Panoramica sull’IoT: storia, trend, motivazioni e tecnologie

Panoramica sull’IoT

Che differenza esiste tra il Machine to Machine e L’internet of Things?


Il punto chiave della trasformazione del manifatturiero verso l’Industria 4.0 è la creazione del legame tra la sfera fisica e quella digitale attraverso la creazione di quelli che si chiamano sistemi Ciberfisici (CyberPhysical Systems – CPS).

L’integrazione di computer e networks permette di monitorare e controllare i processi concreti.

Lo sviluppo dei CPS è caratterizzato da tre fasi:

  • la prima generazione di CPS includeva tecnologie per l’identificazione come ad es. mediante etichette RFID, che permettevano l’identificazione univoca e i servizi di immagazzinamento e d’analisi erano forniti in maniera centralizzata;
  • la seconda generazione di CPS era equipaggiata con sensori e attuatori con un ventaglio limitato di funzioni;
  • i CPS di terza generazione, vale a dire quelli attuali, possono immagazzinare e analizzare dati, sono equipaggiate con svariati sensori e attuatori, e sono direttamente connettibili alla rete e capaci di decidere in modo autonomo il proprio funzionamento.

Per capire meglio ricorriamo ad una metafora basata sul comportamento degli stormi di uccelli.

Se consideriamo uno o più uccelli isolati, questi possono comunicare tra di loro e coordinarsi per effettuare un compito in relazione con il contesto in cui si trovano, come per esempio costruire un nido o sfamare un piccolo. Ma, quando gli uccelli diventano uno stormo, sono dotati di un’intelligenza collettiva: è lo stormo a compiere una azione, dove gli individui si sincronizzano in maniera più o meno tacita al fine di muoversi in una unica direzione.

Così accade in un sistema CPS dove i singoli dispositivi costituiscono uno stormo (Community) e si muovono sincronizzati al fine di autoregolarsi verso l’obiettivo della community stessa.

Ed è proprio questa integrazione che rappresenta uno dei risultati principali dell’Internet delle cose (Internet of Things – IoT), un neologismo riferito all’estensione di internet al mondo degli oggetti e dei luoghi concreti. Questo concetto è stato introdotto nel 1999 da Kevin Ashton, ricercatore britannico che teorizzò per primo un mondo di sensori, distribuiti ovunque, direttamente collegati alla rete internet [1],[2].

In effetti il concetto di IoT nasce ancora prima, nel 1982, quando un distributore di Coca Cola appositamente modificato viene connesso ad Internet: esso era in grado di identificare le bibite contenute e di comunicare la loro temperatura.

Oggi, l’Internet delle cose è diventato un termine popolare per descrivere gli scenari in cui la connettività Internet e la capacità di calcolo si estendono ad una varietà di oggetti, dispositivi, sensori. E le previsioni di crescita di queste potenzialità sono enormi nei prossimi anni (figura 1.)

Figura 1 – Previsione della crescita di dispositivi connessi entro la fine del 2020, secondo i dati forniti da CISCO IBSG

Figura 2 – Fattori acceleranti dell’IoT

Se i presupposti non sono nuovi, cosa rende davvero innovativa l’idea dell’Internet of Things? Sicuramente la confluenza di più tecnologie (sensori, microcontrollori sempre più piccoli, etc) insieme ai trend di mercato che portano ad immaginare nuovi servizi e modi di uso per queste tecnologie, rendono rivoluzionaria questa nuova era degli oggetti connessi (In figura 2 sono riportati alcuni dei fattori acceleranti). In modo particolare si parla di Ecosistema cioè un insieme di componenti diverse che interagiscono tra di loro con una particolare attenzione ai servizi e alle applicazioni, che rendono effettivamente efficace un oggetto connesso.

In modo particolare sono i costi, insieme alle potenzialità offerte dal Cloud Computing e dagli analytics a fare da motore per la crescita delle tecnologie IoT.

Le maggiori società di consulenza strategica, come Accenture tra le altre [3], sostengono che si arriverà a oltre 5 miliardi di apparati IoT entro il 2025 (figura 1).

Più precisamente, il mercato oggi si divide in tre tipologie:

  • i produttori di chip e sistemi per la connettività
  • i produttori di oggetti connessi
  • i produttori di servizi e piattaforme.

Le opportunità sono molto diverse per ognuno di loro. I primi lavorano sui volumi, dovendo ridurre i costi dei singoli dispositivi e sono di fatto i driver del numero di oggetti connessi. I secondi lavorano sulla capacità di offrire valore aggiunto, questo non significa necessariamente aumenti di fatturato, ma in alcuni casi preservare fette di mercato. Si pensi all’automobile connessa, dove l’aspetto di connessione è una richiesta del mercato che non impatta significativamente sul costo del veicolo o sui ricavi ottenibili dalle vendite dei veicoli. I terzi, i fornitori di servizi, sono quelli che aspirano alla fetta più grossa del mercato, perché è proprio su tali servizi che si basa la creatività e l’innovazione di prodotto legata all’IoT [2] (in figura 3 a titolo di esempio alcuni possibili declinazioni dell’IoT).

Figura 3 – Principali componenti dell’Internet per la trasformazione digitale

Rimangono in secondo piano i fornitori di infrastruttura, perché a seconda delle tecnologie scelte ci possono essere gli operatori di telecomunicazioni tradizionali, a cui si affiancano nuovi operatori di rete che utilizzano soluzioni di connettività wireless su spettro non licenziato (cioè radiofrequenza libera).

Figura 4 – M2M e IoT. Un diagramma funzionale

L’uso del protocollo internet (IP) ha permesso di connettere gli oggetti anche con le reti di calcolatori usando standard molto più generali e diffusi. Ma anche questo aspetto non è particolarmente nuovo, in quanto i primi esperimenti risalgono agli inizi degli anni 2000.

Di seguito verranno riportati alcuni concetti chiave per poter comprendere l’IoT. Da un lato verranno riportate le architetture di riferimento, successivamente verranno descritti i protocolli di comunicazione e le tecnologie.

Comunicazione da Dispositivo a Dispositivo (M2M)

Questo tipo di architettura (figura 4) rappresenta una delle prime forme di connettività e anche una delle più diffuse. Con tale tipo di connessione, i dispositivi comunicano usando diversi tipi di reti, incluso le reti IP. I protocolli più diffusi in questo senso sono il Bluetooth, Z-Wave, Zigbee, Ant+ a cui se ne aggiungono altri meno diffusi o legati ad applicazioni specifiche. Ciò non rende i dispositivi interoperabili, e richiede che siano presenti delle infrastrutture ad-hoc per poter funzionare.

Questa architettura è tipica dei sistemi di Building-Automation, o delle comunicazioni tra personal devices (ad es. gli smart-watch connessi direttamente con lo smart-phone). Hanno però il vantaggio di avere una buona dose di sicurezza intrinseca, proprio per via delle infrastrutture ad-hoc e dei protocolli proprietari.

Dal punto di vista dell’utente queste architetture richiedono una scelta di protocollo a priori, e di conseguenza l’impiego di famiglie di dispositivi compatibili con il protocollo. Questo non sempre è uno svantaggio, dipende dall’applicazione e dalla strategia che si vuole applicare. Si vedrà più avanti, che i sistemi di IoT generano migliaia di dati, non sempre utili, per cui per certe applicazioni può essere sufficiente lavorare su reti di tipo M2M. Questa strategia è molto spesso legata alla scelta di alcuni “produttori” di legare i propri clienti a soluzioni proprietarie o di filiera, al fine di tutelare il mercato o l’affidabilità di una soluzione.

Comunicazione da dispositivo a Piattaforma (Device to cloud)

Questo tipo di comunicazione (figura 4) è quella che propriamente rientra nella categoria dell’IoT, dove i dispositivi sono direttamente connessi ad un Cloud Internet. Questo approccio si appoggia su reti di comunicazione esistenti come il WiFi o l’Ethernet, si basa su protocolli di tipo IP e permette agli utenti la massima interoperabilità dei dispositivi e la possibilità di interrogarli in modo remoto. Inoltre è possibile integrare dispositivi di costruttori differenti, pur essendo possibile usare protocolli proprietari per vincolare il cliente all’uso di un determinato servizio Cloud o Internet.

Il vantaggio appena descritto è però anche il limite di questo modello di comunicazione, in quanto si possono riscontrare delle difficoltà in termini di compatibilità fra i dispositivi utilizzati e il servizio di Cloud (raramente sono dello stesso produttore e quindi spesso linguaggi di programmazione e comunicazione sono differenti).

Comunicazione da dispositivo a Gateway (Device to Gateway)

Questo modello di comunicazione è tra i più utilizzati in ambito IoT (figure 5 e 6), ed integra le caratteristiche dei precedenti due. Il ruolo fondamentale del gateway è quello di intermediario, assolvendo principalmente a tre compiti:

  • Normalizzazione dei dati: nel momento in cui un device è in grado di generare solo dati ”grezzi”, è il gateway che completa l’informazione associando ai dati le informazioni o il formato che serve.
  • Supporto per la comunicazione con il servizio Cloud: l’utilizzo di un gateway è volto a superare i problemi di incompatibilità che possono nascere nella comunicazione Device-to-Cloud. Il gateway infatti è in grado di utilizzare diversi protocolli di comunicazione sia in entrata, per la connessione con i dispositivi, sia in uscita, per la trasmissione di dati al Cloud: per questo motivo viene anche chiamato protocol converter.
  • Gestione della sicurezza: Un’altra funzione importante è legata alla gestione della sicurezza, in quanto il gateway può fungere da Firewall fra i dispositivi e la rete, gestendo cosi le informazioni con diversi livelli di autorizzazioni.

Figura 5 – Architettura Device To Gateway

Dal punto di vista globale quello che avviene è la realizzazione di una rete di reti in grado di poter scambiare informazioni al proprio interno o verso altre reti.

Figura 6 –
Rappresentazione di un sistema IoT con devices interconnessi e collegamento alla rete mediato da più gateway

Guardando le tecnologie per l’IoT, il panorama è variegato e complesso, con una moltitudine di soluzioni. Facendo un incrocio tra le tecnologie, raggruppate in cluster tecnologici, e gli ambiti applicativi, si nota una certa preferenza, per le reti di tipo Low-power (figura 7).

Figura 7 – Tecnologie ed ambiti applicativi (fonte http://www.iotlab.it)

Volendo provare a fare una classificazione si avrà il seguente panorama di tecnologie.

Reti Cellulari

In questa categoria ci sono tutte le tecnologie di comunicazione cellulare come GSM (2G), GPRS, HSPA (3G), LTE (4G).

Visto il consumo energetico notevole di questa tecnologia, la sua applicabilità si limita sostanzialmente agli scenari dove i nodi hanno già una fonte di alimentazione sufficientemente dimensionata.

RFId passivo

La tecnologia RFId passiva è vista come requisito minimo che consente ad un oggetto di essere considerato attinente al paradigma IoT (es. LF, HF, NFC, UHF).

In quanto i tag RFId passivi non hanno un fonte di alimentazione propria, le prestazioni in termine di potenza di trasmissione sono molto basse mentre la loro raggiungibilità dipende dall’interrogatore (reader), quindi le funzioni che possono offrire sono molto limitate (di solito si limitano a riportare un loro identificativo).

RFId attivoRFId attivo

I tag RFId attivi possono essere inquadrati in due classi:

  • Con funzionalità base, quindi molto simili ai tag passivi ma comunque differenziati da questi per il loro raggio di comunicazione molto più ampio, dovuto alla presenza di una batteria a bordo (es: Telepass)
  • Con funzionalità estese, creando vere e proprie reti di tag; questo caso può essere assimilato molto di più alla classe Wireless Sensor Networks, in quanto offrono funzionalità molto simili.

Wireless bus

Questo cluster include gli standard di comunicazione che si propongono come semplici alternative radio alle soluzioni cablate. I protocolli di comunicazione raggruppati in questo cluster supportano solo collegamenti point-to-point e di solito non implementano i livelli di rete/trasporto dello stack TCP/IP.

L’utilizzo primario è nell’ambito M2M base e, più recentemente, si stanno proponendo per il mercato del metering.

Power line communication

Le tecnologie Power Line Communications coprono una vasta gamma di modalità di comunicazione basate su onde convogliate attraverso la rete elettrica

Per comunicazioni sulla rete elettrica a bassa tensione (230V), questa tecnologia si propone come un’alternativa alle classiche tecnologie LAN, come l’Ethernet cablato o la WiFi (es: IEEE 1901, HomePlug); in alcuni casi la stessa tecnologia viene utilizzata per la comunicazione con gli smart-meter elettrici (es: caso Enel con protocollo LonWorks)

WiFi

Con la tecnologia WiFi ci si riferisce ai vari protocolli che consentono l’accesso senza fili ad una rete locale a banda larga basata prevalentemente sullo standard IEEE 802.11.

Personal communication

Questo cluster raggruppa gli standard per la comunicazione in una PAN (Personal Area Network) tra diversi dispositivi vicini ad un singolo utente (telefonini, iPod, dispositivi per il fitness, ecc.)

Nell’ambito IoT le tecnologie considerate in questa categoria consentono ai sensori/nodi di scambiare dati con un dispositivo utente personale attraverso dei protocolli pensati per uno scambio di dati a banda strettissima (es. Bluetooth Low Energy, ANT)

Reti mesh low-power

Questo ultimo cluster raggruppa le classiche reti di sensori wireless (WSN) che formano delle reti complesse, e che supportano algoritmi di instradamento dati (es: ZigBee, WHart, DASH7)

Di solito questi protocolli coprono tutti i livelli dello stack TCP/IP sotto il livello applicativo, a volte spingendosi anche a definire profili applicativi di funzionamento. Queste reti hanno come limite il fatto che utilizzano protocolli proprietari, che richiedono dei Gateway per comunicare con altri sistemi.

Ad oggi la più diffusa tecnologia in ambito IoT è il protocollo ZigBee. La ZigBee Alliance ha recentemente rilasciato le specifiche di ZigBee IP, standard aperto per reti mesh IPv6-based, che mette a disposizione, senza la necessità di gateway intermedi, connessioni internet per controllare dispositivi low power e low cost.

Ulteriore tecnologia degna di nota è quella LoRa che presenta notevoli vantaggi ed è già in uso in applicazioni che richiedono un’affidabile capacità di comunicazione su distanze di diversi km, come i sistemi wireless di lettura di strumenti per il controllo dell’illuminazione stradale. Questa tecnologia sub-GHz a basso consumo per reti Wan (Wide Area Network) o LpWan (Low-power Wide area network) supporta una velocità dei dati da 0,3 kbps a 50 kbps, in funzione della distanza e della durata dei messaggi. Rispetto agli altri standard, una rete LoRa è una rete basata su protocollo IP compatibile con IPv6, una caratteristica essenziale per ogni sviluppo di nuovi progetti IoT. Una rete LoRa comprende dei gateway per la connessione al server centrale di rete.

Discorso analogo vale per SIGFOX che offre una soluzione di comunicazione innovativa, l’anello di congiunzione perfetto tra i dispositivi remoti installati nei sistemi elettronici e i devices dedicati al monitoraggio e al controllo a distanza.

Tale tecnologia permette di realizzare una rete di comunicazione senza allestire specifiche infrastrutture per ogni applicazione, evitando alle aziende di investire in apparati di rete.

SIGFOX rappresenta la rete sulla quale qualunque dispositivo può comunicare, purché sia equipaggiato di scheda modem a bassissimo consumo, compatibile e certificata. I modem sono integrati nell’oggetto fisico (sensore, rivelatore, ecc.) che fornisce i dati da trasmettere alla rete di stazioni radio base operative sul territorio.

Nelle figure dalla 8 alla 14 sono riportate alcune delle principali caratteristiche delle tecnologie per l’IoT, con particolare attenzione alle potenze in gioco, agli ecosistemi e alle soluzioni Lora e SigFox.

Il punto fondamentale è che l’IoT è indubbiamente multi componente e il fattore tecnologico è solamente uno degli aspetti, e richiede una crescita equilibrata anche di altre tecnologie complementari (si pensi ai sensori o alle tecnologie di visualizzazione dei dati) al fine di creare modelli di business vincenti . È ormai sempre più condiviso che il successo dell’internet delle cose è la capacità di pensare le architetture in modo corretto, tenendo in considerazione tutti gli ingredienti.

Figura 8 -Classificazione Tecnologie per consumo e portata (Fonte osservatorio IOT – Politecnico di Milano)

Figura 9 – Principali tecnologie IOT (Fonte osservatorio IOT – Politecnico di Milano

Figura 11- Confronto tra Lora e SigFox.

Figura 12 – Architettura di rete LoRaWan™ – Semtech

Figura 13 – Ecosistema Lora

 

Referenze

[1] S. Pallanza, Internet of things, big data e privacy: la triade del futuro, IAI, 2016 ISSN 2280-6164

[2] The Internet of Things (IoT): An Overview, 2015, the internet society

[3] Accenture, LOOKING FORWARD LA RIVOLUZIONE DELL’INTERNET OF THINGS La trasformazione digitale più pervasiva dell’era moderna


Questo tipo di architettura (figura 4) rappresenta una delle prime forme di connettività e anche una delle più diffuse. Con tale tipo di connessione, i dispositivi comunicano usando diversi tipi di reti, incluso le reti IP. I protocolli più diffusi in questo senso sono il Bluetooth, Z-Wave, Zigbee, Ant+ a cui se ne aggiungono altri meno diffusi o legati ad applicazioni specifiche. Ciò non rende i dispositivi interoperabili, e richiede che siano presenti delle infrastrutture ad-hoc per poter funzionare

Questo tipo di comunicazione (figura 4) è quella che propriamente rientra nella categoria dell’IoT, dove i dispositivi sono direttamente connessi ad un Cloud Internet. Questo approccio si appoggia su reti di comunicazione esistenti come il WiFi o l’Ethernet, si basa su protocolli di tipo IP e permette agli utenti la massima interoperabilità dei dispositivi e la possibilità di interrogarli in modo remoto. Inoltre è possibile integrare dispositivi di costruttori differenti, pur essendo possibile usare protocolli proprietari per vincolare il cliente all’uso di un determinato servizio Cloud o Internet.

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