Automazione edifici: i protocolli di comunicazione

Come scegliere il più idoneo protocollo di comunicazione per l’automazione degli edifici?

Le case intelligenti sono costituite da ecosistemi di dispositivi intelligenti che controllano tutto, dall’illuminazione al clima passando per la sicurezza domestica e i sistemi audio distribuiti.
Si stima che questa tipologia di soluzioni per la casa intelligente genereranno oltre 2 miliardi di dollari di entrate entro il 2026. Dal momento che i dispositivi intelligenti vengono adottati più rapidamente che mai negli edifici commerciali e residenziali, sia i proprietari di immobili che le società di sviluppo integrato sono oggi alla ricerca di modalità ottimali per controllarli e collegarli.

Attualmente sul mercato sono disponibili diversi protocolli di comunicazione a corto raggio, ognuno con particolari vantaggi. Alcuni hanno velocità di trasmissione dati elevata, altri offrono un raggio di connessione più lungo, misure di sicurezza più rigorose e un canale di frequenza privo di interferenze ad un prezzo vantaggioso. Altri ancora possono connettere ben oltre i 60.000 dispositivi in ​​un sistema omogeneo.

Ma quali sono i protocolli di automazione degli edifici wireless più popolari e utili ad aiutare gli sviluppatori di dispositivi intelligenti a scegliere l’opzione più adatta alle loro esigenze?

Tra i protocolli di comunicazione comuni, il Bluetooth è stato sviluppato originariamente da Ericsson negli anni ’90, ed è una tecnologia wireless che facilita lo scambio di dati su brevi distanze. Ad oggi questa tecnologia è controllata dal Bluetooth Special Interest Group (SIG) e funziona su radiofrequenza a 2,4 GHz, comune tra i protocolli di comunicazione IoT.
Ma quello che rende il Bluetooth interessante per i proprietari delle case intelligenti è la possibilità di controllare tutti i dispositivi collegati direttamente tramite smartphone, con gateway per trasmettere dati a Internet, e un normale smartphone può fungere da gateway.
L’ultima versione, Bluetooth 5, è stata rilasciata nel 2016 e offre il doppio della velocità e quattro volte la portata del suo predecessore.
Nata nel 2010, Bluetooth Low Energy (BLE) è la tecnologia dedicata alle applicazioni IoT e che offre un basso consumo energetico, accesso gratuito alla documentazione ufficiale ed è disponibile sulla maggior parte degli smartphone sul mercato. Trasferisce piccole quantità di dati e ha larghezza di banda inferiore rispetto al Bluetooth classico.
Si tratta, a tutti gli effetti, del Bluetooth più utilizzato nelle case intelligenti.
Quali vantaggi? I produttori possono sviluppare dispositivi compatibili senza entrare pagare commissioni. Questo significa che gli utenti possono acquistare dispositivi IoT da diversi fornitori e i proprietari di smart home possono controllare il proprio edificio connesso direttamente dal proprio smartphone.
Ottima anche l’elevata velocità di trasmissione dati e i costi ridotti grazie alla semplicità dell’hardware.
Il modello client-server richiede meno tempo per la progettazione e lo sviluppo e, al contempo, questo protocollo permette un facile accesso a Internet tramite smartphone.
Il rovescio della medaglia: si parte dal numero limitato di dispositivi collegati e dal fatto che funziona sulla frequenza affollata di 2,4 GHz

Poi c’è ZigBee, un protocollo di automazione degli edifici basato sullo standard IEEE 802.15.4, progettato per trasmettere piccole quantità di dati su distanze moderate. Nonostante la bassa velocità di trasferimento dei dati, è adatto alla raccolta di dati dei sensori come la temperatura e l’umidità, ed è spesso utilizzato nelle applicazioni di automazione domestica. Secondo ZigBee Alliance, questo protocollo può sulla carta supportare fino a 65.000 dispositivi su una singola rete e può gestire il comportamento dinamico dei dispositivi (possono apparire, scomparire e ricongiungersi alla rete in seguito). E Texas Instruments ha dimostrato che il collegamento di 400 nodi è una possibilità reale.
I nuovi dispositivi possono unirsi rapidamente a una rete ZigBee poiché il processo richiede solo 30 millisecondi. ZigBee funziona a 2,4 GHz, stessa frequenza del Bluetooth, e con il suo ridotto consumo energetico, anche piccoli dispositivi come i sensori delle porte possono funzionare con una singola batteria per diversi anni. Questo protocollo non utilizza il sistema di indirizzamento IP e necessita di un gateway per comunicare con Internet e dispositivi personali, come smartphone e PC.
La versione più recente, ZigBee 3.0, è stata progettata per trasferire dati attraverso rumorosi ambienti RF comuni nelle applicazioni industriali.Tra i vantaggi si sottolinea la possibilità di connettere fino a 65.000 dispositivi e il basso consumo energetico, mentre tra gli svantaggi sicuramente la necessità di un gateway personalizzato per controllare i dispositivi intelligenti, la distanza di trasmissione dati limitata e il gateway costoso con tariffa per ogni dispositivo connesso.

6LoWPAN sta per IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network. L’idea alla base di questo protocollo è quella di consentire anche a piccoli dispositivi con capacità di elaborazione limitate, come i sensori, di unirsi alle reti IoT e trasmettere dati su Internet. In questo protocollo di comunicazione, l’interoperabilità viene applicata solo a livello IP. Pertanto, può funzionare su frequenze sia inferiori a 1 GHz che a 2,4 GHz.Ma esiste un problema relativo alla dimensione del pacchetto IP: è più grande della dimensione del pacchetto consentita dallo standard 15.4, e l’unità di trasmissione minima IPv6 (MTU) è di 1280 byte, mentre 15.4 può trasportare fino a 100 byte di dati significativi. Una soluzione è suddividere la MTU in frame più piccoli e trasmetterli individualmente. Tuttavia, questa frammentazione significa che se un piccolo frame viene perso, l’intero pacchetto è inutilizzabile.
6LoWPAN è uno standard aperto definito dall’Internet Engineering Task Force (IETF): tutte le specifiche di questo protocollo sono disponibili gratuitamente da maggio 2018. Tuttavia, i fornitori devono essere membri del gruppo Thread per implementare questo protocollo. 6LoWPAN utilizza lo stesso livello IP dei protocolli Internet, quindi il gateway è più facile da implementare rispetto a ZigBee e Z-Wave.
Basso consumo energetico, gateway facile da implementare, funzionamento su più frequenze e capacità die vitare la frequenza di 2,4 GHz: Questo protocollo, inoltre supporta l’indirizzamento a 64 bit e 16 bit ma la frammentazione aumenta il rischio di ricevere pacchetti difettosi, l’implementazione dell’hardware è più costosa.

Z-Wave è un protocollo di comunicazione wireless introdotto da una società danese Zensys. È stato progettato per trasmettere piccoli pacchetti di dati a una velocità di 100 kbit / s. Z-Wave opera con una frequenza diversa in ogni paese, il che significa che i proprietari di dispositivi Z-Wave dovranno acquistarne di nuovi se decidono di trasferirsi. Negli Stati Uniti, Z-Wave opera a 908,42 MHz. Indipendentemente dalla posizione, Z-Wave evita sempre la banda a 2,4 GHz sovraffollata e può teoricamente supportare fino a 232 dispositivi. L’ultima versione è Z-Wave Plus v2: questo protocollo di connettività per edifici intelligenti è un software proprietario supportato da Z-Wave Alliance e sostenuto dai leader del settore, aggiornato e perfezionato regolarmente.
Z-Wave è standardizzato a livello globale e tutte le specifiche, come l’interoperabilità e la sicurezza di Z-Wave, sono state rilasciate al pubblico nel 2016. Ciò rende lo standard facilmente accessibile agli sviluppatori IoT.Pro? Evita la frequenza occupata da 2,4 GHz, tutti i dispositivi Z-Wave di diversi produttori sono interoperabili, ed è a basso consumo energeticoContro? La capacità di trasmissione dati è limitata, adatta per dispositivi come lampadine, ma senza capacità sufficiente per le telecamere di sorveglianza HD. Inoltre, utilizza frequenze diverse in paesi diversi

Quale protocollo scegliere?

Ogni protocollo di comunicazione presenta vantaggi e svantaggi ed è arduo identificare l’opzione migliore senza considerare i fattori circostanti.
Il Bluetooth rappresenta un’opzione economica con elevata velocità di trasferimento dati e facile controllo del dispositivo tramite uno smartphone. Tuttavia, consente di collegare solo otto dispositivi. ZigBee supporta fino a 65.000 nodi (teoricamente), ma è prevista una tariffa per ogni dispositivo connesso. Inoltre, ZigBee richiede un gateway per controllare i dispositivi IoT. Z-Wave supera l’affollata frequenza di 2,4 GHz, ma è l’opzione di connettività IoT più costosa e fornisce la velocità di trasferimento dati più bassa. 6LoWPAN è ancora largamente trascurato, nonostante la sua scalabilità ed espandibilità.