Protocolli IoT: quali sono, esempi e come scegliere

Un protocollo IoT è un insieme di regole che, all'interno di una rete IoT, permette a dispositivi, sensori, gateway e server di scambiarsi dati in modo affidabile. Senza protocolli, la comunicazione tra i vari elementi del sistema non sarebbe possibile. 

Tra i più diffusi troviamo MQTT, CoAP, Zigbee, LoRaWAN, NB-IoT e LTE-M, ciascuno pensato per esigenze diverse in termini di portata, consumo energetico e velocità di trasmissione.

Il ruolo dei protocolli nell'IoT

Il protocollo determina il funzionamento dell'intero sistema IoT. Senza una base comune, dispositivi di produttori diversi non riuscirebbero a interoperare: un termostato smart e un'app di controllo remoto, ad esempio, possono dialogare solo se entrambi rispettano lo stesso protocollo di comunicazione. 

Oltre alla compatibilità, la scelta del protocollo incide su prestazioni concrete come velocità di trasmissione, consumo energetico e livello di sicurezza, aspetti da valutare in base al contesto d'uso del dispositivo. 

Quanti protocolli IoT esistono?

In breve, molti. L'IoT è eterogeneo e coinvolge diversi dispositivi, protocolli e applicazioni intelligenti. Progetti e casi d'uso diversi richiedono dispositivi e protocolli diversi. 

Ad esempio, una rete IoT che raccoglie dati meteo su un'ampia area ha bisogno di numerosi sensori a basso consumo, privilegiando l'efficienza energetica rispetto alla velocità o alla sicurezza. Al contrario, un sistema IoT con sensori medici sulle ambulanze che trasmettono i dati dei pazienti agli ospedali deve dare priorità alla velocità e alla sicurezza, richiedendo protocolli più potenti e sicuri.

Gli esperti hanno classificato l'architettura IoT in diversi livelli per semplificare la manutenzione e promuovere l'interoperabilità. Uno dei migliori framework per la comprensione dei livelli IoT è il modello OSI (Open Systems Interconnection), che definisce sette livelli in un'architettura top-down.

Livelli del modello OSI

Gli esperti semplificano anche l'architettura IoT in modelli a tre, quattro o cinque livelli, ciascuno paragonabile al costrutto OSI. Ad esempio, un modello a tre strati comprende i livelli di applicazione, rete/internet e percezione/sensing. Un modello a quattro strati aggiunge il livello di trasporto e un modello a cinque strati include un livello di analisi dei dati aziendali per ottenere informazioni utili.

Categorie di protocolli IoT

Protocolli applicativi IoT

MQTT (Message Queueing Telemetry Transport)

MQTT è un protocollo di comunicazione leggero progettato per applicazioni IoT e M2M, ideale per ambienti remoti o con larghezza di banda limitata. Utilizza un'architettura publish/subscribe, in cui le applicazioni possono pubblicare o sottoscrivere argomenti e un broker MQTT facilita il trasferimento delle informazioni.

Esempio: Un sensore di manutenzione predittiva su una piattaforma petrolifera rileva le variazioni delle vibrazioni e pubblica i dati tramite MQTT. Il broker MQTT passa questi dati a un'applicazione sottoscritta, attivando gli avvisi quando necessario.

HTTP (HyperText Transfer Protocol)

L'HTTP è ampiamente utilizzato per la navigazione web e le REST-API, consentendo agli sviluppatori web di inviare dati tramite richieste HTTP POST. Nonostante la sua natura priva di connessioni e il consumo di dati più elevato, HTTP è adatto a casi d'uso con minori vincoli di dati e batteria.

WebSocket

WebSocket è un protocollo di comunicazione bidirezionale che consente la trasmissione di dati in tempo reale con una bassa latenza e un overhead minimo, rendendolo adatto alle applicazioni IoT che richiedono scambi di dati frequenti e ad alto volume.

AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)

AMQP è un protocollo open-source progettato per l'interoperabilità tra sistemi, dispositivi e applicazioni. Offre più opzioni di routing rispetto a MQTT, ma comporta una maggiore complessità e un maggiore overhead.

CoAP (Constrained Application Protocol)

CoAP è progettato per reti a bassa potenza e con perdite e viene spesso abbinato a UDP per garantire l'efficienza. È adatto ad applicazioni come le comunicazioni con i contatori intelligenti, dove la conservazione della batteria è fondamentale.

LwM2M (Lightweight Machine-to-Machine)

Basato su CoAP, LwM2M fornisce comunicazioni efficienti a basso consumo insieme a funzionalità di gestione e provisioning dei dispositivi, utilizzando protocolli come UDP, TCP e SMS per il trasporto dei dati.

XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol)

XMPP, basato su XML, inizialmente era destinato alla messaggistica istantanea, ma ora facilita la comunicazione di dati ben strutturati tra le piattaforme, nonostante sia meno ottimizzato per i dispositivi con memoria limitata.

DDS (Data Distribution Service)

DDS è un protocollo interoperabile in tempo reale per l'elaborazione affidabile e distribuita tra dispositivi. Utilizza un meccanismo publish/subscribe con scambio diretto di dati peer-to-peer, supportato da TCP e UDP.

SMS / SMPP (Short Message Peer-to-Peer Protocol)

Gli SMS consentono lo scambio di dati attraverso le connessioni cellulari, mentre l'SMPP facilita la comunicazione programmatica con i dispositivi attraverso i centri SMS dei fornitori di servizi.

USSD (Unstructured Supplementary Service Data)

USSD, o "Feature Codes", recupera dati basati su testo dai dispositivi IoT senza una connessione dati. Tuttavia, sta diventando obsoleto con la progressiva eliminazione delle reti 2G e 3G da parte dei carrier.

Protocollo SSI (Simple Sensor Interface)

Il protocollo SSI consente una comunicazione semplice e a basso consumo tra sensori e terminali IoT, ma la mancanza di aggiornamenti dal 2006 potrebbe renderlo obsoleto.

Protocolli applicativi IoT specifici del settore

OCPP (Open Charge Point Protocol)

OCPP è uno standard aperto per le stazioni di ricarica EV, che facilita la comunicazione con un sistema centrale per la sicurezza, le transazioni, la diagnostica e la gestione dei dispositivi.

IEC 62056

Questa serie di standard della Commissione Elettrotecnica Internazionale definisce gli scambi di dati per i contatori di elettricità, con l'obiettivo di una standardizzazione internazionale.

OBD2/CAN Bus

I protocolli OBD2 e CAN Bus definiscono la comunicazione tra i sistemi del veicolo e le porte diagnostiche, comunemente utilizzate per acquisire le informazioni telematiche del veicolo.

OPC UA

OPC Unified Architecture è un protocollo versatile e interoperabile per l'IoT industriale, che facilita lo scambio di dati tra i sensori connessi e il cloud.

M-bus wireless

Questo standard europeo è stato progettato per la comunicazione con i contatori intelligenti e offre una buona penetrazione interna e un'ampia adozione in Europa, nonostante la mancanza di uno standard di certificazione.

Protocolli IoT per dispositivi consumer

Matter

Sviluppato da Google, Apple, Amazon, Samsung SmartThings e Zigbee Alliance, Matter migliora la compatibilità tra i dispositivi smart home di diversi fornitori.

Weave

Inizialmente destinato ai prodotti Nest, Weave (acquisito da Google) facilita la comunicazione IoT su vari tipi di rete, tra cui Ethernet, Wi-Fi e Bluetooth Low Energy.

HomeKit Accessory Protocol (HAP)

L'HAP di Apple consente ai dispositivi di terze parti di comunicare con i prodotti Apple, permettendo il controllo dei dispositivi domestici intelligenti attraverso le interfacce Apple.

KNX

Standard aperto per l'automazione degli edifici, KNX opera su vari collegamenti ed è derivato da diversi protocolli europei.

X10

Sviluppato nel 1975, X10 è tuttora utilizzato per il controllo remoto dei dispositivi domestici tramite Power Line Communication (PLC) e RF.

Z-Wave

Protocollo per la casa intelligente che utilizza la rete mesh per collegare i dispositivi a un hub centrale, Z-Wave offre una portata maggiore rispetto al Bluetooth e un consumo energetico inferiore rispetto al Wi-Fi.

Protocolli di trasporto IoT

UDP (User Datagram Protocol)

UDP privilegia la velocità rispetto all'affidabilità, rendendolo ideale per applicazioni sensibili al tempo come lo streaming video e il VoIP.

TCP (Transmission Control Protocol)

Il protocollo TCP garantisce una consegna accurata dei dati, privilegiando l'affidabilità rispetto alla velocità, ed è adatto per le applicazioni in cui l'integrità dei dati è fondamentale.

Protocolli IoT a livello di rete

IP (Internet Protocol)

L'IP assegna gli indirizzi alle entità di rete, consentendo l'instradamento dei pacchetti di dati su reti diverse.

Protocolli IoT a livello fisico e di collegamento dati

Protocolli IoT a livello fisico e di collegamento dati

Wi-Fi

Il Wi-Fi crea reti locali per la connettività dei dispositivi, ma potrebbe non essere ideale per l'IoT a causa delle interferenze del segnale e del consumo energetico più elevato.

LTE (Long-Term Evolution)

LTE fornisce dati ad alta velocità per le applicazioni multimediali, ma è costoso e non adatto ai dispositivi IoT alimentati a batteria. LTE CAT-1 offre un'alternativa più semplice e meno costosa.

GSM

Nonostante la sua età, il GSM rimane ampiamente utilizzato per l'IoT grazie alla sua semplicità e convenienza, anche se il suo futuro è incerto a causa del progressivo abbandono delle reti 2G.

GPRS

Miglioramento del 2G, il GPRS offre una maggiore velocità di trasmissione dati e un accesso a Internet sempre attivo.

UMTS

Sinonimo di 3G, l'UMTS offre una maggiore larghezza di banda ed efficienza rispetto al GSM, ma rischia l'obsolescenza a causa del tramonto delle reti 3G.

5G

Il 5G offre velocità di trasmissione molto elevate e bassa latenza, ma resta poco adatto alla maggior parte dei dispositivi IoT a basso consumo per via del costo dei moduli e dei consumi energetici. È utilizzato soprattutto in applicazioni che richiedono banda larga e latenza minima, come videosorveglianza ad alta definizione e reti private industriali.

5G RedCap

5G RedCap è una variante del 5G che riduce complessità, costo e consumo energetico dei dispositivi, colmando il divario tra le reti LPWAN (NB-IoT, LTE-M) e il 5G completo. È utilizzato in applicazioni di fascia intermedia come sensori industriali, videosorveglianza, wearable e tracciamento di asset. 

NB-IoT

NB-IoT è una tecnologia LPWAN cellulare economica, nota per la lunga durata della batteria e la penetrazione superiore del segnale, che la rende ideale per i dispositivi IoT in aree difficili da raggiungere, come i sotterranei, gli interni e le zone rurali. Il suo basso consumo energetico e l'ampia copertura dell'area consentono alle aziende di risparmiare sui costi di gestione dei dati e dei dispositivi.

LTE-M

LTE-M (Long-Term Evolution for Machines) è una tecnologia di comunicazione altamente efficiente che offre un basso consumo energetico, un'ampia copertura e un'elevata affidabilità, rendendola ideale per i dispositivi IoT. Supporta dispositivi a basso consumo energetico, consentendo loro di funzionare per anni con una sola carica della batteria, anche in luoghi remoti e difficili da raggiungere. LTE-M offre canali di comunicazione sicuri, basati sui moderni standard di sicurezza delle reti LTE, ed è conveniente grazie alla minima necessità di infrastrutture. Questa tecnologia è adatta a diverse applicazioni, tra cui le smart city, la logistica e la produzione industriale, per migliorare l'efficienza operativa e consentire il monitoraggio degli asset in tempo reale.

NFC (Near Field Communication)

L'NFC consente la connettività a distanza ravvicinata, facilitando il tap-to-pay e applicazioni simili.

PLC (Power Line Communication)

Il PLC utilizza le linee elettriche esistenti per la trasmissione dei dati, offrendo una soluzione di connettività semplice ma inaffidabile.

MIoTy

MIoTy utilizza la suddivisione dei telegrammi e la correzione degli errori per una connettività IoT industriale efficiente e su larga scala.

LoRa e LoRaWAN

LoRa offre una robusta potenza di segnale e sicurezza, mentre LoRaWAN collega i dispositivi a una rete, adatta per applicazioni IoT a bassa potenza e ad ampio raggio.

Sigfox

Sigfox offre una comunicazione a lungo raggio e a basso contenuto di dati, adatta ad applicazioni IoT semplici ma limitata dalle dimensioni ridotte dei messaggi.

Neocortec

Il protocollo di rete mesh di Neocortec enfatizza la semplicità e l'affidabilità, richiedendo ai produttori di gestire la propria infrastruttura.

Weightless

Weightless, una tecnologia LPWAN, offre una trasmissione dati efficiente e senza collisioni su lunghe distanze, anche se solo lo standard Weightless-P è attivamente sviluppato.

Protocolli di sicurezza IoT

IPSec (Internet Protocol Security)

IPsec protegge le comunicazioni di rete a livello IP, adatto a gateway potenti ma non a dispositivi IoT con poche risorse.

OpenVPN (Open Virtual Private Network)

OpenVPN crea VPN sicure, essenziali per la manutenzione remota e la risoluzione dei problemi dei dispositivi IoT.

TLS (Transport Layer Security)

TLS protegge le comunicazioni Internet autenticando client e server e crittografando le trasmissioni di dati, affidandosi alle autorità di certificazione per l'autenticità dei dispositivi.

Come scegliere il protocollo IoT giusto

Non esiste un protocollo IoT "migliore" in assoluto: la scelta dipende dalle esigenze specifiche del progetto. I criteri qui sotto possono costituire un buon punto di partenza.

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