibili per il mercato europeo e dal fatto che viene implementato solo da Insteon.

 

  • CoCo - Il protocollo senza fili (RF) a 433 MHz utilizzato da CoCo (Controlled Comfort) è largamente utilizzato e supportato da molti marchi. Attualmente, CoCo è una variazione del protocollo X-10, pur non essendo compatibile con esso. Il vantaggio di questo sistema è il costo contenuto dei prodotti. Gli svantaggi sono rappresentati dalla portata limitata, dalla mancanza di comunicazione bidirezionale (per esempio non si riceve conferma dello stato di una lampada) e dal numero limitato di prodotti per stanza. CoCo è la scelta ottimale per chiunque voglia installare un impianto domotico senza troppe pretese

 

  • ZigBee - Curato dalla ZigBee Alliance, questo protocollo rappresenta uno dei principali standard di comunicazione wireless. Attraverso l'uso di piccole antenne digitali a bassa potenza e basso consumo basate sullo standard Wpan (Wireless personal area networks) Ieee 802.15.4 esso descrive una serie di profili applicativi tipici nel campo delle reti di sensori wireless, ottenendo una configurazione di comunicazione specifica soprattutto nelle applicazioni legate all'energia e alla domotica. Essendo uno standard aperto che utilizza lo strato fisico Ieee 802.15.4, ZigBee si è subito affermato come protocollo wireless principale per l’IoT. Come Z-Wave, funziona a bassa potenza e con reti mesh. Nonostante siano previste portate fino a 100 metri in campo aperto, i dispositivi ZigBee raggiungono spesso una copertura inferiore poiché il sistema radio è configurato per l’efficienza energetica e non per il range operativo. Tuttavia, una rete mesh di ZigBee consente di ottenere configurazioni più estese che possono garantire a un range maggiore rispetto a un singolo dispositivo. La struttura a maglia permette alla rete di funzionare oltre la linea di vista, superando angoli, ostacoli e 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 emergenti. Tra questi, una nuova versione del Ble, in grado di gestire configurazioni mesh. I moduli ZigBee disponibili sono omologati ed economici sono piuttosto diffusi e costituiscono una scelta ragionevole per i progetti IoT a rete chiusa. Viceversa, dato il basso livello di interoperabilità, è difficile prevedere per questo protocollo un ruolo importante nella 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, mira a ricondurre i prodotti di domotica nell'ambito di un unico protocollo d’avanguardia capace di operare su un hardware già esistente. Diversamente da Z-Wave e ZigBee, Thread prevede dispositivi 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, semplificando l’integrazione con le applicazioni Cloud. Invece di introdurre un nuovo strato fisico, al pari di ZigBee e Z-Wave Thread utilizza 802.15.4. I moduli radio Thread sono già presenti sul mercato. Numerosi moduli radio ZigBee esistenti possono addirittura essere anche aggiornati per supportare Thread. Oltre a facilitare la realizzazione di nuovi dispositivi nativi, ciò consente ad alcuni prodotti ZigBee di supportare facilmente Thread. Thread prevede un sistema di messaggistica breve e la possibilità di gestire dispositivi in sleep per ridurre al minimo i consumi di energia. Come ZigBee e Z-Wave, Thread supporta configurazioni mesh, assicurando architetture di rete piuttosto robuste. Un aspetto importante da considerare è che lo stack Thread definisce gli strati fisici e di rete, ma lascia indefinito il livello applicativo. Finora, Thread è stato utilizzato come livello di rete nativo soltanto da Nest Weave. Anche la ZigBee Cluster Library ha annunciato la compatibilità con il nuovo protocollo, il che significa che le applicazioni progettate per Zcl possono operare sulle reti Thread. Trattandosi di un protocollo nuovissimo, Thread non è ancora diffuso come Z-Wave, ma presenta comunque un approccio progettuale ben studiato, un forte supporto a livello industriale e la capacità di lavorare sui componenti hardware esistenti.

 

  • Wi-Fi - Rispetto ad altri protocolli, Wi-Fi non è concepito per la domotica e non è efficiente a livello di potenza per le applicazioni a bassa larghezza di banda. 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 all’efficienza energetica, è anche il fatto di avere uno stack relativamente pesante, il che richiede livelli superiori di memoria e di potenza di calcolo rispetto ad altri protocolli. Tuttavia, per quanto riguarda i dispositivi che hanno risorse sufficienti, l’ubiquità delle reti wireless e la loro natura a base IP fa di Wi-Fi una delle migliori soluzioni per semplificare la connettività e l'interoperabilità con gli utenti finali.

 

  • Bluetooth Low Energy - Entrato in scena nel 2010, Bluetooth Low Energy (Ble) è parte integrante della specifica Bluetooth 4.0. Con il Bluetooth integrato nei sistemi operativi Android e iOS, il supporto al Ble è una funzione nativa degli smartphone, il che lo rende un protocollo interessante anche per i dispositivi di domotica. Mentre ai dispositivi che fanno uso di altri protocolli (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 un flusso dati sostenuto, Bluetooth Low Energy è ottimizzato per la comunicazione a bassa larghezza di banda e con treni poco frequenti tipica della trasmissione di informazioni da sensori e comandi. Ble è molto efficiente dal punto di vista energetico; i sensori wireless Ble ottimizzati per l’efficienza permettono di raggiungere lunghissime autonomie di batteria, anche dell’ordine di anni. La configurazione Ble più nota è la connessione master-slave, dove un dispositivo master può connettersi a più slave, ma un solo slave riesce a connettersi a un solo master. Questa topologia è molto adatta per le reti asimmetriche di piccole dimensioni, come quelle tra smartphone e relative periferiche, automobile e relativi componenti elettronici, o computer industriale e relativi sensori. La topologia master-slave è meno adatta per la connessione di una grande quantità di dispositivi su una Lan. Oltre alle connessioni master-slave, i dispositivi Bluetooth Low Energy possono comunicare anche mediante trasmissione dati a dispositivi vicini. Tale schema permette a un dispositivo Ble di trasmettere 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 ampiamente disponibili a prezzi contenuti. Molti chip Ble prevedono la parte di ricetrasmissione abbinata a un processore applicativo, facilitando l’integrazione nei dispositivi da abilitare. L’ubiquità del Ble negli smartphone lo rende perfetto per la domotica. La modulazione sfrutta il salto di frequenza adattativo per evitare interferenze, così da poter coesistere con altri protocolli come Wi-Fi. Di contro, Ble non è un protocollo mesh, quindi la portata dipende dalla potenza radio e dagli ostacoli ambientali.

 

  • WeMo - WeMo è una tecnologia per reti domestiche intelligenti con marchio Belkin. Questo protocollo funziona su reti Wi-Fi e quindi supera l'esigenza di disporre di un proprio hub. In quanto tale, opera come una normale rete Wi-Fi in una configurazione a stella con il router al centro. Come accennato in precedenza, Wi-Fi non è un protocollo estremamente efficiente dal punto di vista energetico e quindi WeMo è poco adatto per i dispositivi alimentati a batteria. Il vantaggio principale è che non presenta particolari problemi di configurazione o gestione. Trattandosi di un prodotto Belkin, sono disponibili principalmente prodotti compatibili WeMo forniti dalla stessa azienda. Essendo basato sul Wi-Fi, WeMo è automaticamente compatibile con le app eseguite su smartphone o altri dispositivi connessi Wi-Fi. Amazon Alexa, Google Home e Assistant e Nest supportano WeMo.

 

  • Nest - Anche Nest è una linea di prodotti per la casa intelligente che si appoggia alla rete Wi-Fi. Google Home (naturalmente, data l'affiliazione di Google con Nest) è strettamente integrato con la piattaforma. Philips Hue, le lampadine Lifx e le spine intelligenti TP-Link sono alcuni prodotti per la casa che supportano Nest in modo nativo.

 

  • Bacnet - Bacnet è un protocollo di comunicazione aperto e neutrale per building automation e reti di controllo. Marchio di proprietà dell’American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, riconosciuto come standard Iso 16484-5 e promosso in Europa da Big-EU (BACnet Interest Group Europe - associazione che comprende oggi oltre 200 soci, produttori e fornitori di dispositivi conformi), Bacnet è oggi uno degli standard più diffusi nel mondo del building automation. In base al livello fisico utilizzato esistono diverse tipologie di Bacnet che si differenziano al layer di trasporto (modello Iso/Osi). La variante più utilizzata è basata su datalink Ethernet e viene indicata con la sigla Bacnet I/P.

 

  • Dali - Il sistema Dali (Digital addressable lighting interface) è uno standard di interfaccia digitale per sistemi elettronici di gestione dell’illuminazione d’interni supportato dai principali produttori di reattori. Il sistema prevede un protocollo di comunicazione con gli alimentatori elettronici. Si tratta di uno standard non proprietario e quindi garantisce l’intercambiabilità tra gli alimentatori elettronici compatibili Dali di diversi produttori. Le caratteristiche di questo standard sono inserite come appendice E4 nella norma europea EN 60929 ed è quindi, a tutti gli effetti, il nuovo protocollo industriale europeo per gli alimentatori elettronici. Dali consente di controllare i singoli apparecchi di illuminazione associando un indirizzo ad ogni alimentatore; ciò permette di riconfigurare il sistema senza fronteggiare i costi e i disagi degli interventi di ricablaggio.

 

  • Infrarosso - La maggior parte dei televisori oggi utilizza telecomandi a infrarossi e, naturalmente, anche questo è un esempio di protocollo wireless utilizzato in ambiente domestico per il comando da remoto di un dispositivo. L'infrarosso differisce dalle altre tecnologie presentate in quanto per trasmettere comandi e istruzioni utilizza la luce piuttosto che la radiofrequenza. Oltre a questo, è semplice e affidabile. Di solito prevede solo una comunicazione unidirezionale a vista e la portata è limitata.

 

Sicurezza e gestione energetica domina lo domotica

Secondo la ricerca Smart Home dell’Osservatorio Internet of Things della School of Management del Politecnico di Milano, in collaborazione con Doxa, nel 2016 il giro di affari della casa connessa in Italia ha raggiunto quota 185 milioni di euro.

Anche se oltre l’80% del mercato passa ancora da installatori e distributori elettrici, i prodotti, molti dei quali offerti da start-up, vengono acquistati dagli utenti anche nei negozi fisici e on-line. La maggioranza delle soluzioni Smart Home in Italia riguarda la sicurezza e la gestione energetica. Il 50% dei consumatori però ritiene che le tecnologie non siano ancora abbastanza mature e il 67% teme rischi per sicurezza dei propri dati personali. Si affacciano sul mercato italiano grandi player come Google e Amazon, parallelamente proliferano le soluzioni sviluppate da startup con offerte spesso complementari a quelle dei brand affermati. Se da un lato cresce l’interesse dei consumatori verso soluzioni sempre più evolute, aumenta anche la consapevolezza verso gli aspetti legati a sicurezza e privacy. Domotica e Internet of Things sembrano procedere a braccetto: il mercato delle soluzioni IoT per la Smart Home nel nostro Paese valeva 185 milioni di euro nel 2016, +23% rispetto all’anno precedente. Ma il potenziale è davvero enorme, perché la casa connessa si propone come uno dei fulcri dell’ecosistema “Internet delle Cose”, capace di trainare diversi settori chiave del Made in Italy. L’82% del mercato è ancora legato alla filiera tradizionale, composta da installatori e distributori di materiale elettrico, ma cresce la quota dei “nuovi” canali come retailer, eRetailer e assicurazioni, che insieme rappresentano il 18% (circa 30 milioni di euro). I possibili impieghi sono molti e variegati, ma la maggioranza delle oltre 290 soluzioni per la casa connessa censite in Italia e all’estero (il 31%) è dedicata alla sicurezza (videocamere di sorveglianza, serrature, videocitofoni connessi e sensori di movimento). Un altro campo applicativo di rilievo è la gestione energetica, come soluzioni per il controllo remoto degli elettrodomestici (10%) e la gestione dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento (8%) e il monitoraggio dei consumi dei dispositivi elettrici (10%). Un dato significativo è che rispetto all’utilizzo di un sistema tradizionale i possibili benefici legati all’introduzione di dispositivi smart nel riscaldamento comporterebbe un risparmio considerevole, compreso tra il 16% il 28%. L’adozione diffusa di soluzioni smart per il riscaldamento nella sola area di Milano consentirebbe di ridurre le emissioni di anidride carbonica di oltre 54.000 tonnellate di CO2 all’anno, con impatti positivi sull’ambiente e con un risparmio annuo di ben 70 milioni di euro per i cittadini, pari a circa 100 euro per famiglia. L’offerta di prodotti per la Smart Home è in costante evoluzione. Il 68% delle soluzioni sul mercato è concepito per il "fai-da-te" grazie a un processo di installazione semplificato, anche se non tutti gli utenti sono in grado di fare a meno del tecnico: il 70% di chi ha acquistato prodotti connessi si è rivolto a installatori o piccoli rivenditori. Il 52% delle soluzioni oggi è offerto da start-up, ma in questi mesi si stanno affacciando sul mercato italiano anche i grandi operatori, quali Google e Amazon: l’ingresso dei grandi marchi spingerà lo sviluppo della casa connessa, renderà più facile l’interoperabilità tra i vari oggetti, un aspetto fondamentale per aumentare la fiducia dei consumatori. Se il 2016 e il 2017 sono stati anni molto positivi, il 2018 promette grandi cose grazie alle nuove normative che entreranno in vigore soprattutto nello smart metering per gas ed elettricità. Entro la fine del 2018, infatti, secondo le normative emanate negli scorsi anni dall’Autorità di Regolazione per Energia, Reti e Ambiente, le utility dovranno mettere in servizio almeno 11 milioni di contatori gas telegestiti (5 in più rispetto a quelli installati a fine 2017) e 7,3 milioni di contatori elettrici di seconda generazione (5,5 milioni in più rispetto al 2017). Proprio grazie ai nuovi contatori gli erogatori di servizi potranno acquisire un ruolo sempre più importante all’interno della Smart Home, ma avranno anche l'arduo compito di gestire i dati sui consumi energetici raccolti all’interno delle abitazioni in tempo reale nel rispetto della normativa.

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