18 Dic Tecnologie wireless: come scegliere il giusto protocollo

Al giorno d’oggi ormai tutti utilizziamo uno smartphone, strumento ormai diventato insostituibile all’interno della nostra vita quotidiana, con il quale possiamo connetterci al mondo che ci circonda.

Con questo dispositivo possiamo infatti effettuare una marea di operazioni differenti, che vanno dalla semplice navigazione in rete al suo utilizzo per ascoltare della musica oppure guardare un film in streaming. Con lo smartphone, tramite opportune app, è inoltre possibile collegarsi ad altri dispositivi dotati di connessione wireless (come, ad esempio, tutti i dispositivi di una “smart home”).

Ma com’è possibile connettere insieme tutti questi dispositivi wireless e soprattutto, in che “lingua” comunicano tra di loro?

Con il termine “Internet of Things” si intende la realizzazione di un sistema in cui gli oggetti del mondo fisico sono connessi tra di loro attraverso dei sensori o degli attuatori che comunicano senza bisogno di cavi, ovvero “wireless”.

Se vorrai addentrarti nel mondo dell’Iot (Internet of Things) e, quindi, delle comunicazioni wireless, ti accorgerai immediatamente della miriade di protocolli diversi con i quali è possibile lavorare per trasmettere i dati da un dispositivo all’altro. Ognuno di questi, infatti, differisce dagli altri per parametri quali la “data-rate” (ovvero la velocità di trasmissione dati) o la “banda” di lavoro (frequenze dell’ordine dei MHz o dei GHz).

Alcuni dei parametri fondamentali di cui tenere conto per la scelta della tecnologia wireless da utilizzare sono:

• il range di trasmissione dati;
• la frequenza di banda e la data-rate (esse sono infatti direttamente proporzionali);
• la bidirezionalità o meno della comunicazione tra due “nodi” della rete;
• la quantità di nodi che una singola rete può gestire (ovvero la quantità di sensori che possono comunicare tra loro);
• il consumo energetico.

È fondamentale, dunque, per la scelta del protocollo di comunicazione, ovvero del linguaggio con cui due o più dispositivi devono interagire tra di loro, rispondere a due domande: quanti dati devo inviare al secondo e che distanza devo raggiungere. Sulla base di queste due informazioni è possibile individuare diverse famiglie di tecnologie wireless aventi caratteristiche più o meno adatte al nostro scopo.

A questo punto se il nostro obiettivo è quello di trasmettere una grande quantità di dati “in continua” (ovvero con elevata bitrate), ci conviene optare per delle reti di tipo Short Range, caratterizzate da protocolli che lavorano ad alte frequenze (2.4 GHz) e che ci permettono di trasferire decine se non centinaia di Megabit per secondo (decine o centinaia di milioni di dati al secondo!) come, ad esempio, la tecnologia Bluetooth o WiFi.

Bluetooth

I dispositivi dotati di tecnologia Bluetooth si dividono in 4 classi di potenza di trasmissione (Potenza ERP) la quale è, ovviamente, direttamente proporzionale alla distanza di comunicazione tra di loro. Ogni dispositivo, quando si connette a una rete Bluetooth, identifica tramite un codice di 24 bit (Class of Device) gli altri dispositivi attivando i servizi necessari per iniziare la comunicazione. Tale comunicazione può avvenire in due modi:

• senza connessione (Connectionless), la quale non richiede alcun “pairing” (accoppiamento) tra dispositivi prima di inviare i pacchetti (in questo caso, il trasmettitore può in qualsiasi momento iniziare ad inviare dati purché conosca l’indirizzo del destinatario);
• orientati alla connessione (Connection Oriented), dove è richiesta una connessione tra i dispositivi prima di inviare i dati.

I vari dispositivi all’interno di una rete Bluetooth possono avere il ruolo di master (colui che interroga) o di slave (colui che riceve i dati). Con questo duplice ruolo è possibile creare 3 tipologie di rete Bluetooth:

• punto-punto – caratterizzata da un solo master e un solo slave;
• punto-multipunto – dove la comunicazione avviene tra un master e più slave;
• scatternet – dove più sottoreti punto-multipunto comunicano tra di loro per creare una rete più grande.

WiFi

La tecnologia WiFi, basata sullo standard IEEE 802.11, è sicuramente quella più impiegata, al giorno d’oggi, nel mondo dell’IoT; è perfettamente normale, infatti, connettersi ad una qualsiasi rete WiFi, pubblica o privata, anche fuori casa. I dispositivi compatibili Wi-Fi possono connettersi a Internet tramite una WLAN (Wide Local Area Network) e un punto di accesso wireless (access point).

Ogni rete può essere composta da uno o più access point (o hot-spot), ovvero punti di accesso alla rete che fungono da “sorgente” del segnale, ed uno o più client che si connettono ad essa (come un cellulare o un tablet). Tali access point possono funzionare in diverse modalità:

• Root Mode – è la modalità “standard” di funzionamento dell’access point, in cui esso è collegato ad una rete e funge da punto di accesso per tutti i nodi wireless (PC, laptop, cellulari…);
• Bridge Mode – crea un link tra due o più access point, ognuno dei quali è collegato ad un segnale di rete (funge quindi da “ponte” tra gli access point);
• Repeater Mode – in questa configurazione l’access point funge da ripetitore ed ha il compito di aumentare il raggio di copertura della rete;
• Client Mode – l’access point si comporta come un client verso un altro access point in modalità “root”; in questo modo i dispositivi collegati (wired) all’access point che funge da client possono accedere ad una rete wireless anche se privi di scheda di rete.

I contro di questa famiglia di tecnologie riguardano l’elevato consumo energetico (basti pensare al fatto che il cellulare si scarica più velocemente se collegato al Bluetooth dell’automobile) e la notevole riduzione della distanza alla quale posso trasmettere questi dati (spostandomi di qualche decina di metri, infatti, lo smartphone perde automaticamente la connessione con il router di casa).

LoRaWan

Se, al contrario, l’obiettivo è quello di inviare pochi dati alla volta (nell’ordine di un pacchetto ogni tot secondi o minuti) per lunghe distanze (centinaia se non migliaia di metri) conviene spostarsi su tutte quelle tecnologie facenti parte della “famiglia” LPWAN (Low Power Wide Area Network) come, ad esempio, la tecnologia LoRa; quest’ultima (come altre quali Narrowband Tecnology o Sigfox) è una tecnologia largamente utilizzata in ambito industriale, agricolo o navale che sfrutta la banda di frequenze ISM (Industrial, Scientific and Medical) libera a 868 MHz (frequenza di lavoro minore rispetto al Bluetooth o al WiFi).

Una rete LoRa (che sfrutta il protocollo di comunicazione LoRaWAN) è costituita da 4 elementi fondamentali:

• End Nodes – si tratta dei dispositivi situati alla “fine” della nostra rete; sono dotati di sensori per raccogliere ed inviare dati al Gateway;
• Gateway – i gateway sono i ponti tra i nodi e la rete vera e propria; hanno il compito di raccogliere i dati inviati dai nodi e spedirli al Server di rete;
• Network Server – si tratta del Cloud LoRa (un esempio può essere TTN – The Things Network) che consolida tutti i pacchetti ricevuti dai gateway e li invia al Server di applicazione;
• Application Server – consente di interpretare ed analizzare i dati elaborati sia analiticamente che visivamente.

Tutta questa famiglia di protocolli permette di poter inviare i dati (anche se con una bitrate estremamente ridotta) lungo distanze dell’ordine di centinaia se non migliaia di metri.

In conclusione, la scelta del protocollo di comunicazione wireless è fondamentale per il successo delle applicazioni nell’ambito dell’Internet of Things, dal nostro smartphone alle grandi industrie.

La vasta gamma di opzioni, come Bluetooth per trasferimenti ad alta velocità in breve distanza, WiFi per connessioni locali più ampie e LoRaWAN per comunicazioni a lunga distanza con basso consumo energetico, offre soluzioni adatte a diverse esigenze.

La definizione dei parametri chiave, come la data-rate, la distanza e il consumo energetico, è cruciale per selezionare la tecnologia più adatta a uno specifico contesto, garantendo così una connettività efficiente e affidabile tra dispositivi wireless.