Un approfondimento sulle tecnologie di rete IoT: Soluzioni chiave per 2025

Le tecnologie di rete IoT hanno completamente cambiato il modo in cui ci connettiamo e interagiamo nel nostro periodo di mondo digitale! Oggi, i protocolli wireless e gli standard di comunicazione svolgono un ruolo enorme in quasi ogni aspetto delle implementazioni IoT, spaziando dalle città intelligenti, veicoli connessi, monitoraggio ambientale e molto altro. Secondo IoT Analytics, potrebbe raggiungere il mercato globale dei dispositivi IoT connessi 18.8 miliardo unità entro la fine del 2024, una crescita di 13% a partire dal 2023. nel frattempo, man mano che il numero di dispositivi collegati esplode, non c'è mai più bisogno di robustezza, tecnologie di comunicazione scalabili ed efficienti. In questo post, esaminiamo alcuni dei protocolli ampiamente utilizzati per le comunicazioni IoT. Spero che tu possa comprendere più a fondo le principali soluzioni di rete IoT prima di fare delle scelte.

Che cosa è la rete IoT

La rete IoT si riferisce al modo in cui i dispositivi IoT si connettono e comunicano tra loro e con i sistemi centrali. Ciò crea un ecosistema autonomo di dispositivi intelligenti che lavorano insieme.

Tipicamente, un ecosistema IoT è costituito da quattro livelli principali: dispositivi, dati, tecnologie di connettività, e gli utenti. Come puoi vedere, questi livelli costituiscono gli elementi costitutivi di una rete IoT, e l'architettura di rete è la spina dorsale che consente una comunicazione efficiente tra tutti gli elementi.

Non dovrebbe sorprendere che le reti IoT debbano disporre di una solida tecnologia di comunicazione che consenta una connettività senza soluzione di continuità tra i dispositivi. Questi protocolli di rete hanno lo stesso scopo del linguaggio nella comunicazione umana. Fondamentalmente, sono progettati specificamente per i requisiti unici dei dispositivi IoT. Ci sono considerazioni speciali in termini di consumo energetico, gamma, la larghezza di banda, e densità del dispositivo. Dati questi requisiti, un aspetto importante nella pianificazione di un progetto IoT è la scelta del giusto protocollo IoT.

Negli articoli precedenti, abbiamo discusso alcuni protocolli di rete e le loro applicazioni adatte. Qui, elenchiamo alcune tecnologie wireless a corto e lungo raggio ampiamente utilizzate come riferimento per il tuo progetto IoT.

Principali tecnologie di rete IoT a corto raggio

La tecnologia di comunicazione wireless a corto raggio si riferisce alla tecnologia che realizza la trasmissione wireless su brevi distanze. Tipicamente, il loro raggio di trasmissione è compreso tra decine o centinaia di metri. Gli esempi comuni includono Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, UWB, NFC e RFID (nessuna introduzione dettagliata qui).

Bluetooth e BLE

Il Bluetooth è una delle tecnologie wireless a corto raggio più comuni. Dagli auricolari wireless ai sistemi per auto, orologi intelligenti e fitness tracker, vediamo Bluetooth ovunque.

L'ultimo Standard Bluetooth è Bluetooth 6.0, che è stato rilasciato a settembre 2024 e ha introdotto nuove funzionalità come il rilevamento dei canali Bluetooth. però, lo standard attualmente ampiamente utilizzato è il Bluetooth 4.0, 5.0 e al di sopra. Il Bluetooth 5.0 offre velocità di trasmissione fino a 2Mbit/s mentre 4.2 offerto fino a 1Mbit/s.

Per affrontare la debolezza del Bluetooth rispetto al consumo energetico, Bluetooth a bassa energia (DIVENNE) è stato presentato. Lo sviluppo di questo protocollo ha avuto successo e ha visto un’ampia adozione in tutto il mondo. Uno dei motivi principali è che questo mantiene la compatibilità con i dispositivi Bluetooth esistenti offrendo allo stesso tempo un consumo energetico significativamente ridotto.

Dobbiamo capire che Bluetooth Low Energy è progettato specificamente per i dispositivi a basso consumo utilizzati nell'Internet delle cose. Non sostituisce né sostituisce il Bluetooth classico esistente. BLE utilizza la stessa banda ISM da 2,4 GHz del Bluetooth. A differenza del Bluetooth classico che supporta fino a 7 dispositivi collegati ad un unico dispositivo master, BLE consente fino a 128 dispositivi. BLE utilizza 40, 2 Canali ampi MHz e utilizza un algoritmo di salto di frequenza adattivo per ottimizzare le prestazioni e ridurre al minimo le interferenze.

Wi-Fi

Account Wi-Fi per 31% del totale delle connessioni IoT. Qui, parleremo della tradizionale radio WiFi, così come il WiFi HaLow (802.11ah), che è specificamente progettato per applicazioni IoT a lungo raggio e a basso consumo.

Wi-Fi 6 utilizza le stesse bande ISM da 2,4 GHz e 5 GHz degli altri protocolli wireless, con 6E che aggiunge il supporto per la banda 6GHz. La portata varia in modo significativo da 10 m in interni a oltre 100 m in esterni, a seconda dei fattori ambientali e della potenza di trasmissione. A differenza dell’architettura punto-punto di Bluetooth, Il WiFi segue una topologia di rete a stella, dove i dispositivi si connettono tramite un punto di accesso centrale (router).

WiFi 6/6E (802.11ascia) rilasciato dentro 2021 è lo standard popolare attualmente utilizzato. Dal lato della velocità, può colpire fino a 9.6 Gbps: più veloce del WiFi 5 (802.11ca) che ha raggiunto il culmine 3.5 Gbps. È probabile che tu abbia visto dispositivi con standard precedenti di 802.11ac/n/g. A causa della compatibilità con le versioni precedenti del WiFi, questi vecchi dispositivi possono ancora funzionare con i nuovi dispositivi standard. Gli ultimi standard WiFi offrono una portata più lunga rispetto ai vecchi.

WiFi HaLow funziona al di sotto di 1 GHz. Offre una migliore penetrazione nel muro e portate più lunghe (fino a 1 km) mentre la potenza è inferiore. Tuttavia, la tecnologia non è stata ampiamente adottata nell'industria come abbiamo visto in Bluetooth LE.

Una cosa principale da notare è che il WiFi supporta centinaia di connessioni simultanee a un singolo punto di accesso, sebbene le limitazioni pratiche spesso riducano questo numero in base alla configurazione della rete.

ZigBee

ZigBee è un low-cost, standard di comunicazione wireless a bassa potenza progettato per reti personali. È stato sviluppato specificatamente per applicazioni industriali e domotiche. Zigbee potrebbe non essere onnipresente come il WiFi, ma sta diventando sempre più comune nella casa intelligente: le lampadine, termostati e sensori di sicurezza tra di loro.

È nato nel 2002, quando l'Alleanza ZigBee (ora Alleanza per gli standard di connettività) è stato formato. Ora ha grandi organizzazioni come Philips, Strumenti texani, SAMSUNG, e Amazon per evolvere il protocollo ZigBee.

Ad essere onesti, ZigBee è stato progettato specificamente per l'automazione, con configurazione e connettività semplici del dispositivo, basso consumo energetico per una lunga durata della batteria, e sicurezza molto forte.

L'architettura è costruita sopra 802.15.4 standard. La parte migliore di ZigBee è che si tratta di un protocollo aperto in grado di supportare fino a 65,000 nodi in un'unica rete. ZigBee è particolarmente degno di nota per le sue capacità di rete mesh.

Il protocollo ZigBee definisce tre tipi chiave di dispositivi nella rete:

• Coordinatori (solo uno in qualsiasi rete ZigBee)
• Router (intermediario per trasmettere i dati)
• Dispositivi ZigBee End (Parla solo con il nodo genitore, principalmente in modalità sospensione)

Texas Instruments e Silicon Labs sono i principali fornitori di chip ZigBee.

UWB

UWB (banda ultra larga) è uno dei protocolli di comunicazione emergenti. Probabilmente non l'hai ancora visto su molti dispositivi, ma sta rapidamente guadagnando adozione. Dagli smartphone alle chiavi della macchina, dispositivi domestici intelligenti agli ambienti industriali, vediamo UWB apparire sempre più nella tecnologia moderna.

Come altre tecnologie radio, UWB opera in uno spettro definito, ma a differenza dei sistemi a banda stretta, diffonde la trasmissione su un'ampia gamma di frequenze da 3.1 GHz a 10.6 GHz. Ha una gamma tipica di 1-50 metri, e funziona meglio in linea visiva tra dispositivi o ancoraggi.

La banda ultra larga utilizza canali larghi almeno 500 MHz rispetto ai canali Bluetooth da 1 MHz o 2 MHz. UWB utilizza anche la trasmissione di impulsi ultracorti, che gli conferisce una maggiore precisione di posizionamento rispetto ai sistemi a banda stretta.

La densità spettrale di potenza massima per la trasmissione UWB è 41.3 dBm/MHz. Ciò equivale a circa 0.5 mW di potenza di trasmissione media. Aiuta a ridurre al minimo le interferenze con i sistemi a banda stretta esistenti come WiFi o Bluetooth. Il basso consumo rende inoltre UWB sicuro. I segnali sono difficili da intercettare a causa della loro ampia diffusione di frequenza e della bassa densità di potenza.

Confronto delle tecnologie di rete IoT a corto raggio

Tecnologie wireless IoT a lungo raggio più diffuse

Concentreremo ora la nostra discussione sulle tecnologie wireless a lungo raggio e sui vantaggi che l'IoT ha tratto da questi protocolli. Queste tecnologie sono il fondamento delle LPWAN, coprendo distanze da pochi chilometri a migliaia di chilometri. Qui, presenteremo LoRa, Sigfox, e Reti cellulari.

LoRa e LoRaWAN

LoRa è un protocollo wireless che fornisce un lungo raggio, bassa potenza, e la trasmissione sicura dei dati. Si basa sulla modulazione dello spettro diffuso del chirp, il che significa che puoi comunicare a grandi distanze senza utilizzare troppa energia. Colma il divario tra le reti locali wireless a corto raggio come Bluetooth e WiFi, e la portata molto più lunga delle reti cellulari.

LoRa e LoRaWAN sono stati inizialmente sviluppati da Cycleo e successivamente acquisiti da Semtech. Oggi, lo gestisce l'associazione no-profit LoRa Alliance. Non sorprende che sia diventata una delle più grandi alleanze nel settore tecnologico. LoRa Alliance non solo supporta LoRaWAN ma promuove anche i prodotti LoRaWAN e l'interoperabilità tecnologica.

LoRa utilizza bande RF sub-GHz (433MHz, 868MHz per l'Europa, 923MHz per l'Asia, 915MHz per il Nord America e l'Australia). Queste bande di frequenza ISM sono prive di licenza e disponibili per tutti noi per le applicazioni IoT. Ha una portata impressionante, da 2-5 km nelle aree urbane fino a 15 km o più in ambienti rurali.

LoRa rappresenta il protocollo del livello fisico (al primo livello del modello OSI) che consente la comunicazione a lungo raggio. Questo livello specifica il modo in cui i bit grezzi vengono trasmessi su un collegamento dati fisico tra i nodi della rete. LoRaWAN, un protocollo di rete che opera al livello tre del modello OSI, è costruito su LoRa e gestisce la comunicazione tra i dispositivi finali e un server di rete centrale.

Per affrontare vari casi d'uso, LoRaWAN definisce tre classi di dispositivi: Dispositivi di classe A (potenza più bassa, tutto l'uplink è stato avviato), Dispositivi di classe B (slot di ricezione pianificati), e dispositivi di classe C (ascolto continuo).

Sigfox

Sigfox è una tecnologia LPWAN pionieristica progettata per applicazioni IoT che richiedono comunicazioni a lungo raggio con un consumo energetico minimo. Utilizza la banda ultra stretta (UNB) tecnologia, con ogni messaggio che occupa solo a 100 Larghezza di banda Hz.

Il protocollo Sigfox opera nelle bande ISM senza licenza (868 MHz in Europa, 915 MHz nel Nord America) e offre velocità dati di appena 100 o 600 bit al secondo. Questa velocità di trasmissione lenta, combinato con la larghezza di banda ridotta, si traduce in un'eccellente sensibilità e un consumo energetico molto basso. Le trasmissioni tipiche utilizzano circa 20–30 mA per alcuni secondi, garantendo una lunga durata della batteria, che spesso dura anni con una singola batteria. Può raggiungere fino a 40 km nelle aree rurali e 3-10 km negli ambienti urbani.

Sigfox è un protocollo asimmetrico, ciò significa che le capacità di uplink e downlink differiscono in modo significativo. I dispositivi finali possono inviare fino a 140 messaggi al giorno, con ogni messaggio limitato a 12 byte di carico utile. I messaggi di downlink sono limitati a 8 messaggi al giorno con 8 byte ciascuno.

Diverso da LoRaWAN, Sigfox è stato progettato pensando alla semplicità, spingendo la maggior parte della complessità sul lato della rete piuttosto che sui dispositivi finali. Questo approccio consente un'implementazione del dispositivo finale molto semplice ed efficiente dal punto di vista energetico.

Reti cellulari

Le reti cellulari gestiscono una quantità incredibile delle nostre comunicazioni, ed è una delle tecnologie di comunicazione più fondamentali nel nostro mondo moderno. Dal 2G al più recente 5G, e tecnologie specializzate focalizzate sull'IoT come LTE-M e NB-IoT, le reti cellulari costituiscono circa 20% delle connessioni IoT globali.

Le reti cellulari operano su quella che viene chiamata architettura cellulare, dove le aree geografiche sono divise in celle. Ciascuno servito da almeno un ricetrasmettitore a postazione fissa noto come stazione base. Queste celle lavorano insieme secondo uno schema a nido d'ape per fornire una copertura continua su vaste aree.

La tecnologia ha fatto molta strada dagli anni ’80, quando le reti 1G riuscivano a malapena a gestire le chiamate vocali. Siamo davvero nell’era del 5G ($98.3 miliardo 2023) e stanno implementando NB-IoT, LTE-M e 5G come parte del più ampio ecosistema IoT cellulare oggi. Uno dei principali vantaggi dell'IoT cellulare è la capacità di sfruttare l'infrastruttura cellulare esistente ottimizzandola per le esigenze specifiche dell'IoT. È importante sottolineare che, Le reti cellulari non sono gratuite.

Confronto delle tecnologie di rete IoT a lungo raggio

Che cosa IoT networking Ttecnologia è giusto per me?

È logico utilizzare le reti IoT perché possono connettere e gestire i dispositivi in ​​scenari difficili. In particolare, Le reti IoT stanno crescendo nel mondo connesso, tenendo conto di variabili come la scala massiccia, diversi tipi di dispositivi, e requisiti operativi in ​​tempo reale.

La tecnologia di connettività è una delle decisioni più cruciali che dovrai prendere quando sviluppi un progetto IoT. La scelta qui determinerà ad un livello il successo, costo, e le prestazioni del tuo progetto. Prima di addentrarci nelle tecnologie specifiche, poniti queste domande essenziali:

– Dove verranno utilizzati i dispositivi?? Verranno utilizzati all'interno o all'esterno?

– Quale raggio devi coprire? Sono metri, chilometri, o da qualche parte nel mezzo?

– Quanti dati trasmetterai, e quanto spesso?

– Qual è il tuo budget energetico? Stai funzionando con batterie o alimentazione di rete?

– Quale infrastruttura di rete esiste nella posizione di distribuzione?

– Quali sono i tuoi requisiti di sicurezza?

– Qual è il tuo budget sia per l'hardware che per i costi di connettività continuativi??

Le tecnologie che abbiamo trattato sopra non sono un elenco esaustivo di tipi di connessione, ma dovrebbero consentirti di essere operativo sulla maggior parte dei progetti IoT.

Corto-Rangelo Ttecnologie in Prac

Per le tecnologie di comunicazione wireless a corto raggio, Il WiFi fornisce una trasmissione dati ad alta velocità. Domina la copertura della rete wireless nelle case e negli spazi pubblici. Poiché molti edifici dispongono già del WiFi, è ideale per le applicazioni IoT come le case intelligenti, telecamere di sicurezza, e soluzioni di tracciamento integrate.

Nello spazio del consumo, Bluetooth Low Energy mostra una chiara dominanza. È diventata la scelta preferita per i servizi di localizzazione a corto raggio a causa di considerazioni sui costi. Il mercato riflette questo – Spedizioni di dispositivi dei servizi di localizzazione Bluetooth raggiunte $255 Milioni nel 2024. BLE sta crescendo forte anche nelle case intelligenti. Con la sua inclusione nello standard Matter, vedremo emergere ancora più applicazioni per la casa intelligente.

Zigbee è un altro attore chiave che non può essere ignorato nelle case intelligenti. Attualmente è utilizzato maggiormente nell’automazione industriale e nelle applicazioni domestiche intelligenti. La rete mesh di Zigbee può espandere la distanza di connessione e supportare più nodi di rete.

La tecnologia UWB non ha raggiunto gli stessi livelli di adozione delle prime tre. Il suo vantaggio principale è il posizionamento accurato a livello centimetrico. però, comporta costi di implementazione relativi più elevati. Ciò lo rende più adatto a casi d'uso specifici che richiedono un rilevamento preciso della posizione.

Lungo–Rangelo Ttecnologie in Prac

Per le tecnologie IoT wireless a lungo raggio, LoRa e LoRaWAN sono all'avanguardia in molte implementazioni IoT. Offrono una copertura impressionante con un consumo energetico molto basso. LoRaWAN funziona alla grande quando i tuoi dispositivi devono funzionare a batteria per periodi prolungati e possono tollerare una certa latenza nella trasmissione dei dati. La tecnologia trova uso comune nel monitoraggio degli animali, tracciamento del veicolo, gestione dei parcheggi, monitoraggio ambientale, rilevamento agricolo, e misurazione delle utenze.

Sigfox ha un design più snello rispetto a quello di LoRaWAN. È progettato per ridurre il costo e la complessità del dispositivo, anche se questo significa sacrificare la velocità dei dati. Mentre Sigfox e LoRaWAN a volte possono servire a scopi simili, dovresti scegliere LoRaWAN se hai bisogno di reti private o di comunicazione bidirezionale.

NB-IoT e LTE-M apportano un grande vantaggio – possono utilizzare l'infrastruttura cellulare esistente. Queste tecnologie si sovrappongono ad alcune applicazioni LoRaWAN e Sigfox, soprattutto quando si monitorano le risorse in vaste aree geografiche. Il settore della logistica ha particolarmente adottato soluzioni di tracciamento basate su cellulare. però, le opzioni cellulari comportano costi più elevati a causa delle tariffe di abbonamento.

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