Tecnologia per tener fede alla promessa IoT

Quando l'internet si è aperta al pubblico più di 20 anni fa, ha reso possibile tutta una serie di nuove imprese e nuovi modi di lavorare. Così facendo ha perturbato i modelli economici tradizionali basati su strutture aziendali fisiche. L'Internet delle cose (IoT) ha proseguito su questa strada, portando addirittura anche le risorse fisiche nel mondo virtuale online. Ogni struttura fisica potrebbe esserne colpita, ad esempio i sensori incorporati negli edifici per monitorarne le condizioni.

Usando l'intelligenza computazionale distribuita nel mondo fisico, IoT permette di guardare nuovamente ai modelli tradizionali. Le aziende possono chiedere: di cosa hanno veramente bisogno i consumatori o cosa possiamo fare per andare loro incontro? Abbiamo già visto questa trasformazione in atto nei motori a reazione per gli aerei. I fornitori principali sono stati i primi ad adottare il modello IoT, usando le reti di comunicazioni non solo per supportare la manutenzione dei propri prodotti ma anche il modo in cui le compagnie aeree li acquistano.

Il modello allinea gli incentivi della compagnia aerea e del costruttore dei motori a reazione focalizzandosi sulle parti più importanti di una gestione del trasporto aereo che dia profitti – riduzione dei tempi morti a terra per permettere al velivolo di servire il massimo numero di rotte. I sensori presenti nei motori forniscono aggiornamenti in tempo reale che vengono combinati con dati più dettagliati sulle condizioni ottenute quando il velivolo è a terra al gate dell'aeroporto. Le informazioni risultanti offrono al costruttore del motore una visione aggiornata sulle condizioni del motore, permettendogli di programmare la manutenzione off-wing (riparazione e revisione dei motori, manutenzione straordinaria) nel momento più opportuno secondo i piani di volo.

Lo stesso modello di business dei motori a reazione è studiato per incentivare il costruttore a tenere il velivolo in aria il più possibile e quindi, invece di comprare un motore, la compagnia sta di fatto affittando la capacità di tenere la sua flotta nei cieli. Sensori e comunicazioni mondiali danno al costruttore del motore la capacità di mantenere la promessa del suo modello di business.

Gli stessi principi possono essere estesi a diversi altri mercati. Ad esempio, le case automobilistiche possono passare dal loro ruolo tradizionale di fornitore di prodotti a quello di fornitore di trasporto affidabile. Altri fornitori della catena di valore automotive possono svolgere un ruolo. Invece di vendere pneumatici ai conducenti a intervalli regolari, i costruttori possono usare un modello di leasing che viene migliorato dall'uso di sensori, alcuni dei quali sono già installati negli pneumatici.

Figura 1: Diagramma di esempio di applicazione del sistema con il sensore di monitoraggio della pressione degli pneumatici della famiglia FXTH87 di NXP Semiconductor (Fonte: NXP).

Collegando il sistema di monitoraggio della pressione degli pneumatici a IoT e dati di guida, le applicazioni nel cloud possono informare il conducente quando è il momento opportuno per fermarsi e in quale stazione di servizio per regolare la pressione delle gomme e, se i dati di guida indicano un uso intenso, controllare la profondità del battistrada e le condizioni degli pneumatici. Quando l'usura si avvicina al punto in cui si rende necessario sostituire gli pneumatici, il conducente può recarsi da un gommista invece di attendere la revisione annuale. Questo approccio offre al consumatore un valore maggiore e dà al costruttore degli pneumatici una maggiore prevedibilità sui flussi di entrate.

In campo assicurativo, la trasformazione può essere ancora più drastica. Invece di avere assicuratori che usano le "informazioni attuariali" semplicemente per stimare i rischi quando stilano le polizze, gli assicuratori possono assumere un ruolo più attivo nel ridurre i rischi e i loro costi generali, fornendo a se stessi e ai consumatori un valore superiore. Ad esempio, uno dei costi maggiori di un'assicurazione sulla casa è rappresentato dalla pulizia e dalla ristrutturazione dopo un allagamento causato dalla rottura di un tubo. Più tempo passa per riparare il tubo, più i costi aumentano. Se la casa non è abitata, può passar molto tempo prima che si riconosca il problema e i costi salgono alle stelle.

Se i sensori in casa rilevano una perdita d'acqua, una valvola automatica può chiudere l'impianto dell'acqua e ridurre notevolmente il potenziale di danni. I sensori possono rilevare altri problemi per cui l'assicuratore può fornire servizi che li affrontano prima che diventino costosi. In questo modo, il suo ruolo cambia in fornitore di garanzia.

Esistono diverse tecniche che permettono alle aziende di sfruttare al meglio IoT. Come illustrato negli esempi sopra, sensori e comunicazioni rappresentano due tecnologie critiche. Ma è importante tener conto dell'infrastruttura che rende possibile il sistema nel suo insieme.

Nella maggior parte delle applicazioni esistenti analoghe a IoT, il ruolo dell'infrastruttura delle comunicazioni è più simile a quello di una intranet. I sensori sono stati installati dai produttori, che spesso si occupano anche della gestione della rete anche se possono affittare capacità su un'infrastruttura di comunicazioni esistente, come quella dei cellulari. IoT offrirà il valore massimo permettendo di utilizzare i dati e le reti di più provider per creare una singola applicazione.

Ad esempio, il proprietario potrebbe installare i sensori dell'acqua e la società dell'acqua la valvola automatica. La chiave per coordinare le proprie azioni sta nel software sviluppato dall'assicuratore, che può venire eseguito in più località. Gli algoritmi centrali che determinano se la lettura dell'acqua indica un allagamento spesso verranno eseguiti in server nel cloud. Questi server possono essere di proprietà diretta della società dell'acqua oppure essere in leasing da un operatore come Amazon Web Services o Microsoft Azure.

Per garantire una risposta in tempo reale, parte dell'applicazione potrebbe venire eseguita in un gateway IoT molto più vicino ai sensori e agli attuatori. Questo gateway rappresenta uno dei maggiori cambiamenti all'architettura informatica che deve essere apportato per estrarre tutto il valore possibile da IoT.

A un dato livello, un gateway IoT svolge le stesse funzioni del router in un'abitazione, in un ufficio o in una cella industriale. Raccoglie i dati da più nodi di sensori, comandi relè ed attuatori e alimenta le informazioni al cloud. Le connessioni tra il gateway e i vari nodi IoT sono parte dello strato di nebbia ("fog"), che le distingue dalle connessioni su Internet allargata nel cloud.

Una delle direzioni possibili nei progetti di gateway consiste nel farne degli host per le applicazioni IoT. Un'architettura virtualizzata basata su un ipervisore permette di separare le funzioni core di routing e gestione della rete da applicazioni scaricabili che possono venire da diversi provider di servizi e fornitori di apparecchiature. Il gruppo Prpl ha dimostrato l'architettura e ha sviluppato un ipervisore in grado di supportarla, fornendolo come open-source. Questo semplificherà ai produttori l'implementazione delle funzioni core di un gateway IoT e agli autori delle applicazioni la creazione di software eseguibile in esse.

Per la rete fog, integratori e sviluppatori si trovano di fronte a un numero di scelte che cambiano moltissimo in termini di portata, velocità dei dati e altre capacità. La natura ampiamente diversificata dell'IoT fa sì che non esista una soluzione idonea per tutto.

Basti pensare alla varietà presente persino nel nascente campo dell'agricoltura intelligente. Parte interesserà siti industriali in abbandono (aree dismesse) relativamente piccoli, dove i prodotti sono coltivati in serre. Anche se l'ambiente della serra rende relativamente facile controllare l'irrigazione delle piante, la natura chiusa di questa forma di agricoltura tende a portare a una rapida diffusione delle malattie.

L'agricoltura tradizionale nei campi deve affrontare altre sfide. Malattie e infestazioni di parassiti sono dei problemi ma la chiave per una coltivazione efficiente senza sprechi d'acqua consiste nel monitorare gli effetti dell'irrigazione a livello del suolo. Monitorando i livelli di umidità nel suolo stesso, i sensori possono alimentare applicazioni che controllano un'irrigazione altamente diretta. Solo quando il livello di umidità scende troppo in una particolare parte del campo, l'irrigazione viene attivata. Per evitare un'irrigazione eccessiva, le altre parti del campo non vengono innaffiate. Queste tecniche vengono già applicate in aree aride, come la California, che negli ultimi anni è stata fortemente colpita dalla siccità.

Nell'ambiente delle serre, i dati sul suolo possono essere importanti. Ma, data la possibilità di riciclare l'acqua, la preservazione non è altrettanto importante. Si può utilizzare invece il sistema idroponico, con un diverso tipo di sensori per monitorare i flussi e mantenere una buona distribuzione dei nutrienti. Per tenere sotto controllo le malattie, si possono utilizzare aeromobili a pilotaggio remoto o APR, comunemente noti come droni, o APR (aeromobili a pilotaggio remoto) per ispezionare i raccolti e identificare quelli con un urgente bisogno di trattamento o che vanno rimossi per evitare di infettare il resto della coltivazione.

Le esigenze di comunicazioni tra le due forme di agricoltura possono essere alquanto diverse. Le comunicazioni a grande larghezza di banda sono più importanti nell'ambiente delle serre, per permettere di riconoscere meglio i sintomi di una malattia tramite applicazioni basate su cloud o su gateway. Tuttavia, l'ambiente localizzato permette di usare protocolli a corto raggio, con larghezza di banda superiore, come Bluetooth o Wi-Fi. L'ambiente open-air dell'agricoltore tradizionale si presta meno per le reti fog a raggio limitato, ma possono essere adottate altre opzioni, come LoRaWan o la rete cellulare.

Sebbene sia stata sviluppata principalmente come rete personale (PAN) per dispositivi che comunicano con i cellulari, lo spazio di applicazione per Bluetooth si è ampliato enormemente grazie a una serie di miglioramenti del protocollo che continuano tutt'ora. Uno dei cambiamenti sviluppati dal Bluetooth Special Interest Group (SIG) estenderà di ben quattro volte la normale portata di trasmissione di 100 metri. L'estensione della portata riduce il bitrate ma il protocollo è adattivo per cui i nodi più vicini possono usare velocità di trasmissione superiori. A dispositivi molto ravvicinati fra loro, questo cambiamento porterà un aumento della velocità dei dati fino a 2 Mbit/s.

Un altro cambiamento che allinea Bluetooth con altre reti orientate a IoT come 6LowPAN e Zigbee è l'aggiunta di supporto per la connettività di rete a maglie. La specifica IEEE 802.15.4 per comunicazioni wireless su cui sono basate 6LowPAN e Zigbee, è stata progettata per supportare la connettività di rete a maglie, che può essere usata per estendere la portata e la resilienza effettive di questi protocolli di rete fog.

Una rete a maglie permette ai pacchetti di percorrere una lunga distanza usando comunicazioni a corto raggio. Questo perché un pacchetto può usare i brevi salti (hop) tra i nodi che si trovano tra la sorgente e la destinazione. La tecnica a maglie migliora la resilienza perché, se un nodo cede, spesso ce n'è un altro che può essere usato per trasmettere i dati. Inoltre, permette di posizionare sensori in punti di difficile accesso – ad esempio sul tetto di una serra – anche se sono fuori dal raggio del nodo gateway IoT.

Le revisioni di Bluetooth tengono inoltre conto della natura eterogenea di IoT permettendo ai nodi di sensori che supportano il protocollo di interagire con i dispositivi 6LowPAN. Anche se introdotto dopo Zigbee, 6LowPAN probabilmente diventerà il protocollo prevalente nelle installazioni IoT poiché è stato adottato dal Thread Group. Thread aggiunge funzioni come l'autenticazione e la crittografia a 6LowPAN per migliorare la sicurezza complessiva.

Protocolli come 6LowPAN operano non solo nella banda dei 2,4 GHz usata da Bluetooth e Wi-Fi, ma anche in bande al di sotto di 1 GH esenti da licenza come quella degli 868 MHz. Questo campo di frequenza inferiore supporta bitrate comparativamente bassi a causa dell'uso di trasmissioni a banda stretta. Il campo tende tuttavia ad aumentare, con un impatto minimo sui consumi. Di conseguenza, il fatto di operare a meno di 1 GHz favorisce l'implementazione di nodi di sensori wireless in situazioni in cui la connettività di rete a maglie è meno idonea ma sono richieste trasmissioni su una distanza maggiore. Ne sono un esempio i sensori installati a intervalli regolari lungo tratti stradali per trasmettere messaggi a e da il cloud.

Passando a un protocollo come LoRaWan o SIGFOX, è possibile per un singolo gateway rimanere in contatto con un gran numero di sensori che possono essere distribuiti in campagna a distanza di 1 km o più.

Figura 2: SX1272/73 di Semtech - Transceiver a lungo raggio a basso consumo tra 860 e 1020 MHz – Diagramma a blocchi.

Il protocollo LoRaWan è stato sviluppato da Semtech, che assieme a Microchip Technology e STMicroelectronics, offre transceiver compatibili. La disponibilità di silicio permette agli sviluppatori di applicazioni IoT e agli integratori di scegliere la natura della rete fog. Possono implementare il proprio hardware gateway o usare reti, sia pubbliche che private. Oltre all'implementazione in corso di reti LoRaWan commerciali, dei volontari stanno installando le proprie offerte gratuite. Ne è un esempio la città di Amsterdam nei Paesi Bassi, che è coperta quasi per intero da undici gateway installati da membri dell'organizzazione The Things Network.

La maggior parte dei transceiver sviluppati per comunicazioni a 868 MHz o bande simili possono usare il protocollo SIGFOX. Questo protocollo è destinato principalmente a comunicazioni unidirezionali, a bassa velocità, con i nodi gateway installati dalla società che ha sviluppato il protocollo.

Un'altra opzione per comunicazioni a distanze superiori consiste nell'usare reti per cellulari 3G e 4G. Il gruppo di standardizzazione 3GPP ha già sviluppato una versione del protocollo 4G LTE per applicazioni IoT e sta lavorando ad un altro, Narrowband IoT, che ridurrà la complessità e i consumi.

Conseguentemente agli sviluppi dell'infrastruttura delle comunicazioni, i dispositivi IoT troveranno più modi per connettersi alla rete fog e al cloud. Perché ciò avvenga, occorrerà connettere fra loro questi sistemi disparati ed è qui che giocheranno un ruolo fondamentale gli standard per software e dati.

Protocolli come il Constrained Applications Protocol (CoAP) permettono di estendere il vantaggio di standard Internet come il protocollo HTTP (HyperText Transfer Protocol) ai nodi di sensori attraverso la rete fog. CoAP fornisce un accesso ad HTTP particolarmente idoneo per microcontroller con risorse di memoria ed elaborazione limitate. CoAP supporta lo stesso modello di programmazione REST (REpresentational State Transfer) diventato consueto per lo sviluppo di applicazioni basate sul Web. Tuttavia, adopera un formato binario al posto di uno testuale che è più compatto rispetto all'HTTP tradizionale, rendendolo idoneo per connessioni a bassa velocità dei dati.

Figura 3: Capacità QoS (qualità del servizio) MQTT (Fonte MQTT - Un protocollo pratico per Internet delle cose: Soluzioni IBM MessageSight)

Altri protocolli, come MQ Telemetry Transport (MQTT), supportano un'architettura di applicazioni alternativa. MQTT supporta un modello publish-subscribe in contrasto con l'architettura client-server di CoAP. L'architettura publish-subscribe è idonea per IoT perché fornisce dati di singoli nodi sensore da applicazioni diverse senza richiedere l'accesso diretto ai nodi stessi per ognuna di esse. In tal modo si riduce la domanda alla rete fog e si rende possibile la scalabilità. CoAP e MQTT non si escludono a vicenda. I gateway possono raccogliere i dati utilizzando CoAP e fornire poi l'accesso ad altre applicazioni utilizzando MQTT o altri protocolli che potrebbero venire alla luce.

Il punto chiave è che l'architettura già dispiegata supporterà l'interoperatività e, grazie a questo, terrà fede a una delle promesse principali di IoT, ovvero la possibilità di sviluppare applicazioni innovative e proficue in tempi rapidi e senza richiedere ogni volta cospicui investimenti infrastrutturali.

Ad esempio, una volta installati APR e altri sensori per monitorare le coltivazioni, gli agricoltori potrebbero prendere decisioni sul raccolto in base ai dati del mercato o alla situazione dei trasporti. Un'applicazione basata sul cloud che tenga traccia della richiesta di una determinata derrata alimentare potrebbe spingere ad accelerare la raccolta per far fronte a un aumento del fabbisogno. Un'altra applicazione potrebbe azionare un sistema di raccolta just-in-time per assicurare la massima freschezza. La raccolta per un determinato giorno inizia solo quando un camion è nei pressi dell'azienda agricola, avendo la garanzia che sarà ultimata per quando il camion arriverà, grazie all'uso di software predittivo che utilizza i dati degli APR per stabilire le quantità del raccolto pronto.

Non è necessario aggiungere sensori ai camion per determinare la loro posizione e i tempi probabili di arrivo; sono già installati. L'unico requisito è che vi siano dati a disposizione dell'applicazione, che possono essere organizzati con protocolli come CoAP e MQTT.

IoT abbraccia le comunicazioni, la tecnologia dei sensori, le informazioni basate su cloud e i protocolli software aperti. IoT promette di dischiudere un nuovo mondo di capacità spinte da modelli di business che sarebbero impensabili senza la combinazione di queste tecnologie.