Nel mondo digitale moderno siamo costantemente bombardati da informazioni.
Ma ti sei mai chiesto come vengono trasferiti tutti questi dati?
IoT, sensori wireless e telefonia mobile prevedono che le informazioni acquisite, vengano trasferite da qualche parte in un determinato modo. Ed è qui che i mezzi trasmissivi e i protocolli di comunicazione entrano in gioco, rendendo possibile la comunicazione tra i dispositivi.
Però lo scambio di informazioni costa energia elettrica, e in un mondo sempre più dipendente dalla tecnologia, questo potrebbe diventare un problema.
Il progresso tecnologico ci offre ogni giorno dei nuovi strumenti che rendono le nostre vite più semplici e connesse. Ma tutto ha un prezzo.
Cosa siamo disposti a sacrificare per perseguire questo sogno futuristico?
Prima che sia troppo tardi, forse è meglio trovare un compromesso tra innovazione e salvaguardia dell’ambiente, puntando all’efficienza energetica e ad una migliore gestione delle risorse.
Protocolli di comunicazione
In breve, un protocollo di comunicazione può essere definito come un insieme di regole che disciplinano lo scambio di informazioni tra due o più dispositivi. Queste regole definiscono il modo in cui i dati devono essere formattati, trasmessi e ricevuti.
Naturalmente esistono diversi tipi di protocolli di comunicazione, ognuno dei quali è stato creato per rispondere a determinate esigenze.
Ad esempio, quelli più diffusi per l’IoT sono:
- WiFi
- Bluetooth low energy (BLE)
- SigFox
- LoRaWAN
- Zigbee
- Z-Wave
- OPC- UA
- Cellular
- MQTT
Tra questi, Zigbee, Z-Wave, Thread e BLE vengono spesso utilizzati per la domotica.
Invece in campo industriale, sono molto comuni i protocolli Modbus, Profibus e CANopen.
Mezzi trasmissivi
I mezzi trasmissivi sono il percorso fisico attraverso il quale le informazioni vengono trasferite da un host all’altro e quindi, il loro scopo è quello di instaurare un canale di comunicazione tra più dispositivi.
Esistono diversi tipi di mezzi trasmissivi e ognuno ha le sue caratteristiche. Possono essere individuate due categorie:
- Mezzi trasmissivi guidati, in cui le informazioni passano attraverso un mezzo fisico di trasmissione (Es. cavo coassiale, cavi a doppino e fibra ottica.
- Mezzi trasmissivi non guidati, in cui le informazioni vengono trasferite senza un mezzo fisico di trasmissione (Es. onde radio, microonde e onde infrarosse).
La scelta del mezzo trasmissivo dipende principalmente dal campo di applicazione, ma anche dal rapporto tra funzionalità e costi.
In generale, i mezzi di trasmissione cablati sono più costosi di quelli wireless, perché richiedono l’installazione di un’infrastruttura fisica (cavi, ecc.)
Ad esempio, in una fabbrica è molto comune l’utilizzo di mezzi trasmissivi guidati, mentre molte applicazioni domestiche prevedono l’impiego di onde radio.
Sono diverse le ragioni che risiedono dietro a questa scelta, come ad esempio la necessità di garantire una comunicazione continua con i macchinari industriali e di semplificare l’installazione dei dispositivi smart in casa.
Quanto costa trasmettere le informazioni?
La risposta può sembrare banale, ma non lo è affatto.
Per far sì che i dispositivi possano comunicare tra loro, indifferentemente dal mezzo trasmissivo e protocollo di comunicazione utilizzato, è necessario spendere una certa quantità di energia elettrica.
Questo non è un grosso problema quando si parla di un singolo dispositivo, ma se consideriamo che ci sono miliardi di dispositivi connessi, allora potrebbe diventarlo.
A contribuire ai consumi energetici ci sono anche degli altri fattori. Ad esempio quando inviamo un’e-mail, non utilizziamo solo l’elettricità consumata dal nostro computer, ma anche quella del server che memorizza la nostra e-mail, del server che memorizza l’e-mail della persona a cui stiamo inviando il messaggio e di tutti gli altri dispositivi coinvolti nell’instradamento dell’e-mail.
Come migliorare l’efficienza energetica nello scambio di informazioni?
La risposta è semplice: utilizzando dei mezzi trasmissivi e protocolli di comunicazione più efficienti. In questo modo l’energia necessaria per trasferire la stessa quantità di informazioni rispetto a metodi meno efficienti sarà minore.
Naturalmente in molti casi non si può fare a meno di scegliere una certa soluzione, ma dove è possibile, è preferibile puntare ad una tecnologia a basso consumo energetico.
Fibra ottica: una tecnologia efficiente
Un esempio pratico riguarda la fibra ottica. Infatti si tratta di un tipo di mezzo trasmissivo guidato che presenta diversi vantaggi rispetto ad altri tipi di mezzi di trasmissione, come i cavi a doppino o i cavi coassiali.
Innanzitutto, i cavi in fibra ottica hanno un tasso di attenuazione molto basso, il che significa che sono in grado di trasmettere grandi quantità di dati su lunghe distanze con una minima perdita di segnale.
In secondo luogo, non sono suscettibili alle interferenze elettromagnetiche, il che li rende ideali per l’uso in ambienti con molto rumore.
Invece per quanto riguarda i protocolli di comunicazione, MQTT potrebbe essere la chiave per un futuro più efficiente dal punto di vista energetico in diversi campi.
Introduzione a MQTT
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) è un protocollo di comunicazione binario semplice e versatile, creato nel 1999 con lo scopo di ridurre al minimo l’utilizzo della banda per le comunicazioni ed ottimizzare il consumo energetico. Può essere utilizzato in ambienti con limitazioni, come quelli con una larghezza di banda ridotta o una latenza elevata e implementato in dispositivi che prevedono un’alimentazione a batterie.
Si tratta quindi di un protocollo di comunicazione che in un mondo sempre più dipendente dalla tecnologia e connesso, è in grado di fare la differenza trovando largo impiego nell’IoT.
Come funziona MQTT
Il protocollo MQTT utilizza un modello di comunicazione publish/subscribe ed è altamente indicato in applicazioni nelle quali i dispositivi devono scambiare piccole quantità di dati ad alta frequenza.
Questa architettura è un’ottima alternativa al modello client/server, dove ad instaurare una connessione diretta con il server è il client.
Essendo un protocollo di comunicazione di tipo publish/subscribe, i dispositivi non devono inviare continuamente messaggi l’uno all’altro, riuscendo così a risparmiare energia e a ridurre il traffico di rete.
Infatti se un determinato client vuole comunicare con un altro, pubblica un messaggio su un certo argomento (detto topic) sul message broker.
Il message broker ha il compito di filtrare e distribuire le comunicazioni tra pubblisher e subscriber.
Ogni client può iscriversi a molteplici topics ed ogni volta che viene pubblicato un nuovo messaggio in un determinato topic, il message broker lo distribuisce a tutti i client iscritti a quel determinato topic.
Il Topic è una stringa UTF-8 con struttura simile a quella di una directory e i livelli dei topics, sono separati da uno slash.
Quali sono i vantaggi dell’utilizzo di MQTT?
MQTT è un protocollo di comunicazione efficiente e versatile per un’ampia gamma di applicazioni, comprese quelle che prevedono l’impiego di dispositivi a basso consumo energetico o alimentati a batteria.
MQTT sta guadagnando sempre più popolarità man mano che un numero sempre maggiore di aziende, stanno puntando all’efficienza energetica senza rinunciare però ad un futuro connesso. Ad esempio molte grandi aziende, come IBM, Microsoft, Google, Amazon e Facebook, stanno sviluppando ed integrando i protocolli MQTT nelle loro piattaforme IoT.
Questo particolare protocollo di comunicazione, permette di creare un sistema estremamente versatile.
Ad esempio, in OpenHAB tramite l’addon MQTT binding, risulterà molto semplice collegare dei sensori e attuatori per configurare il proprio sistema di Home Automation personalizzato.
Vediamo subito come funziona e un esempio pratico con una board Raspberry Pi.
MQTT può davvero salvare il mondo dallo spreco energetico?
Si tratta certamente di una tecnologia molto promettente, che viene già utilizzata in molte applicazioni con grande successo.
Tuttavia, non è una panacea e non può essere adottata indiscriminatamente.
Ogni applicazione ha requisiti specifici e deve essere analizzata per scegliere il protocollo di comunicazione più appropriato.
In ogni caso, MQTT è una tecnologia da tenere in considerazione quando si progettano sistemi efficienti dal punto di vista energetico.
