Comunicazioni IoT a confronto | Elettronica Open Source

LoRaWAN, Wi-Fi, BLE, NB-IoT, LTE-M e Wi-Fi HaLow rispondono ad esigenze IoT molto diverse. Autonomia, copertura, banda, latenza, costi ed infrastruttura cambiano radicalmente da una soluzione all’altra. Come scegliere quindi la tecnologia wireless adatta per un progetto professionale? Lo vedremo insieme in questo articolo. E’ fondamentale sottolineare che per scegliere correttamente non basta semplicemente confrontare le specifiche, occorre partire dal comportamento reale dell’applicazione.

La connettività è una scelta architetturale

In un progetto IoT di livello professionale la comunicazione wireless non indica semplicemente il collegamento tra sensore e piattaforma cloud, ma costituisce uno degli elementi che determinano l’intera architettura del sistema. La tecnologia scelta influenza infatti il consumo energetico del nodo, la quantità di dati trasferibili, la frequenza degli aggiornamenti, la copertura radio, i costi di gestione e persino le modalità di installazione e manutenzione dei dispositivi. LoRaWAN, Wi-Fi, Bluetooth Low Energy, NB-IoT, LTE-M e Wi-Fi HaLow appartengono a categorie tecnologiche differenti e non possono essere considerate alternative equivalenti. Alcune sono progettate per trasmettere piccole quantità di dati su distanze molto elevate, altre privilegiano la velocità, mentre altre ancora sono ottimizzate per collegamenti locali caratterizzati da consumi estremamente ridotti. Anche la latenza assume un significato diverso in funzione dell’applicazione. Pochi secondi possono essere irrilevanti per un contatore remoto, ma diventare problematici per un sistema di controllo.

Per questo motivo la scelta dovrebbe partire dal profilo operativo dell’IoT device e non dalla tecnologia apparentemente più evoluta. Per esempio, un sensore alimentato a batteria installato in un’area rurale richiede condizioni completamente diverse rispetto ad una telecamera industriale collegata alla rete aziendale.

LoRaWAN: autonomia e copertura prima della velocità

LoRaWAN occupa una posizione particolarmente interessante nel panorama delle comunicazioni IoT perché è stato concepito per dispositivi che devono trasferire quantità relativamente contenute di dati consumando pochissima energia. La tecnologia utilizza collegamenti radio a bassa potenza basati sulla modulazione LoRa ed una rete caratterizzata dalla presenza di gateway che raccolgono i dati provenienti dai nodi e li inoltrano verso i server applicativi.

Il principale vantaggio è la combinazione tra lunga portata e autonomia. In condizioni favorevoli un dispositivo può rimanere operativo per anni con una batteria, soprattutto quando trasmette sporadicamente e trascorre la maggior parte del tempo in sleep mode. Il rovescio della medaglia è rappresentato dalla capacità di comunicazione: LoRaWAN non è pensato per trasferire grandi quantità di dati, e il throughput disponibile è molto inferiore rispetto a Wi-Fi o alle tecnologie cellulari. La latenza, inoltre, non è normalmente il parametro prioritario. LoRaWAN è quindi adatto al monitoraggio di contatori, sensori ambientali, sistemi di agricoltura intelligente, asset tracking e infrastrutture distribuite. Diventa invece poco indicato quando l’applicazione richiede aggiornamenti frequenti, comunicazioni bidirezionali intensive o trasferimento di dati voluminosi. Un aspetto decisivo riguarda anche l’infrastruttura, dove il progettista deve verificare la copertura LoRaWAN disponibile oppure prevedere l’installazione e la gestione dei gateway.

Figura 1

Wi-Fi: banda elevata, infrastruttura già disponibile

Il Wi-Fi rappresenta spesso la soluzione più immediata quando il dispositivo IoT opera all’interno di un ambiente dotato di infrastruttura di rete esistente. La disponibilità di access point, Ethernet e connessione Internet permette infatti di integrare rapidamente sensori, gateway e dispositivi edge nell’architettura IT aziendale. La capacità di banda è enormemente superiore a quella tipica delle tecnologie LPWAN e rende il Wi-Fi adatto anche a dispositivi che devono trasferire immagini, file, stream audio o grandi quantità di dati. Il vantaggio prestazionale comporta però un costo energetico maggiore. Un dispositivo alimentato a batteria che mantiene frequentemente attiva la connessione Wi-Fi può avere un’autonomia sensibilmente inferiore rispetto ad un nodo LoRaWAN progettato per trasmissioni sporadiche. Le modalità di risparmio energetico possono ridurre il problema, ma la gestione della connettività rimane più impegnativa dal punto di vista energetico e progettuale.

Il Wi-Fi è particolarmente efficace nel monitoraggio industriale, nella building automation, negli elettrodomestici connessi e nei sistemi edge che richiedono una banda elevata. Anche la latenza può essere molto contenuta, rendendo la tecnologia interessante per applicazioni quasi real-time. Bisogna tuttavia considerare densità degli access point, interferenze, sicurezza della rete, gestione delle credenziali e continuità della copertura. Il fatto che un’infrastruttura Wi-Fi sia già presente non significa automaticamente che sia adatta a sostenere migliaia di dispositivi IoT.

BLE: la soluzione per il collegamento a corto raggio

Bluetooth Low Energy nasce con un obiettivo differente: ridurre il consumo energetico nelle comunicazioni wireless a corto raggio. Il suo punto di forza emerge soprattutto quando il dispositivo IoT non necessita di una connessione diretta alla rete Internet. Uno smart sensor può comunicare con uno smartphone, un gateway, un tablet o un altro dispositivo intermedio, lasciando a quest’ultimo il compito di gestire la connessione verso il cloud. Tale architettura è particolarmente utile nei dispositivi indossabili, nei sistemi medicali e industriali, nei beacon, nei sensori per edifici e nelle apparecchiature che devono essere configurate o manutenute localmente. Il consumo energetico può essere molto contenuto, soprattutto quando il dispositivo effettua trasmissioni brevi e poco frequenti. La possibilità di utilizzare smartphone e tablet come gateway riduce inoltre la necessità di installare una rete dedicata.

Figura 2

Il limite principale è rappresentato dalla copertura e dalla dipendenza dal dispositivo che svolge la funzione di gateway. BLE non dovrebbe quindi essere valutato soltanto in termini di distanza teorica, perché l’effettiva affidabilità del collegamento dipende da potenza radio, antenna, ostacoli, interferenze e modalità operative. La tecnologia BLE può comunque diventare estremamente efficace quando l’applicazione è basata su una struttura gerarchica, nella quale numerosi sensori a bassissimo consumo comunicano localmente con pochi nodi gateway.

NB-IoT: il cellulare entra nell’IoT a basso consumo

NB-IoT porta nel mondo IoT i vantaggi di una rete cellulare progettata specificamente per dispositivi caratterizzati da traffico ridotto e necessità di elevata copertura. Nello specifico, il dispositivo può comunicare direttamente con la rete dell’operatore senza richiedere un gateway locale, elemento che semplifica notevolmente alcune architetture di monitoraggio remoto.

La comunicazione NB-IoT è particolarmente interessante quando i sensori sono distribuiti su un territorio esteso e devono rimanere connessi anche in luoghi difficilmente raggiungibili. Pensiamo ad esempio a contatori intelligenti, sistemi di monitoraggio ambientale, infrastrutture urbane e dispositivi installati in aree periferiche, che per loro natura rappresentano scenari ideali per NB-IoT. La possibilità di sfruttare l’infrastruttura cellulare esistente elimina inoltre la necessità di realizzare una rete radio privata. Il confronto con LoRaWAN deve però essere condotto considerando anche il modello operativo. Con NB-IoT entrano in gioco SIM o eSIM, operatori di telecomunicazioni, piani dati e gestione delle sottoscrizioni. I costi operativi possono quindi assumere un peso significativo quando il numero di dispositivi cresce. Dal punto di vista energetico, NB-IoT può raggiungere livelli compatibili con dispositivi a batteria, ma l’autonomia effettiva dipende fortemente dalla qualità del segnale, dalla frequenza delle trasmissioni e dai meccanismi di power saving utilizzati. È quindi una soluzione particolarmente valida quando la copertura cellulare e la gestione centralizzata sono delle priorità.

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