IoT: Monitoraggio ambientale tramite LoRaWAN

1          Introduzione

Negli ultimi decenni abbiamo assistito ad un notevole progresso delle reti di telecomunicazioni che ha del tutto rivoluzionato il modo di comunicare ed interagire delle persone. Gli imponenti investimenti economici e le ricerchescientifiche hanno permesso di sviluppare tecnologie che aumentano l’efficienza con cui vengono scambiate leinformazioni. Gli sforzi sinora condotti si  sono concentrati nell’aumentare la capacit`a di  trasferimento per l’invio di maggiori volumi di dati. Si pensi ad esempio alla rapida evoluzione delle reti mobile 2G, 3G, 4G e prossimamente 5G che permettono lo scambio di contenuti ad altissime prestazioni in mobilit`a. Tale progresso tecnologico ha totalmente stravolto il paradigma di comunicazione e di come le persone interagiscono sia tra di loro che con le macchine. La grande ricchezza della societ`a moderna sono i dati, ma anche come questi vengono trasferiti.

Tuttavia, l’evoluzione delle telecomunicazioni riguarder`a sempre piu` lo scambio di dati tra macchine, segnando un cambiamento epocale in cui gli oggetti diventano intelligenti.

Dalla rivoluzione industriale ad oggi, i progressi tecnologici occorsi nella civilt`a possono essere visti come il tentativodell’uomo di creare agenti esecutori artificiali sempre piu` complessi a cui demandare i requisiti delle attivit`a di controllo.

Da  diverso  tempo  si  sente parlare della cosiddetta Industria 4.0, cos`ı denominata perch`e evoca una “quarta rivoluzione industriale” ovvero una nuova evoluzione tecnologica che porter`a diversi ambiti produttivi ad essere del tuttoautomatizzati e connessi[1]. La prima rivoluzione industriale ha visto protagonista la nascita della meccanizzazione,impianti idroelettrici e sistemi a vapore. La seconda fase dell’era industriale ha permesso la diffusione dell’elettricit`adelle catene di  montaggio  e  produzione  di  massa.   Il  secolo  scorso  `e  stato  segnato  dalla diffusione delle tecnologie informatiche e dall’automazione dei processi che hanno dato vita alla terza fase dell’evoluzione industriale. L’ultimo stadio evolutivo  prevede  la  pervasivit`a  dei  sistemi  di  comunicazione  applicati  alle macchine che hanno permesso la nascita di un nuovo paradigma di comuni- cazione chiamato Machine-To-Machine (M2M)[2]. In questo modo l’essereumano ha sempre meno incidenza sul ciclo produttivo in quanto le macchine sono in grado di interagire tra di loro scambiando informazioni al fine di poter attuare azioni sulla base di decisioni recepite dall’analisi del contesto.

Lo sviluppo di sistemi integrati consente l’invio di dati in modo totalmente automatico da parte di dispositivi che sono interconnessi tra loro attraverso il network. Le reti “tradizionali”, sono state progettate con prerogative diverse rispetto ai requisiti richiesti in ambito M2M. L’evoluzione delle LAN (Local Area Network) e di Internet ha visto, nel corso del tempo,come protagonista l’aumento  del  throughput  ovvero  la  quantit`a  di  dati  trasmessi  in  una  unit`a di tempo. Le comunicazioni M2M, invece, nell’ottica del sensing e automa- tion necessitano di scambiare piccole quantit`a diinformazioni.  Molto spesso il sensing viene fatto attraverso dispositivi alimentati a batteria, pertanto il consumo energetico diventa un requisito fondamentale alla base della pro- gettazione di sistemi intelligenti. Tipicamente si prediligono comunicazioni wireless soprattutto in luoghi privi di cablaggio strutturato. Per questo mo- tivo sono state sviluppate le LR-WPAN (Low Rate-Wireless Personal Area Network) e le LPWAN (Low Power Wide Area Network).

Le comunicazioni M2M possono realizzarsi anche attraverso protocollo IP, dando la possibilit`a di scambiareinformazioni tra macchine e sistemi in- formativi e sono associate alla cosiddetta Internet of Things (IoT). I termini M2M e IoT sono spesso usati indistintamente, tuttavia esistono delle differenze sostanziali.  La principale `e che mentre IoT habisogno della tecnologia M2M, non `e vero il contrario. Sebbene entrambi permettono la comunicazione tra dispositivi,con il paradigma M2M ci si limita a considerare le singole apparecchiature collegate in rete in un sistema chiuso,mentre IoT consente di interconnettere piu` sottosistemi M2M in un sistema che interagisce con l’ambiente fisico sia esso pervaso da oggetti connessi (Smart Objects) o persone.

I sistemi basati su M2M utilizzano trasmissioni point-to-point tra dispositivi, con i sensori e l’hardware dedicato che viaggia su varie tipologie di reti (wireless o cablate), mentre i sistemi IoT operano su reti basate su protocollo IP perinviare e gestire i dati raccolti ad apparati di rete specifici quali gateway, middleware o piattaforme cloud. Uno dei motividi successo  di IoT `e l’abbattimento dei costi di produzione delle componenti elettroniche con cui `e possibile assemblare e costruire dispositivi e sensori. L’evoluzione tecnologica prevede quattro principali direzioni d’intervento:

• Sistemi cibernetici avanzati (CPS, Cyber-Physical System): Evoluzione di macchine integrando  nuovi  sistemi  di  comunicazione  e  connettivit`a tra sistemi di produzione. Questi sistemi hanno l’obiettivo di migliorare l’automazione e l’interazione M2M oltre alla realizzazione di specifici sistemi robotici avanzati.
• Sistemi Human-To-Machine: Soluzioni tese a migliorare le interazioni tra uomo e macchina attraverso strategie che cercano di aumentare le competenze sensitive e cognitive creando un’integrazione fisica tra l’agente umano e la macchina.
• Sistemi analitici: Sviluppo di software in grado di realizzare soluzioni di machine learning  con  l’obiettivo  di incrementare  le  capacit`a  deduttive dei sistemi informativi utilizzando approcci adattivi che consentirebbe- ro di “imparare” partendo dai dati raccolti e analizzati.
• Sistemi Big Data: Sviluppo di nuove soluzioni IT per migliorare la ge- stione di grandi moli di dati e informazioni operando a diversi livelli come acquisizione, centralizzazione, archiviazione e potenza di calco- lo. Viene  data  anche molta  enfasi  alla  connettivit`a  tra  sistemi  extra- impresa  facendo  uso  della  rete  sfruttando  le  potenzialit`a  degli Open Data, IoT e Cloud Computing.

2          Stato dell’arte

Lo sviluppo delle reti di sensori WSN è di grande attualità ed è soggetto in diversi centri di ricerca. Le applicazioni che possono integrare queste reti WSN vanno dal militare al campo medico. Negli ultimi anni, c’è stato uno sviluppo costante dei protocolli di comunicazione WSN, supportato anche dallo sviluppo del concetto di Internet of Things.

Anche se il concetto di Internet delle cose (IoT) è spesso menzionato nella letteratura professionale, c’è una certaambiguità legata ad esso, a causa dei numerosi altri concetti che comporta, e anche per il suo nome. Così, il termine è stato definito vari modi, per esempio l’IoT si riferisce ad una rete mondiale (WWW- World Wide Web) di oggetti interconnessi indirizzabili in modo univoco, basati su standard protocolli di comunicazione.

Le architetture IoT utilizzano “gli oggetti” per raccogliere dati dall’ambiente e dopo averli elaborati attuano delle azioni. I requisiti di alcune applicazioni prevedono la trasmissione di pochi dati ed in maniera sporadica, su lunghe distanze econ basso consumo energetico.

Le tecnologie wireless usate nelle reti cellulari si collocano nella fascia delle trasmissioni a lungo raggio. Le frequenzeutilizzate operano nello spettro con licenza pertanto l’utilizzo della banda `e riservato ai provider, i quali vendono connettivit`a.  Le reti cellulari garantiscono un alto livello di QoS ma risentono del problema che essendo state progettate per traffico voce e dati ad alto data rate impiegano molta energia per le trasmissioni radio.

Le tecnologie basate sullo standard IEEE 802.15.4 (LR-WPAN) come Zigbee o Thread sono caratterizzate da limitato data rate e basso consumo energetico. Esse coprono le esigenze per trasmissioni a breve o medio raggio, pertanto nonsono adatte alla copertura di vaste aree geografiche.

Le tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network), sono state progettate per colmare i gap che sia le reti cellulari che le reti LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network) non riescono a soddisfare. Sul mercato  esistono  gi`a da  anni  tecnologie  che  sono  in  grado  coprire  solo  alcuni  di questi aspetti, ma nessuna di queste consolida tutti i requisiti, in quanto le assunzioni  alla  base  della  loro  progettazione  divergono  dalle  peculiarit`a  per le quali vengonoprogettate le tecnologie LPWAN.

Per le comunicazioni M2M (Machine To Machine) soprattutto nel conte- sto delle smart city si tende ad utilizzare le reti cellulari, come ad esempio la  tecnologia  NB-IoT. La motivazione deriva dal fatto che c’`e gi`a un’infrastruttura esistente che permette la trasmissione di dati, pertanto non sono necessari nuovi investimenti. Tuttavia, al contrario delle LPWAN, le reti cellulari sono costose in termini economici sia in quanto i provider per poter sostenere le spese di gestione dell’infrastruttura ribaltano i costi sul prezzo finale del servizio sia perché soggette ad un revamping tecnologico in fondo non sempre necessario per le finalità di un mondo IoT.

All’interno di questo panorama si collocano le reti LPWAN che sono state progettate per trasmettere piccole quantit`a didati su lunghe distanze, consentendo inoltre una lunga durata delle batterie. La maggior parte delle tecnologie LPWAN utilizza lo spettro di frequenza ISM (Industrial, Scientific and Medical), accessibile senza costi di licenza.

Le reti LPWAN offrono buone prestazioni quando operano in contesti in cui i dispositivi sono stazionari, anche secollocati in aree ad elevata densit`a. Questo scenario `e tipico degli ambienti urbani.  Le aree metropolitane sono caratterizzate dalla presenza di edifici che costituiscono un forte ostacolo alla propagazione dei segnali.  Il segnale radiodelle tecnologie LPWAN `e robusto, pertanto, permette un buon grado di penetrabilit`a degli ostacoli garantendo prestazioni concorrenti alle reti cellulari  M2M. Un’altra area  di  utilizzo `e  il contesto rurale, dove `e possibile ottenereottime prestazioni grazie alla scarsa presenza di ostacoli.  Inoltre, in queste aree, `e minore la presenza di copertura disegnale delle reti cellulari, pertanto le reti LPWAN possono trovare spazio per applicazioni di monitoraggio ambientale eagricoltura di precisione.

Prima dell’affermazione delle tecnologie LPWAN, sono stati fatti nume- rosi tentativi nel cercare di adattare letecnologie LR-WPAN ad aumentare il raggio di copertura usando le reti mesh. I risultati ottenuti non sono ottimali, perch`e il link budget di queste connessioni `e limitato a causa del data rate  piu`  elevato  e  della piu` bassa  sensitivit`a del  ricevitore  (rispetto  ad  LP- WAN). Zigbee, ad esempio, ha problemi nella trasmissione dati su distanze superiori ai 20-30 metri a causa della rapida attenuazione di segnale. Le reti mesh hanno il  vantaggio  di  essere  piu`  affidabili rispetto  alle  reti  a  stella,  in quanto,  essendoci  piu`  rotte  quando  si  verifica  il  guasto  di  un  nodo  `e  possi- bile trovare un percorso alternativo per l’instradamento dei pacchetti. Uno svantaggio  `e  che  i  nodi  con  il  ruolo  di  router  devono essere  sempre  accesi per poter instradare le comunicazioni con ricaduta sul consumo energetico delle batterie. Inoltre il firmware dei dispositivi usati nelle reti mesh deve implementare algoritmi sofisticati per gestire l’instradamento.

La topologia di rete a stella, invece, permette lo sviluppo di dispositivi meno sofisticati e si presta meglio a politiche di risparmio energetico. La maggior parte delle tecnologie LPWAN usano la rete a stella, il che rende molto  piu` semplice  sia  il  deploy  che  la  manutenzione.  Lo  svantaggio  princi- pale  di  questa  topologia  `e  che  essendoci  un unico  nodo  in  grado  di  gestire l’instradamento, in caso di guasto il servizio viene meno.

Per ottenere una lunga distanza nelle trasmissioni wireless `e necessario un elevato link budget che si traduce in un buon livello di energia e una ottima sensitivit`a da parte del ricevitore.  A causa dei limiti fisici delle trasmissioniwireless, in cui l’energia utile per il trasporto delle informazioni decade in maniera esponenziale raddoppiando ladistanza tra trasmettitore e ricevitore, vi  `e  la  necessit`a  di  mantenere  una  certa  potenza  minima  per  trasmetterecorrettamente il segnale. I sistemi  radio  nelle  reti  LPWAN  operano  con un link budget tra 140-160 dBm, che garantisce trasmissioni sul raggio di qualche chilometro.  Inoltre per raggiungere un’ampia copertura `e necessariaun’elevata  sensitivit`a  del  ricevitore,  che  nelle  tecnologie  LPWAN  si  attesta nell’ordine dei -130 db, contro i -98/-110 dBm di altre tecnologie wireless. Un ricevitore  con  una  soglia  di  sensitivit`a  pari  a  -130  dBm  consente  di  rilevaresegnali  10.000  volte  piu`  deboli  rispetto  alla  soglia  di  -90  dBm. Da questo confronto  `e  evidente  quanto  sia importante  adottare  soluzioni  che  abbiano questi requisiti per la trasmissione su lunghe distanze.

Sotto il termine LPWAN confluiscono tutta una serie di tecnologie che sono accomunate tra loro dalle caratteristiche di: trasmissione a lungo raggio, basso data rate, ridotto consumo energetico, bassi costi di produzione dei devices,  ampia capacit`a  della  rete  in  grado  di  garantire  connessioni  per migliaia di dispositivi. Per poter fare un confronto, al fine dipoter scegliere  la  piu`  adatta  al  contesto  applicativo,  `e  fondamentale  capire  quali  sono le  peculiarit`a  di  ogni tecnologia.   Sono  i  requisiti  dell’applicazione,  le  aree geografiche ed i costi di deploy che guidano la progettazione.

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Note

[1] https://www.researchgate.net/publication/322505680 What Drives the Implementation of

[2] Yongxin Liao,  Fernando Deschamps,  Eduardo de Freitas Rocha Lou- res, Luiz Felipe Pierin Ramos. Past, present and future of Industry 4.0 – a systematic literature review and research agenda proposal. DOI: 10.1080/00207543.2017.1308576 , 2017