La maggior parte degli edifici, soprattutto in ambito residenziale, non consente la connessione dei sistemi esistenti, come HVAC, ascensori, telecamere di sicurezza e altri dispositivi. I dispositivi IoT wireless che utilizzano tecnologie quali LoRaWAN o NB-IoT possono agevolare la connessione di nuovi dispositivi e sensori e l'adeguamento di quelli esistenti.
Connettere nuovi sensori e sistemi di controllo alle risorse esistenti può risultare impegnativo. Nella maggior parte dei casi, i singoli apparecchi, ascensori, HVAC e sistemi di sicurezza sono dotati di una connettività propria, se presente.
Negli ultimi trent'anni, molti proprietari di edifici hanno fatto cablare gli impianti per consentire la gestione dei sistemi da remoto, da una sala o da diversi pannelli di controllo. Questo approccio consente di ottenere informazioni in tempo reale sulle condizioni correnti dei vari sistemi degli edifici, ma non permette di raccogliere dati preziosi sullo stato operativo, sull'usura dei componenti, sulle condizioni ambientali e così via.
Per poter sfruttare le funzionalità di analisi e automazione, le infrastrutture devono essere dotate di sensori e altri dispositivi intelligenti e devono essere collegate a sistemi di controllo consolidati.
Quando si progetta un nuovo edificio, è fondamentale decidere il tipo di connessione necessario. Anche se la maggior parte delle nuove strutture è già pronta ad accogliere le connessioni cablate, è bene prendere in considerazione le reti cellulari e altre reti wireless per abilitare diversi tipi di dispositivi, in particolare i sensori alimentati a batteria.
Inoltre, la connettività wireless potrebbe essere la soluzione migliore per collegare diversi tipi di sistemi negli edifici meno recenti, dal momento che il cablaggio dell'infrastruttura potrebbe risultare caotico e costoso e potrebbe non riuscire a raggiungere tutte le aree dell'edificio.
Nuove tecnologie cellulari progettate appositamente per l'IoT
Il rapido aumento del numero dei dispositivi IoT e dei requisiti energetici per connettere miliardi di questi dispositivi rendono necessaria l'adozione di tecnologie di comunicazione a basso consumo.
Fino all'arrivo della tecnologia LTE, comunemente detta 4G, la maggior parte dei dispositivi wireless connessi utilizzava il Wi-Fi o le reti cellulari 2G per l'invio e la ricezione di dati. Ancora oggi alcuni dispositivi, soprattutto telecamere di sicurezza e sistemi di monitoraggio, utilizzano il 2G che è ampiamente disponibile in quasi tutte le aree geografiche del mondo.
Dieci anni fa, il 4G ha aperto la strada al cambiamento. Questo nuovo standard cellulare è stato il primo a sfruttare le comunicazioni dati rispetto a quelle tradizionali basate su voce e testo. Inoltre, le diverse versioni del 4G hanno abilitato funzionalità aggiuntive, come l'aggregazione delle portanti e la comunicazione a basso consumo.
L'esplosione dei nuovi dispositivi IoT, in particolare sensori per applicazioni industriali ed edilizie, ha richiesto nuove funzionalità cellulari, come la connettività a basso consumo e ad ampio raggio e la facilità di inserimento di nuovi dispositivi.
La prima, ovvero la connettività a basso consumo, è arrivata nel 2016 con due nuovi standard 4G che i gestori hanno potuto installare nelle reti esistenti: LTE-M (LTE Machine Type Communication) e NB-IoT (Narrow-Band IoT). Entrambi sono stati definiti nel documento 3GPP Release 13, che è diventato uno standard nel giugno 2016.
Per il funzionamento, LTE-M e NB-IoT utilizzano piccoli burst di dati su reti 4G. Il vantaggio dello standard LTE-M rispetto a NB-IoT è una maggiore velocità di trasmissione dei dati, mobilità e voce sulla rete. Tuttavia, l'LTE-M richiede una maggiore ampiezza di banda ed è più costoso per i produttori di dispositivi. Lo standard NB-IoT offre un consumo energetico inferiore e modem più economici, ma non supporta voce o SMS.
Gli operatori preferiscono l'LTE-M perché richiede solo un aggiornamento del software sulle reti. Tuttavia, i produttori di dispositivi che non necessitano di SMS o voce preferiscono l'NB-IoT per il basso consumo energetico e i modem più economici.
Lo standard LTE-M è prevalente in Nord America, ma ora gli operatori offrono anche la connettività NB-IoT.
Il secondo requisito, la facilità di inserimento di nuovi dispositivi, si ottiene mediante un modulo di identificazione utente incorporato: vale a dire una eSIM. Fino all'arrivo delle specifiche GSMA eSIM, ogni dispositivo connesso a una rete cellulare necessitava di un foro e di uno slot per un modulo SIM in plastica, lo stesso che è presente in tutti gli smartphone.
Le eSIM, piccole come una capocchia di spillo, e le SIM integrate (iSIM), incorporate in altri chip, consentono ai produttori di progettare dispositivi di piccole dimensioni e agli operatori di fornirli, dopo l'installazione, in modalità over-the-air (OTA) con le credenziali del gestore di telefonia cellulare. Non è richiesto alcun intervento manuale.
I principali vantaggi legati all'uso della connettività cellulare per i dispositivi intelligenti sono la disponibilità di reti cellulari e una maggiore sicurezza. Oggi migliaia di reti cellulari operano in tutto il mondo utilizzando gli stessi standard e le comunicazioni sono crittografate mediante un sistema di sicurezza basato su hardware: i moduli SIM. Gli svantaggi principali, tuttavia, sono il consumo energetico elevato rispetto ad altre reti LPWAN e i costi, sia del dispositivo che delle tariffe d'uso pagate ai provider di servizi cellulari.
Le reti LPWAN non cellulari riducono i costi e il consumo energetico
La connettività wireless più comune presente negli edifici è probabilmente il Wi-Fi. L'ampia diffusione di questo standard wireless lo rende ideale per la connessione di numerosi dispositivi dotati di modem Wi-Fi. Termostati, telecamere di sicurezza, condizionatori d'aria e molti altri dispositivi intelligenti possono connettersi facilmente a un punto di accesso Wi-Fi.
Connettere tutto tramite Wi-Fi, tuttavia, comporta anche difficoltà e inconvenienti. La portata del Wi-Fi è molto limitata e i segnali sono bloccati da pareti, pavimenti e altri oggetti. Per garantire una buona comunicazione tra la rete e i dispositivi, è necessario installare molti punti di accesso nell'edificio.
In secondo luogo, il Wi-Fi consuma molta energia. Non vanno collegati solo router, switch e punti di accesso, ma anche centinaia di dispositivi connessi alla rete. Anche se questo non è un problema per i dispositivi di grandi dimensioni, lo è invece per i piccoli sensori e altre unità alimentate a batteria.
Negli ultimi anni sono comparsi sul mercato nuovi standard LPWAN (Low Power Wide-Area Network). Questi standard stati progettati specificamente per la connessione di dispositivi a basso consumo, per lo più alimentati a batteria, a gateway che utilizzano lo spettro sub-GHz senza licenza. Lo standard più diffuso e installato è, probabilmente, LoRa. Altri esempi sono Zigbee e Sigfox.
Le reti LPWAN, come LoRaWAN, possono risolvere i due problemi principali legati all'uso del Wi-Fi. Il raggio d'azione viene ampliato notevolmente grazie all'uso di uno spettro sub-GHz senza licenza. In molti casi, un singolo gateway LoRa può servire un intero edificio. Inoltre, il basso consumo energetico e l'ampiezza di banda limitata, che nelle reti LoRaWAN varia da 0,3 a 50 kbps, consentono di utilizzare dispositivi alimentati a batteria che richiedono solo una connettività limitata. Ciò significa che un piccolo sensore può continuare a funzionare per anni senza manutenzione.
Inoltre, la rete LoRaWAN mondiale rende superflua l'installazione di gateway locali. Al pari della connettività cellulare, la rete LoRaWAN è in grado di connettere migliaia di dispositivi IoT, ma con un consumo energetico e costi notevolmente ridotti.
La sicurezza sulla rete LoRaWAN utilizza algoritmi crittografici AES-128 standardizzati. Le chiavi possono essere preinstallate a livello di linea di produzione, durante la messa in servizio o tramite attivazione over-the-air (OTAA) sul campo. L'attivazione OTAA consente la riconfigurazione delle chiavi dei dispositivi, se necessario.
Non esiste una rete adatta a tutto
Senza dubbio, sistemi, componenti e dispositivi diversi per edifici intelligenti richiedono diversi tipi di connettività.
I sensori che monitorano le condizioni ambientali e l'integrità di apparecchiature e altri sistemi richiedono solo l'invio e la ricezione di piccole quantità di dati. Per il loro funzionamento è preferibile utilizzare una rete LPWAN come LoRa, che presenta consumi energetici e costi ridotti.
I sistemi di sicurezza come telecamere, rilevatori di movimento e altre applicazioni in tempo reale richiedono una maggiore ampiezza di banda e connessioni stabili, che la connettività cellulare e quella cablata sono in grado di fornire.
Altri dispositivi, come termostati e finestre intelligenti, possono funzionare in modo efficiente con punti di accesso Wi-Fi o un collegamento tramite cavo.
L'interoperabilità è fondamentale
La sfida più grande per i progettisti e gli sviluppatori di edifici è fare in modo che i vari dispositivi possano funzionare tutti insieme. Finora, la maggior parte delle soluzioni per edifici si basava su silos indipendenti, soluzioni parziali che riguardavano solo una sezione o una parte dell'infrastruttura.
Ora si stanno affacciando sul mercato nuove piattaforme che permettono a reti e sistemi diversi di funzionare insieme. Una di esse è Building X di Siemens, che non è limitata all'utilizzo di hardware Siemens. I fornitori e le altre società di gestione degli edifici possono integrare i sistemi esistenti nella piattaforma, riducendo l'investimento iniziale e i costi aggiuntivi. In questo modo, è possibile avere un unico pannello di controllo, o gemello digitale, per gestire gli edifici in modo efficiente.
Anche Microsoft sta entrando in questo mercato in crescita con IoT Central e Gemelli digitali di Azure. "Stiamo collaborando con altri leader del settore per accelerare l'uso di Gemelli digitali nei mercati verticali", afferma Sam George, Corporate Vice President di Azure IoT per Microsoft. "Ci impegniamo a costruire una community aperta per promuovere le procedure consigliate e l'interoperabilità, per contribuire a stabilire modelli di progettazione collaudati e pronti all'uso, modelli standard per business specifici e concetti chiave per i domini".
