Quale Protocollo IoT Scegliere Secondo i vostri Requisiti di Progetto

Per i prodotti dell'internet delle cose, la questione dell'interoperabilità dipende dal protocollo di comunicazione utilizzato, poiché la maggior parte dei prodotti non può comunicare con i sistemi che utilizzano un protocollo diverso. Il protocollo scelto influisce anche sull'hardware. Ad esempio, la distanza di trasmissione determina i moduli IoT disponibili, i requisiti di alimentazione e la configurazione di rete del sistema. È possibile scegliere tra un gran numero di protocolli. Ogni anno escono nuove versioni e i gruppi stanno cercando di consolidare le opzioni già esistenti. Come decidere quale è quella giusta per il vostro prodotto?

Progettare un prodotto IoT è un po' come acquistare un nuovo computer portatile. Scoprirete che ci sono un sacco di cose da prendere in considerazione, come velocità, costi, funzionalità e interoperabilità. Alcune di queste caratteristiche saranno per voi importanti, mentre dovrete occuparvi di implementare delle altre. Nel mio caso, ho lavorato esclusivamente su macchine Linux per un paio d'anni, ma la limitata interoperabilità quando avevo bisogno di condividere file Microsoft, rallentava incredibilmente il mio lavoro. Alla fine, mi sono arreso e ho installato Windows in dual-boot sui miei computer.

^{Che si tratti di sistemi open-source o proprietari, l'interoperabilità è la chiave per la maggior parte dei sistemi.}

Per i prodotti IoT, il problema dell'interoperabilità è determinato dal protocollo di comunicazione utilizzato, dal momento che la maggior parte dei prodotti non può comunicare con dei sistemi che utilizzano un protocollo diverso. Il protocollo scelto influisce anche sulle scelte dell'hardware. Per esempio, la distanza di trasmissione determina quali moduli IoT potrete scegliere, quali sono i requisiti di potenza e la configurazione di rete del vostro sistema.

Come Scegliere il Protocollo

I protocolli tra cui scegliere sono moltissimi. Ogni anno ne escono di nuovi, mentre alcuni gruppi stanno cercando di consolidare le opzioni già esistenti. Come si fa a decidere il protocollo più adatto alle esigenze del proprio prodotto?

^{La ricerca di una standardizzazione universale crea ancora più frammentazione – anche per le emoji!}

Se state già iniziando ad elencare tutte le opzioni da prendere in considerazione, vorrei darvi alcuni consigli. Avrei voluto poter leggere questo articolo prima del mio primo progetto IoT: "In sostanza, utilizzare uno standard abbastanza famoso è un colpo sicuro, la sua scelta non sarà mai un errore". (Questa è una mia citazione.)

1. Organizzate le vostre priorità

Nel questionario del 2017 di IoT Central sulle tendenze di sviluppo, si è scoperto che le preoccupazioni principali sono la sicurezza e l’interoperabilità. Dovreste preoccuparvi della sicurezza sotto ogni aspetto del vostro progetto, dalla PCB fisica all’archiviazione dei dati utente. L’interoperabilità è una questione ancora più semplice. Scegliendo il protocollo più adatto, potrete ampliare il numero di ecosistemi IoT in cui il vostro prodotto può agire.

2. Studiate la terminologia

Data la presenza di così tanti protocolli IoT, la terminologia può risultare caotica. Persino il significato di un protocollo dati rispetto a un protocollo di comunicazione varia a seconda del settore industriale, e talvolta anche dell'azienda. Potete trovare un riassunto veloce qui, ma vi consigliamo comunque di verificare nuovamente che la terminologia sia quella giusta prima di dedicarvi a qualsiasi cosa.

I Protocolli più usati

I protocolli che sono i "Windows" o "Mac" del mondo IoT esistevano già da prima della vera e propria proliferazione dell'IoT stesso. Ad esempio, la comunicazione Bluetooth, Wifi, cellulare e NFC. La loro familiarità ha dato una grande interoperabilità al prezzo di non essere ottimizzati per le applicazioni dell'IoT.

Bluetooth

Frequenza: 2.4 GHz, frequency hopping.

Portata: Media (≤100 metri)

Accesso dal Cloud: Semplice (Lo standard Bluetooth 4.2 ha aggiunto il routing Ipv6, quindi gli ultimi moduli possono accedere direttamente ad internet.)

Il Bluetooth viene solitamente utilizzato per delle “personal area networks”. Il suo utilizzo è cresciuto considerevolmente nell’arco degli ultimi tre anni, e sono state rilasciate delle nuove versioni con diversi formati per i messaggi.

Il Bluetooth Low Energy (BLE) è stato pensato appositamente per i dispositivi IoT, lo caratterizzano dei requisiti energetici più bassi ottenuti regolando il formato e la dimensione dei messaggi, il tempo della loro trasmissione, a discapito di una portata più ridotta (abbassata anche a 50 metri). La rete è stata migliorata anche con l’introduzione di una Mesh CSR.

Cellulare

Frequenze: GPRS, 2G, 3G, e 4G secondo gli standard regionali e dei fornitori

Portata: Larga (15-35 chilometri)

Accesso da Cloud: Semplice

Le comunicazioni cellulari forniscono una trasmissione a lungo raggio con accesso diretto al cloud, ma al costo di elevate esigenze energetiche. Ho anche avuto problemi di supporto hardware e di rete, pertanto raccomando vivamente di analizzare attentamente le statistiche dei vostri fornitori.

Comunicazione in prossimità (Near field communications) 

Frequenza: 13.56 MHz

Portata: Molto Corta (Dai centimetri al metro)

Accesso da Cloud: Medio – avete bisogno di un bridge che interfacci i tags o i moduli con internet.

La comunicazione in prossimità non è altro che un insieme di standard di comunicazione. Può funzionare sia passivamente che attivamente. La portata massima viene raggiunta tra due dispositivi attivi, mentre la minima tra due dispositivi passivi.

È considerata un’alternativa rispetto al Bluetooth poiché consuma meno energia e non necessita del pairing. Alcuni standard della comunicazione in prossimità sono persino compatibili con l’identificazione a radiofrequenza, per questo vengono anche usati per gestire i prodotti nei magazzini.

Wifi

Frequenza: 2.4 GHz

Portata: Media (40-90 metri, in base all’ambiente e allo standard)

Accesso da Cloud: Semplice, l’accesso ad internet è semplicissimo dal momento che si tratta di uno standard internet.

Il Wifi è il protocollo più popolare che utilizza lo standard IEEE 802.11. È facile da usare, compatibile con moltissimi prodotti ed è a banda larga . Il Wifi utilizza molta energia, ma l’ultimo standard IEEE 802.11 AH ha tra i suoi obiettivi dei requisiti energetici ridotti ed una portata maggiore, il che rende il wifi il protocollo perfetto per le applicazioni IoT.

Ci sono anche delle opzioni come WeMo, che non è un protocollo di per sé, ma si appoggia su reti WiFi preesistenti. 

I Leader emergenti nella battaglia tra i protocolli

Alcuni dei nuovi protocolli stanno iniziando a prendere il sopravvento su quelli più vecchi. Essendo sviluppati appositamente per le applicazioni IoT, questi protocolli offrono grandi vantaggi in termini di prestazioni, ed è previsto un considerevole aumento del loro utilizzo nei prossimi anni.

Thread

Frequenza: 2.4 GHz

Portata: Corta (10-30m)

Accesso da Cloud: Medio – avrete bisogno di un bridge, ma 6LoWPAN facilita l’utilizzo per il protocollo Ipv6.

Thread è stato creato da Google, basato sul modello di Nest. Il suo utilizzo non è cresciuto come previsto qualche anno fa, ma Thread è comunque la scelta migliore tra i contendenti per le case intelligenti. Thread può anche essere usato su Zigbee per accedere al cloud tramite un supporto Ipv6.

Zigbee

Frequenza: 915 MHz, 2.4 GHz

Portata: Corta (10-20 metri)

Accesso da Cloud: Medio – necessita di un bridge

Un protocollo IoT a bassi consumi, con cifratura AES a 128 bit.

Zigbee è utilizzato da un grande numero di produttori, soprattutto perché esistono già numerosi fornitori. Zigbee è anche ben consolidato nelle reti a maglia, anche se ho sentito alcune storie di reti mal progettate e di integrazioni tra prodotti fallite. Assicuratevi che i profili Zigbee corrispondano tutti e che la vostra rete sia progettata per essere robusta.

Z-Wave

Frequenza: 908/916 MHz (U.S.) Dato che Z-Wave usa la banda ISM, la frequenza cambia tra i vari stati.

Portata: Media (100 m)

Accesso da Cloud: Medio – necessita di un bridge

Z-Wave e Zigbee sono sostanzialmente alla pari. Z-Wave viene solitamente scelto perché la banda ISM che utilizza è meno affollata della banda 2.4 GHz e quindi meno soggetta a interferenze. L'aspetto negativo è che Z-Wave ha una velocità di trasmissione più lenta, e i dispositivi non possono essere utilizzati al di fuori della loro regione "domestica". Anche Z-Wave ha comunicazioni con crittografia AES a 128 bit.

Le interfacce radio sono a singolo canale, quindi sono molto più costose.

Nuovi protocolli interessanti

Ci sono una marea di nuovi protocolli che cercano di affermarsi. Dal punto di vista dell'interoperabilità, la maggior parte di essi non sono abbastanza sviluppati o abbastanza diffusi da essere considerati. Tuttavia, alcuni stanno iniziando ad avere progressi.

AllJoyn

Frequenza: Dipende - AllJoyn lavora in Wifi, ethernet, e seriale.

Portata: Dipende – la sua portata dipende dalla scelta del mezzo di trasmissione

Accesso da Cloud: Medio – necessita di un bridge, altrimenti funziona come una rete separata.

Supportato da Qualcomm, AllJoyn è ora open source e funziona su piattaforme Windows, iOS, OSx, Ubuntu e Android. Non è ancora ampiamente adottato, ma è uno degli approcci più interessanti che abbia mai visto.

EnOcean

Frequenza: 902 MHz (U.S. e Canada), 2.4 GHz

Portata: Media (30 metri negli interni, fino a 300 metri all’esterno)

Accesso da Cloud: Medio – necessita di un bridge

EnOcean è un protocollo di raccolta di energia che consente di auto-alimentare le interfacce wireless. È a bassa frequenza e bassa larghezza di banda, ma soddisfa delle esigenze di utilizzo davvero uniche, compatibili anche con Zigbee e BLE.

ANT

Frequenza: 2.4 GHz

Portata: Corta (100 metri)

Accesso da Cloud: Medio – necessita di un bridge

Spesso confrontato con BLE, ANT si concentra su reti di sensori in cui ogni nodo può trasmettere e ricevere messaggi.

^{L’interoperabilità di tutti i componenti di un sistema IoT richiede una attenta gestione dei requisiti.}

Con tutte le opzioni disponibili per un protocollo di comunicazione IoT, è importante prima di tutto identificare i requisiti del vostro prodotto. Vi invito vivamente a considerare l'interoperabilità del vostro sistema con altri sistemi dell'ecosistema IoT. Si tratta di un parametro particolarmente impegnativo in quanto questo mondo cambia in continuazione, ma l'interoperabilità è comunque un fattore molto importante per molte applicazioni IoT. Esattamente come sapere di cosa si ha bisogno da un nuovo computer portatile, capire le esigenze del vostro sistema IoT renderà più facile rispondere alle domande di progettazione che dovete affrontare.

Il modo migliore per gestire ordinatamente e semplicemente tutti i requisiti del vostro progetto è l'utilizzo di strumenti adeguati, come il gestore dei dati di progettazione in Altium Vault^®. Il monitoraggio delle modifiche e il controllo dei componenti rispetto ai requisiti richiesti possono aiutarvi a garantire l'interoperabilità all'interno del vostro sistema e del vostro ecosistema di prodotti. Contattate un rappresentante di vendita Altium per iniziare a lavorare oggi stesso!