Stack wireless specifici
Stack wireless open source
Esistono anche stack open source rilasciati da alleanze di sviluppatori pensati per sostituire il livello applicativo dei chip IoT attualmente più diffusi per orientarli verso ambiti di utilizzo più specializzato. Un esempio è OpenThread che si pone sopra i chip 802.15.4 realizzando con l’implementazione dello stack Thread una alternativa a Zigbee per l’industria. Sempre basandosi sul livello fisico di Zigbee (802.15.4), lo stack aperto per l’industria ISA100.11a (IEC62734) lo integra con il livello di rete 6LowPan e, a livello applicativo, realizza funzioni specifiche, di monitoraggio, controllo (catena aperta e chiusa) e sicurezza (sensori di gas). Oppure OpenWSN che utilizza l’implementazione di TSCH IEEE 802.15.4g/e come protocollo di accesso al mezzo e protocolli standard IETF come protocolli di livello superiore (6LowPan, REPL e UDP), o anche OSS-7 che implementa la pila di protocolli DASH7. DASH7 ha la particolarità di avere un livello fisico praticamente agnostico, cioè supporta la maggior parte dei protocolli di accesso disponibili come, ad esempio, LoRa o IEEE 802.15.4g inoltra possiede la particolarità insolita di mapparsi perfettamente sullo stack ISO/OSI, cioè definisce un protocollo per ogni livello OSI.
Gli stack personalizzati o opensource sono utili per realizzare soluzioni ad hoc calate in un ben preciso contesto aziendale come, ad esempio, la gestione dell’automazione HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria). In questo caso per una stessa funzione, magari in zone diverse, sono dislocata tecnologie diverse, cioè reti WSN eterogenee oppure miste wireless e cablate, che magari si ha l’interesse a rendere interoperabili ai livelli superiori del loro stack OSI. In questo contesto sono ancora dominanti, in ambito WSN, il WiFi e le tecnologie cellulari (NB-IoT) indoor. In ambiti specializzati cercano di farsi strada, tra gli stack e i protocolli non citati, Insteon, Wavenis, Webree, Z-wave, ANT+ e CSRMesh.
Uno stack commerciale, essendo completo fino al livello di applicazione, ha il vantaggio di garantire una grande interoperabilità con tutti i dispositivi in commercio a prescindere dalla loro marca, l’importante è che sia standardizzato e tutti i vendor derivino i loro dispositivi da esso. Si consideri, ad esempio, una rete mesh (magliata) Zigbee (ma la situazione sarebbe analoga per il Blutooth BLE). Questa è composta da router, cioè nodi di smistamento, che, dispiegati in numero adeguato, hanno il compito di allargare le dimensioni della rete, ben oltre la linea di raggiungibilità del nodo sorgente dei comandi, ipoteticamente in ogni angolo della casa. In un contesto domestico (home automation), i router sono essi stessi dispositivi commerciali acquistati non curandosi affatto della loro funzione di rete (routing) ma semplicemente tenendo conto di una funzione di utilità domestica come ad esempio creare un punto di illuminazione (lampadina). Se i dispositivi condividono tutti lo stesso stack WSN il vantaggio per l’utente è chiaro. Con l’acquisto di un dispositivo con alimentazione costante (magari perchè collegato alla rete) l’utente compra anche il dispositivo che permette di espandere la rete, e ciò a beneficio non solo dei dispositivi del brand del prodotto acquistato ma anche a vantaggio di quelli già installati e di quelli che si acquisteranno in futuro. La rete diventa una infrastruttura completamente trasparente all’utente basata fisicamente e funzionalmente su tutti gli oggetti smart con cui egli popola la propria abitazione. Il protocollo di routing dinamico della rete garantisce l’affidabilità dell’infrastruttura ricalcolando, in maniera trasparente all’utente, il percorso di un messaggio di azionamento in caso di guasto di un nodo di transito.
Stack wireless orientati allo smart metering
Wireless M-Bus
Detto anche Wireless Meter-Bus è lo standard europeo (EN 13757-4) che specifica la comunicazione tra contatori delle utenze e gateway per contatori intelligenti. Sviluppato come standard per soddisfare la necessità di un sistema wireless di lettura dei contatori delle utenze in Europa, Wireless M-Bus viene adesso utilizzato come base per la nuova Infrastruttura di Misurazione Avanzata (AMI). Il DLMS è uno standard di tipo aperto ratificato come IEC 61334-4-41. E’ un protocollo di livello applicativo che definisce i requisiti minimi per un contatore affinché possa comunicare con altri dispositivi DLMS. Vengono, in particolare, stabiliti tutti i tipi di misure che il contatore deve essere in grado di rilevare e le relative modalità di invio, su richiesta di un client remoto, oltre ai requisiti in termini di performance che il dispositivo deve garantire. Il DLMS, inoltre, è uno standard adatto non solo alle sole reti elettriche, ma anche alle reti di altri vettori energetici, quali gas, calore ed acqua.
IEEE 802.15.4g
Lo IEEE 802.15 WPAN Task Group 4g (TG4g) ha proposto questo standard per estendere il corto raggio dello standard di base IEEE 802.15.4 (livello fisico Zigbee) per le reti di smart metering intelligenti o Smart Utility Network (SUN). Definisce tre livelli fisici intercambiabili, uno basato su frequency shift keying (FSK), accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale (OFDMA), e sfasamento in quadratura offset keying (OQPSK). Fornisce copertura di diversi km. Le velocità dati supportate vanno da 40 kbps a 1 Mbps a seconda del livello fisico e regione in cui opera. Funziona secondo il principio di CSMA/CA e supporta stella, mesh, e altre topologie. E’ il livello fisico dello stack commerciale Zigbee NAN, di quello Wi SUN, oltre che di quello open source DASH7. Nati per il contesto dello smart metering ambiscono ad un utilizzo per l’IoT generico in ambito LPWA a corto raggio.
NB-Fi
WAVIoT ha sviluppato il protocollo LPWAN aperto, chiamato NB-Fi, che opera nella banda radio ISM senza licenza. Il protocollo NB-Fi consente comunicazioni wireless a lunghissimo raggio (fino a 10 km in aree urbane, fino a 30 km in aree rurali) a basso consumo energetico. Poiché le bande ISM sub-1 GHz sono affollate, i gateway sono progettati per funzionare con un algoritmo di prevenzione delle interferenze. Per ottenere una migliore efficienza nell’allocazione della banda e migliori prestazioni, impiega algoritmi basati sulla tecnologia SDR, reti neurali e tecniche di intelligenza artificiale. Nato per il contesto dello smart metering si vorrebbe utilizzarlo in quello più ampio dell’LPWA in generale.
Stack wireless orientati all’energy harvesting
La tecnologia EnOcean utilizza un protocollo ottimizzato per il risparmio energetico (energy harvesting) standardizzato come ISO/IEC 14543-3-10 Home Electronic Systems (HES) protocollo Wireless Short-Packet (WSP). I pacchetti di dati wireless EnOcean sono relativamente piccoli, essendo lunghi solo 14 byte e trasmessi a 125 kbit/s. L’energia RF viene trasmessa solo per gli 1 dei dati binari, riducendo la quantità di potenza richiesta. Tre pacchetti vengono inviati a intervalli pseudo-casuali riducendo la possibilità di collisioni di pacchetti RF.
L’harvesting consiste nel recupero dell’energia necessaria alla trasmissione o alla ricezione dall’ambiente mediante lo sfruttamento di movimenti meccanici e altri potenziali ambientali come la luce interna e le differenze di temperatura. Per trasformare le fluttuazioni di energia magnetica, solare e termica raccolte dall’ambiente in energia elettrica per alimentare il dispositivo, vengono utilizzati convertitori di energia molto compatti.
I dispositivi, come sensori e interruttori della luce, funzionano senza batterie e i segnali radio di questi sensori e interruttori possono essere trasmessi in modalità wireless fino a una distanza di 300 metri all’aperto e fino a 30 metri all’interno degli edifici.
