Infrastruttura di Rete IoT per il settore viti-vinicolo

Un'infrastruttura di rete IoT

Un'infrastruttura di rete IoT (Internet of Things) è un sistema integrato che permette a dispositivi fisici di collegarsi a internet e comunicare tra loro per raccogliere, elaborare e condividere dati all'interno di un'area di riferimento. Le tecnologie che permettono ai dispositivi di comunicare sono molteplici e dispongono di diverse caratteristiche che permettono a ciascuna d'esse una specifica applicazione.

Protocolli di comunicazione come il WiFi sono essenziali per comunicare una grande quantità di informazioni, ma hanno forti limiti in termini di copertura e difficoltà di impiego. Protocolli come il Bluetooth o Zigbee vengono spesso utilizzati negli ambienti interni per connettere piccoli dispositivi con semplici comandi grazie alla loro abilità di espandere la copertura di rete. I protocolli di comunicazioni 4G, 5G, LTE e LPWAN (Low Power Wide Area Network) vengono comunemente impiegati negli ambienti esterni grazie alla loro vasta copertura. Tuttavia, le reti 4G, 5G, LTE sono fortemente dipendenti dalla copertura cellulare della zona ed impongono un elevato consumo energetico ai dispositivi elettronici. Le reti LPWAN, in particolare LoRaWAN, supera i limiti di copertura delle reti cellulare grazie al loro ampio raggio di copertura e bassa interferenza da parte degli ostacoli fisici e naturali. Inoltre le reti LPWAN impongono un bassissimo consumo energetico, permettendo ai dispositivi connessi di rimanere attivi per decine di anni.

Architettura tecnica di un'infrastruttura di rete IoT

Un'infrastruttura rete IoT completa si articola su quattro componenti architetturali principali:

1. End Node Devices (Sensori e Attuatori)

I nodi terminali sono rappresentati dai sensori distribuiti negli areali produttivi. Essi rappresentano gli occhi, le orecchie e le mani elettroniche dell'intero ecosistema. Grazie a loro si osservano e si quantificano le variabili fondamentali dell'ecosistema di riferimento in tutti luoghi all'interno dell'infrastruttura di rete IoT.

Con gli adeguati protocolli di comunicazione, la durata delle batterie dei sensori può raggiungere i 10-15 anni con celle standard grazie a duty cycle estremamente ridotti (<1%).

2. Gateway

I gateway costituiscono i ponti di collegamento tra i sensori e l'infrastruttura di backhaul. Un gateway outdoor professionale, può gestire simultaneamente fino a 8 canali paralleli ed una miriade di nodi sensore.

3. Network Server (NS)

Il Network Server è il cuore dell'infrastruttura di rete IoT. É il software che gestisce tutti i sensori all'interno della rete, tutti i messaggi da essi generati e la trasmissione e integrazione dei messaggi verso i diversi software.

• Autenticazione dispositivi: procedure OTAA (Over-The-Air Activation) o ABP (Activation By Personalization)
• Gestione crittografia: chiavi di sessione AES-128 per comunicazioni end-to-end sicure
• Adaptive Data Rate (ADR): ottimizzazione dinamica di spreading factor e potenza trasmissiva
• De-duplicazione: eliminazione di pacchetti ricevuti da gateway multipli
• Inoltro dati applicativi: verso Application Server tramite MQTT o HTTP

4. Application Server

L'Application Server riceve i dati decodificati dal Network Server ed implementa la logica applicativa specifica. Nel caso di LoraWine, ospita:

• Dashboard di visualizzazione dati
• Modelli analitici e algoritmi predittivi
• Sistema di allarmi e notifiche
• Database storico
• API per integrazioni con sistemi terzi

Zigbee: la rete per il monitoraggio diffuso in cantina

Zigbee è uno standard di comunicazione wireless basato sulla tecnologia IEEE 802.15.4, progettato per applicazioni IoT che richiedono basso consumo energetico e copertura di area moderate. Opera nelle bande di frequenza non licensed (2.4 GHz, 915 MHz in Nord America, 868 MHz in Europa), evitando conflitti con WiFi e Bluetooth.

Zigbee supporta tre tipologie principali di funzionamento: mesh, star e albero. La tipologia mesh è la più comunemente utilizzata ed è particolarmente vantaggiosa perché ogni dispositivo può fungere da ripetitore, estendendo la portata della rete attraverso hop multipli. Questo permette di coprire aree relativamente estese come possono essere locali di vinificazioni o di affinamento del vino, superando ostacoli come mura e attrezzature metalliche.

Portata e consumi energetici

La portata tipica è decine di metri in linea d'aria, ma in configurazione mesh la portata può essere estesa fino a centinaia di metri. Il consumo energetico è molto basso: i sensori Zigbee possono funzionare con batterie per anni.

I dispositivi Zigbee sono piccoli e vengono applicati in una molteplicità di applicazioni. Essi possono essere un nodo sensore che raccoglie informazioni oppure un attuatore elettronico attivabile a distanza. Non necessitano di essere connessi via cavo e permettono di delocalizzare il monitoraggio di processi produttivi e l'attivazione di dispositivi e motori.

La velocità di trasmissione dati è modesta. Non è infatti adatta per la trasmissione di elevate quantità di dati, ma è più che sufficiente per letture di sensori ambientali discretizzate nel tempo ed attivazioni di attuatori elettronici dato che la latenza di comunicazione è nell'ordine dei millisecondi per messaggi brevi.

Sicurezza

Zigbee utilizza uno stack a tre livelli: il livello fisico (PHY) e MAC (Media Access Control) sono definiti da IEEE 802.15.4, mentre i livelli network, security e application sono proprietari Zigbee Alliance (Connectivity Standards Institute). La sicurezza è implementata con crittografia AES-128 e autenticazione tra dispositivi.

LoRaWAN: il protocollo LPWAN ottimale per contesti rurali

LoRaWAN si basa su uno strato fisico chiamato LoRa, che utilizza la modulazione a spettro diffuso chirp, un metodo che distribuisce il segnale su una larghezza di banda più ampia, rendendolo resistente alle interferenze.

In Europa la banda di frequenza comunemente utilizzata è la ISM 863-870 MHz. Mentre, a livello globale, LoRa può funzionare a 915 MHz, 868 MHz e 433 MHz.

Portata e consumi energetici

LoRaWAN consente trasmissioni a lungo raggio (oltre 15 km nelle zone rurali, 3–5 km in zone fortemente urbanizzate) a basso consumo energetico e ridotta interferenza. Il consumo energetico è estremamente basso: I sensori LoRaWAN potrebbero richiedere la sostituzione della batteria perfino dopo 15 anni.

Queste caratteristiche permettono ai dispositivi LoRaWAN di essere installati in ambienti impervi, quali un fondo valle o all'interno della chioma di una pianta e di trasmettere dati periodicamente (10-30min). Anche in questo caso la velocità di trasmissione dati è modesta. Tuttavia è funzionale e sufficiente alle letture periodiche dei sensori ambientali.

Sicurezza

La tecnologia LoRa fa leva su diversi livelli di protezione quali la chiave EUI64 e EUI128, mentre utilizza lo standard AES CCM (128 bit) per la crittografia e l'autenticazione. Esistono due modi di join: OTAA (Over-the-Air-Activation), dove il device scambia una chiave a 128 bit con il network, e ABP (Activation By Personalization).

Standardizzazione

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) si è affermato come standard per la connettività IoT nel monitoraggio agricolo. A differenza delle reti cellulari tradizionali e di altre soluzioni LPWAN, lo standard LoRaWAN, che è stato formalmente riconosciuto come standard internazionale dall'ITU per le reti LPWAN, è specificatamente progettato per applicazioni che richiedono una copertura estesa e un consumo energetico estremamente ridotto.

Conclusioni

Un'infrastruttura di rete IoT rappresenta un fattore fondamentale necessario per un servizio di raccolta e gestione dei dati. Il possesso dell'intera infrastruttura di rete (dai dispositivi al software, passando attraverso i gateway ed i server) consente flessibilità e completa gestione delle casistiche che possono occorre nei contesti agricoli ed enologici caratterizzati da elevata complessità ed eterogeneità di attività e processi. Come si è potuto appurare, LoRaWAN e Zigbee rappresentano la spina dorsale tecnologica ottimale per implementazioni IoT vitivinicole professionali. La combinazione di portata, bassi consumi e ridotta interferenza rendono queste tecnologie le più adatte alla raccolta sistematica di dati ambientali e produttivi in contesti agricoli.