La moderna rete Internet è un miracolo di ingegneria e una delle macchine più grandi mai costruite dall’uomo. È presente praticamente ovunque ci sia un telefono cellulare o satellitare e fornisce informazioni e connettività a miliardi di persone in tutto il pianeta... ma non finisce qui! Stiamo assistendo a una “rivoluzione silenziosa” nella quale una nuova generazione di “oggetti” si sta collegando a questa grande rete. Questo articolo descrive l’evoluzione verso la connessione in rete di dispositivi privi di interfaccia. Tali connessioni vengono realizzate attraverso nuove reti wireless a bassa potenza, che forniscono nuovi servizi e funzionalità, determinando in ultima analisi una nuova impennata nel numero di nodi di Internet.
Dispositivi wireless a basso consumo
Nel 1958, dopo l’anno dello Sputnik, Dwight D. Eisenhower creò l’Arpa (Advanced Research Projects Agency, poi ribattezzata Defense Advanced Research Projects Agency) . Uno dei primi progetti ideati da questo “pensatoio” riguardava una rete che fosse in grado di resistere a un attacco nucleare. Questa tecnologia sarebbe diventata più avanti l’architettura principale di Internet. Allora nessuno immaginava che una rete potesse contenere miliardi di nodi ed essere accessibile in tutto il pianeta, ma oggi la rete Internet è diventata ubiqua. Ora stiamo assistendo a una nuova fase di crescita nella quale macchine prive di interfaccia creano nuovi nodi connessi alla rete. Questa rivoluzione è guidata da una nuova generazione di dispositivi wireless a basso consumo. Il fenomeno viene spesso definito “machine-to-machine” o M2M, poiché questi dispositivi dialogano con altre macchine. Un esempio è il termostato Nest. Pur avendo una semplice interfaccia utente, per gran parte del tempo il dispositivo comunica con un server via Internet trasmettendo informazioni sull’utilizzo del sistema di climatizzazione, registrando tutte le attività e fornendo funzionalità di controllo a distanza. Questo tipo di dispositivo rappresenta la nuova generazione di nodi M2M che dialogano continuamente con altre macchine senza l’intervento dell’uomo. Normalmente si connettono a Internet tramite Wi-Fi (802.11), sia per la semplicità sia per i costi ridotti dei componenti Wi-Fi. Le aziende di semiconduttori hanno aumentato il livello di integrazione di nodi e dispositivi 802.11, come ad esempio il modulo SimpleLink Wi-Fi CC3000 di Texas Instruments, che incorpora la soluzione completa, incluse la stack e l’antenna. Questo livello di integrazione consente di realizzare una generazione completamente nuova di connessioni Internet... ma non solo.
Rf a bassa potenza
Il Wi-Fi è ottimo per le connessioni in ambito domestico, dove solitamente è disponibile una stazione base collegata a un cavo o un modem Dsl. Il Wi-Fi consuma però una quantità rilevante di energia e può richiedere oltre 100 mW di potenza in fase di comunicazione. Questo consumo può esaurire velocemente la batteria di un dispositivo non cablato, limitando le possibili applicazioni. La tecnologia wireless Bluetooth, tuttavia, ha consumi molto più bassi, nell’ordine dei 2 mW in attività e molto meno in stand-by. Il Bluetooth viene utilizzato per cuffie, altoparlanti, tastiere e mouse wireless, dove è essenziale garantire la durata delle batterie. Il Bluetooth viene utilizzato principalmente per modalità di connessione ad-hoc o peer-to-peer, per collegare cioè due dispositivi senza l’ausilio di cavi in modo che possano scambiarsi dati, come nel caso di una tastiera wireless.
Ora che i telefoni cellulari sono costantemente collegati a Internet, i dispositivi Bluetooth “accoppiati” al telefono possono anch’essi collegarsi direttamente a Internet attraverso una app. I dispositivi possono così acquisire dati o trasmettere informazioni quando sono vicini al telefono e l’applicazione è attiva. Un’applicazione tipica è quella dei dispositivi per sport e fitness, dove l’utente indossa una fascia dotata di sensori e Bluetooth che si collega al telefono tramite un’app. L’applicazione “gira” le informazioni raccolte dai sensori a un server che le memorizza per la successiva consultazione da parte dell’utente. Per prolungare ulteriormente la durata della batteria in applicazioni che devono funzionare con batterie non ricaricabili, nel 2011 è stata introdotta una versione di Bluetooth a basso consumo, detta Bluetooth Smart. Questa tecnologia si differenzia dal Bluetooth “classico” sotto diversi aspetti, tutti mirati alla riduzione dei consumi fino al punto in cui il dispositivo possa restare attivo e connesso, “always-on”, per anni. Ad esempio, la durata della batteria può essere prolungata sensibilmente unendo il system-on-chip con Bluetooth a basso consumo CC2541 con il convertitore step-down TPS62730. Questa combinazione riduce del 20 percento l’assorbimento di corrente in modalità attiva da una batteria a bottone. Con una porta di 50 metri e una capacità attorno ai 270 kbps, è possibile realizzare moltissime nuove applicazioni M2M come impianti di allarme wireless, telemetria, monitoraggio, misurazione e rilevamento di prossimità, e molte altre applicazioni che possono funzionare per anni con una sola batteria a bottone. Come per il Wi-Fi, un semplice prodotto “gate-way” con Bluetooth a basso consumo può collegare i dispositivi a Internet. Immaginate ad esempio di acquistare un impianto di allarme per casa costituito semplicemente da un gateway Wi-Fi o cellulare Bluetooth a basso consumo, una serie di sensori wireless alimentati a batteria e distribuiti in diversi punti della casa (entro 50 metri dal gateway) e una app per lo smartphone. I sensori dialogano con il gateway, che a sua volta comunica con i server che monitorano lo stato del sistema, indipendentemente che siate a casa o fuori... e l’interfaccia utente è l’app sul vostro telefono. Se un sensore rileva una condizione fuori dalla norma, è possibile trasmettere un allarme a un servizio di sorveglianza, al vostro cellulare o a entrambi. L’installazione richiede meno di 30 minuti, dopodiché sarà sufficiente sostituire le batterie ogni tre anni. Tutto questo è possibile grazie ai sensori con connettività Bluetooth a basso consumo.
Reti più grandi
La rivoluzione del Bluetooth a basso consumo è solo una delle tecnologie che stanno aumentando il numero di nodi connessi a Internet. ZigBee, 6LoWpan e altre tecnologie wireless contribuiscono alla proliferazioni di connessioni di sole macchine. A differenza di Bluetooth, l’architettura ZigBee è una rete a maglia, nella quale ciascun nodo può fungere da ripetitore per un altro. Sono quindi disponibili diversi percorsi, in modo che la perdita di un nodo non comprometta il funzionamento della rete. Il livello fisico di ZigBee è costituito da radio basate sullo standard 802.15.4-2006. L’aspetto più interessante di ZigBee sono le estensioni per i protocolli specifici destinati ai mercati di utilizzo finale delle soluzioni con sole macchine. Esistono diversi protocolli come ZigBee Smart Energy, ZigBee Home Automation e ZigBee Light Link. Tutti questi protocolli sfruttano l’architettura a maglia per consentire alla rete di “autoripararsi”. Inoltre sono progettati per collegare dispositivi diversi dai computer fra loro e a Internet (tramite un gateway ZigBee). La domotica esiste da quando nelle case sono entrati i computer e la tecnologia di trasmissione dati su linea elettrica X10. Tuttavia, questi nuovi protocolli offrono molto di più all’utente finale. Non è solo questione di accendere una luce o regolare un termostato a distanza. Si tratta di risparmiare energia e costruire case più efficienti. Con bollette sempre più care e leggi che impongono maggiore efficienza energetica, sarà necessario implementare una rete di dispositivi in grado di rilevare le condizioni della casa, la presenza di persone e le condizioni climatiche, per decidere quali apparecchi devono essere attivati e quali no. Ad esempio, tutti gli elettrodomestici consumano corrente anche in stand-by, motivo per il quale vengono definiti a volte “vampiri”. Questo consumo ridotto ma continuo contribuisce all’inefficienza complessiva di molte abitazioni. Se l’impianto di allarme sa che non c’è nessuno in casa, le multiprese intelligenti e gli elettrodomestici possono disattivare le interfacce utente e mettersi in modalità di consumo “ultrabasso”. Quando qualcuno entra in casa (o apre la porta del garage), la casa si risveglia e imposta il sistema di climatizzazione su una temperatura confortevole. Anche gli elettrodomestici si riattivano per essere pronti ad agire e le luci vengono regolate in base alle condizioni ambientali.
Tecnologie domotiche
Questa realtà è meno lontana di quanto possa sembrare. Gradualmente, ma inesorabilmente, queste tecnologie entreranno in case e uffici. Trattandosi di tecnologia senza cavi, è facile estenderla a qualsiasi struttura. È solo questione di tempo prima che multiprese e cavi intelligenti vengano commercializzati su larga scala, consentendo a tutti di installarle su apparecchi esistenti come televisori Lcd, impianti stereo, lavatrici, asciugatrici, lavastoviglie, forni e altri ancora, per monitorare i consumi e comandarle a distanza, semplicemente sostituendo il cavo. Questi cavi potranno essere collegati a Internet in wireless per consentire ad altre macchine di eliminare gli sprechi di corrente quando gli apparecchi sono inutilizzati. Con il tempo, tutti questi nuovi dispositivi aggiungeranno milioni (per non dire miliardi) di nuovi nodi a quella macchina stupefacente che chiamiamo Internet.
