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      • Pubblicato il 15 Nov 2022
      • Ultima modifica 06 Sep 2023
    • 9 min

    Protocolli di comunicazione per l'IIoT

    Guida sui protocolli di comunicazione IIoT, che potrebbero aiutarti a offrire tutti i vantaggi dell'Industry 4.0.

    Gli ingegneri elettronici e gli sviluppatori di applicazioni devono valutare i pro e i contro di una gamma sempre più ampia di opzioni di connettività quando lavorano su prodotti e sistemi per l'Internet Industriale delle Cose (IIoT).

    Le fabbriche intelligenti non sono una novità. Gli ingegneri supervisionano l'automazione intelligente dei processi industriali da quando i PLC hanno sostituito le serie di relè cablati. Nel corso del tempo, negli ambienti di produzione si è iniziato a impiegare una serie di protocolli di rete cablati, come Modbus, Profibus, EtherNET/IP, Interbus, ControlNet e molti altri, come mezzo per effettuare comunicazioni industriali standard, principalmente per il controllo di macchine e processi.

    Ora, però, l'emergere dell'Internet Industriale delle Cose (IIoT, Industrial Internet of Things) ha aperto infinite nuove possibilità per la fabbrica intelligente, con la raccolta e il trasferimento di dati in crescita esponenziale. Per velocizzare il processo di distribuzione e risparmiare notevoli costi di installazione, molte applicazioni utilizzano una rete wireless invece di estendere la portata della rete cablata. Dall'impianto e dalle apparecchiature alle posizioni periferiche o al cloud, fino al livello aziendale, la gestione del flusso di dati richiede un livello completamente nuovo di comprensione della comunicazione wireless: è necessario considerare tantissimi trade-off basati su applicazioni e destreggiarsi al loro interno. Tra questi vi sono, ad esempio, copertura, potenza, velocità di trasmissione dati, latenza, resilienza e condizioni operative. Qui ci concentreremo sui più importanti protocolli di comunicazione IIoT, che potrebbero aiutarti a offrire tutti i vantaggi dell'Industry 4.0.

    I più importanti protocolli di comunicazione IIoT

    Bluetooth Mesh

    Il Bluetooth è forse la tecnologia di comunicazione a corto raggio più conosciuta: è estremamente nota per le applicazioni basate su IoT consumer, come il trasferimento di file da dispositivo a dispositivo e gli altoparlanti e le cuffie wireless. Tuttavia, il Bluetooth, uno standard IEEE 802.15, riveste oggi un ruolo importante anche negli ambienti industriali intelligenti: dal 2017 si è diffuso sempre più velocemente in seguito al lancio di Bluetooth Mesh, una topologia di rete disponibile su Bluetooth LE che consente la realizzazione di comunicazioni su larga scala tra dispositivi. Uno degli aspetti positivi significativi della rete mesh è che tutti i dispositivi di una rete possono comunicare tra loro, piuttosto che attraverso la restrizione di un hub centrale, e questo la rende particolarmente adatta per il controllo, il monitoraggio e l'automazione di sistemi in ambienti industriali in cui potenzialmente migliaia di dispositivi devono comunicare tra loro in modo sicuro.

    Vantaggi: La topologia Bluetooth Mesh ha dimensioni e area di rete virtualmente illimitate, quindi è ideale per la connessione di ampie reti di sensori. Lanciata tramite Bluetooth SIG, l'interoperabilità è un altro suo punto di forza: è retrocompatibile con una vasta gamma di dispositivi Bluetooth.

    Svantaggi: La portata relativamente breve e le basse velocità di trasferimento dei dati sono un ostacolo in alcune applicazioni. La tecnologia Bluetooth Mesh è più adatta per reti locali vicine.

    Cellulari

    Qualsiasi applicazione IIoT che richiede il funzionamento su distanze più lunghe può sfruttare le capacità di comunicazione cellulare GSM/3G/4G, un mezzo collaudato per inviare quantità relativamente elevate di dati. La comunicazione cellulare può essere ideale anche per progetti di dati a bassa larghezza di banda basati su sensori che inviano quantità molto ridotte di dati su Internet. Anche l'IoT a banda stretta (NBIoT), basato sull'infrastruttura cellulare, è un protocollo cellulare alternativo per basse velocità di trasmissione dati. Se è vero che gran parte dell'attenzione della più recente tecnologia mobile di quinta generazione (5G) è stata rivolta al miglioramento dei servizi mobili, ora ci si sta concentrando anche sui casi d'uso IIoT. Grazie alla capacità di trasferimento dati ad altissima velocità, bassa latenza e grandi volumi, il 5G potrebbe migliorare significativamente gli ambienti industriali, consentendo di progredire in aree critiche come l'ottimizzazione dei processi e supportando livelli di automazione più elevati. Il protocollo è particolarmente adatto per qualsiasi applicazione IIoT che richieda comunicazioni ultra affidabili e a bassa latenza, con velocità di picco teoriche di 20 Gbps che supportano applicazioni mission-critical, come la robotica industriale, l'elaborazione delle immagini o il posizionamento preciso in ambienti chiusi. Altri casi d'uso sono la diffusione della cosiddetta Massive Internet of Things (mIoT), in cui il 5G potrebbe essere distribuito alle reti di servizi comprendenti miliardi di dispositivi connessi a basso costo, a lungo raggio e ad alta efficienza energetica anche nelle località più remote per comunicazioni poco frequenti.

    Vantaggi: Capacità di dati ad altissima velocità, bassa latenza e alto volume, in grado di supportare tutte le esigenze di comunicazione IIoT mission-critical.

    Svantaggi: Il consumo di energia e i costi possono essere troppo elevati per molte applicazioni. Servirà tempo per calcolare il ritorno sull'investimento per le fabbriche intelligenti abilitate al 5G.

    Il protocollo CoAP (Constrained Application Protocol)

    Il protocollo CoAP (Constrained Application Protocol) è un protocollo di trasferimento web specializzato sviluppato specificamente per l'uso con nodi e reti vincolati in applicazioni machine-to-machine. Il suo punto di forza principale è quello di consentire ai dispositivi semplici di connettersi a Internet, anche quando la bassa larghezza di banda e la bassa disponibilità fungono da fattori restrittivi. Sviluppato dalla Internet Engineering Task Force, CoAP RFC-7252, è stato progettato per supportare un numero relativamente elevato di nodi economici e per funzionare su microcontrollori con un minimo di 10 KiB di RAM e 100 KiB di spazio di codice. Fondamentalmente, l'architettura di CoAP è progettata per ridurre il sovraccarico della larghezza di banda di rete, risparmiare potenza della batteria e spazio di archiviazione e ridurre la quantità di dati gestiti dalla CPU.

    Vantaggi: Un protocollo semplice, simile a HTTP, con sovraccarichi e requisiti di larghezza di banda bassi in ambienti vincolati

    Svantaggi: Lanciato nel 2014, è ancora uno standard in evoluzione. L'inaffidabilità e la sicurezza dei messaggi sono state citate come svantaggi.

    Il protocollo di rete LoRaWAN

    LoRaWAN è un protocollo di rete ad ampia estensione geografica e a basso consumo che supporta la comunicazione bidirezionale mobile sicura a basso costo nelle reti IIoT. Operando nello spettro wireless industriale, scientifico e medico (ISM) di 850 - 950 MHz senza licenza, la sua architettura di rete è tipicamente distribuita in una topologia "star-of-stars", con gateway che inviano messaggi tra i dispositivi finali e un server di rete centrale. I gateway sono collegati al server di rete tramite connessioni IP standard, fungendo da ponte e convertendo i pacchetti RF in pacchetti IP e viceversa. Ottimizzata per un funzionamento affidabile a lungo raggio, la comunicazione wireless consente un collegamento a salto singolo tra il dispositivo finale e uno o più gateway e tutte le modalità sono in grado di supportare una comunicazione bidirezionale. LoRaWAN può supportare grandi reti, comprendenti potenzialmente milioni di dispositivi, con velocità di trasmissione dati che vanno da 0,3 kbps a 50 kbps. Questa forbice così ampia indica che LoRaWAN ha sempre trovato maggiore applicazione in ambienti industriali complessi, dove il rumore può avere un impatto negativo sulla comunicazione. Operando a bassa potenza, LoRaWAN consente una durata della batteria fino a dieci anni e per questo è una soluzione di rete ideale per i dispositivi IIoT alimentati a batteria.

    Vantaggi: Soluzione scalabile che offre un'ampia gamma di copertura a basso consumo con un'architettura facile da implementare.

    Svantaggi: Solo per applicazioni con basse velocità di trasmissione dati. Adatto ad applicazioni in tempo reale con requisiti di bassa latenza.

    OpenThread

    OpenThread, supportato da Google, è un'implementazione open-source di Thread, un protocollo di rete basato su IPv6 progettato specificamente per dispositivi a basso consumo in una rete mesh personale wireless. A volte è indicato come la versione di Google dello Zigbee, in quanto entrambi sono basati sullo standard IEEE 802.15.4-2006. Con il lancio di OpenThread, la tecnologia di networking dei prodotti Google Nest diventa disponibile per una gamma più ampia di sviluppatori e viene utilizzata principalmente come mezzo per espandere e diversificare le tipologie di prodotti per gli edifici domestici e commerciali collegati. Tuttavia, il protocollo potrebbe trovare applicazione anche in contesti industriali, in particolare per collegare nodi con risorse limitate, come sensori e attuatori incorporati su più connessioni wireless.

    Vantaggi: Installazione semplice e sicura; la rete mesh autoriparante non presenta punti di guasto. Altamente efficiente, con dispositivi a bassa potenza in grado di entrare in modalità di sospensione e funzionare a batteria per lunghi periodi.

    Svantaggi: Protocollo di rete relativamente nuovo più associato all'ambiente domotico, quindi con applicazioni limitate in ambienti industriali.

    Sigfox

    Sigfox utilizza le bande ISM per trasmettere dati su uno spettro molto ristretto da e verso oggetti collegati, supportando applicazioni da macchina a macchina che funzionano con una batteria piccola e necessitano di bassi livelli di trasferimento dei dati. Il protocollo utilizza una tecnologia chiamata Ultra Narrow Band che è stata specificamente progettata per gestire basse velocità di trasferimento dati. Consuma solo 50 microwatt, rispetto ai 5.000 microwatt per la comunicazione cellulare, e il tempo di standby medio è di 20 anni con una batteria da 2,5 Ah, mentre per la comunicazione cellulare si parla di soli 0,2 anni. Le reti Sigfox sono robuste, efficienti dal punto di vista energetico e scalabili, quindi adatte a varie applicazioni che utilizzano dispositivi alimentati a batteria su superfici ampie. Non sono pensate per settori specifici, bensì possono essere utilizzate in qualsiasi contesto in cui sia necessaria una soluzione di connettività a basso throughput. Quando si parla di throughput basso ci si riferisce a un massimo di 140 messaggi per oggetto al giorno, con un payload di 12 byte per ogni messaggio e un throughput wireless fino a 100 bit al secondo. Le applicazioni IIoT tipiche includono il tracciamento delle risorse basato su cloud all'interno della produzione e la gestione delle risorse nel settore delle utility.

    Vantaggi: Connettività a basso costo con basso consumo energetico. Facile da integrare e implementare, senza la necessità di infrastrutture complesse.

    Svantaggi: Non adatto per comunicazioni ad alta velocità di trasmissione dati.

    Zigbee

    Zigbee è un protocollo di rete locale, basato sullo standard IEEE 802.15.4, applicato su larga scala in ambienti industriali. Operando a 2,4 GHz, è un protocollo adatto soprattutto ad applicazioni che richiedono scambi di dati relativamente poco frequenti a basse velocità di trasmissione su un'area ristretta ed entro un intervallo di 100 m. Basato su una topologia mesh, Zigbee può supportare migliaia di nodi in una rete, contribuendo al trasferimento efficiente di dati tra sensori e dispositivi che possono comunicare tutti insieme. Essendo scalabile, Zigbee è fortemente ottimizzato per applicazioni IIoT all'interno di ambienti di fabbrica.

    Vantaggi: Offre alcuni vantaggi significativi per i sistemi industriali complessi: funzionamento a bassa potenza, elevata sicurezza, robustezza e alta scalabilità con un numero elevato di nodi.

    Svantaggi: La copertura minima e le basse velocità di trasmissione dati limitano Zigbee alle reti locali. A causa della velocità di trasmissione dati massima di 250 kbps, è meno performante di altri protocolli come il WiFi.

    Conclusione: come scegliere il giusto protocollo di comunicazione per lIoT

    Come abbiamo visto, ingegneri e sviluppatori di applicazioni hanno a disposizione un'ampia scelta di opzioni per la selezione dei protocolli di comunicazione per IIoT. Ed esistono anche molte altre possibilità, come ad esempio Z-Wave, 6LoWPAN, WiFi e Neul. Fattori quali copertura, rendimento energetico, velocità dei dati richiesta, latenza e robustezza del collegamento sono determinanti nel processo di selezione. Inoltre, è importante ricordare che i protocolli sono spesso utilizzati per scopi diversi: gli ingegneri potrebbero voler utilizzare la tecnologia Bluetooth Mesh per collegare centinaia di sensori a un aggregatore/gateway di dati che a sua volta utilizza il WiFi per comunicare a un punto di accesso al sito e poi al cloud. Si tratta di sfruttare al massimo l'ampia gamma di tecnologie disponibili, spesso combinate senza soluzione di continuità, per ottenere i migliori risultati per il compito da svolgere.

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