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COME PARLARE CON L'IMPIANTO
Una guida ragionata alla scelta del giusto sistema di comunicazione per la realizzazione di un impianto flessibile & a misura di utente.
SISTEMI CABLATI O WIRELESS? PROTOCOLLI APERTI O PROPRIETARI? TRA KNX E MODBUS, Z-WAVE E ZIGBEE, VI PROPONIAMO UNA GUIDA RAGIONATA ALLA SCELTA DEL GIUSTO SISTEMA DI COMUNICAZIONE. PER REALIZZARE UN IMPIANTO FLESSIBILE E A MISURA DI UTENTE!Ogni volta che parliamo di un sistema integrato, sia esso di tipo residenziale o no, stiamo parlando implicitamente di protocolli di comunicazione, indipendentemente dal tipo di sistema (o sistemi) che stiamo utilizzando. Ecco perché quando realizziamo un impianto domotico, una delle prime scelte tecniche che dobbiamo fare riguarda il sistema da utilizzare e quindi il rispettivo protocollo di comunicazione e mezzo trasmissivo.
LAYERS ISO/OSI
Laddove sorge la necessità di effettuare uno scambio di informazioni tra due o più fonti, si necessita dell’adozione di un protocollo di comunicazione che controlla, regola e scandisce metodologie e tempistiche della comunicazione. Per definizione, il protocollo è costituito da una serie di standard che regolano la successione e lo scambio d’informazioni fra due o più dispositivi. La trasmissione delle informazioni avviene a livello fisico attraverso mezzi trasmissivi, come i convenzionali semi conduttori, fibre ottiche, onde radio, onde convogliate ed infrarossi. L’aspetto fisico non è l’unico interessato dai protocolli, anzi, essi nascono soprattutto per la gestione di quei servizi necessari al mantenimento e al controllo logico della comunicazione (controllo di conflitti su una rete, sincronizzazione del clock tra trasmettitore e ricevitore, gestione delle precedenze sul bus trasmissivo, ecc.). Questi ambiti sono stati suddivisi in gruppi e standardizzati per consentire una gestione universale e convenzionale dell’architettura dei protocolli stessi, attraverso uno standard chiamato Layers ISO/OSI rilasciato dall’ente internazionale di standardizzazione ISO. Il modello ISO/OSI, concepito per reti di telecomunicazioni a commutazione di pacchetto, è costituito da una pila (o stack) di protocolli attraverso i quali viene ridotta la complessità implementativa di un sistema di comunicazione per il networking. In particolare ISO/OSI è costituito da strati (o livelli), i cosiddetti layer, che definiscono e racchiudono in sé a livello logico uno o più aspetti fra loro correlati della comunicazione fra due nodi di una rete. I layers sono in totale 7 e vanno da quello fisico, mezzo fisico (ossia del cavo o delle onde radio), fino al livello delle applicazioni attraverso cui si realizza la comunicazione di alto livello.MEZZI TRASMISSIVI
A questo punto, dopo aver fatto chiarezza su alcuni argomenti d’importanza fondamentale per la comprensione del tema in analisi, è possibile approcciarsi ai principali mezzi trasmissivi, ovvero il mezzo attraverso il quale gli oggetti appartenenti alla rete del nostro sistema integrato riescono a parlare, e quindi a scambiarsi informazioni reciprocamente. Essi hanno caratteristiche di efficienza in termini di velocità e distanza di comunicazione molto discordanti tra loro, ma proprio per questo permettono una riflessione, quando in fase di progetto si deve decidere se optare per uno piuttosto che per un altro. DOPPINO (Twisted Pair): Tipicamente il doppino è costituito da una coppia di conduttori ritorti mediante un processo di binatura. Questo processo ha lo scopo di equalizzare mediamente i campi elettromagnetici esterni dei due conduttori. Impiegando poi una tecnica di trasmissione differenziale sarà possibile eliminare ulteriori disturbi. Il doppino può essere singolo (una sola coppia) oppure in treccia di una moltitudine di coppie (ad esempio nei cavi del cosiddetto “ultimo miglio”). In questo caso ogni coppia presenta un passo di binatura diverso, per ridurre il più possibile il fenomeno di diafonia tra le varie coppie contigue e, per consentirne l’individuazione, un conduttore per coppia è distinto da una codifica stampata sull’isolamento, diversa per colore e lunghezza della banda colorata. Questa soluzione è forse fino ad oggi la più utilizzata per tutti i vari sistemi domotici in commercio. ETHERNET: Universalmente il principale standard per le comunicazione di rete su piccola-media scala garantisce velocità di trasferimento da 10 a 100 Gb/s, non richiede schede di rete particolarmente complesse e costose, ed è resistente alle interferenze perché composto da conduttori incrociati e adeguatamente isolati. Deve il suo successo commerciale anche all’introduzione dei protocolli TCP/IP che permettono migliori prestazioni rispetto ai vecchi conduttori coassiali, largamente utilizzati fino agli anni ’90. Una grossa limitazione delle connessioni ethernet è la lunghezza fisica, limitata dal decadimento del segnale digitale con conseguenti perdite di informazioni (Pacchetti, in gergo TCP/IP), che può essere risolta aumentando di non molto il costo dell’infrastruttura di rete con l‟utilizzo di Hub, Bridge e Router che permettono la rigenerazione del segnale in maniera analogica o digitale a seconda del device utilizzato. Essi permettono, inoltre, di suddividere la rete in molte reti più piccole ed interconnesse. WIRELESS: In informatica e telecomunicazioni il termine wireless (dall’inglese senza fili) indica una comunicazione tra dispositivi elettronici che non fa uso di cavi. Per estensione sono detti wireless i rispettivi sistemi o dispositivi di comunicazione che implementano tale modalità di trasmissione. I sistemi tradizionali basati su connessioni cablate sono, invece, detti wired. Generalmente il wireless utilizza onde radio a bassa potenza; tuttavia la definizione si estende anche ai dispositivi, meno diffusi, che sfruttano la radiazione infrarossa o il laser. POWERLINE: E’ una tecnologia per la trasmissione di voce o dati che utilizza la rete di alimentazione elettrica come mezzo trasmissivo. Si realizza sovrapponendo al trasporto di corrente elettrica, continua o alternata a bassa frequenza (50 Hz), un segnale a frequenza più elevata che è modulato dall’informazione da trasmettere. La separazione dei due tipi di correnti si effettua grazie al filtraggio degli intervalli di frequenze utilizzate. Questo sistema è quello che, implicitamente, utilizziamo ormai da anni nelle nostre case per ricevere il segnale ADSL dal gestore telefonico.LA LINGUA
Abbiamo illustrato il mezzo attraverso il quale i dispositivi del nostro sistema possono comunicare, ma ci resta da capire che lingua parleranno tra di loro (protocollo di comunicazione). Fino ad ora è stato analizzato come il modello ISO/OSI definisce le regole e i livelli di comunicazione nei sistemi digitali, ma sull’alfabeto che verrà utilizzato ogni sistema domotico ha libertà di definizione. Per utilizzare una metafora, la lingua è l’insieme di regole e lettere che permettono ad ogni cittadino di un determinato paese di poter scambiare informazioni con altri, intraprendere una conversazione e quindi stabilire un dialogo. E’ chiaro, quindi, come questo abbia non poca importanza ed abbia rappresentato uno degli aspetti fondamentali nella creazione dei vari sistemi esistenti. Nel mondo dei sistemi integrati, ed in generale dell’automazione, sin dagli anni ’80 i vari produttori hanno lavorato alla creazione di alfabeti e quindi, protocolli di comunicazione, per i loro sistemi e nel tempo ciò ha portato principalmente a due tipologie di protocolli: Standard e Proprietari. Per dare una spiegazione semplice ed allo stesso tempo esaustiva di questi due tipi di protocolli, possiamo dire che:- Il protocollo standard è un protocollo di comunicazione scelto ed adottato da più di un produttore di dispositivi e che quindi hanno tutti in comune la stessa lingua mantenendo le relative caratteristiche tecniche e logiche,
- il protocollo proprietario è legato esclusivamente al produttore di dispositivi che lo ha sviluppato e che quindi baserà su di esso il metodo di comunicazione della propria famiglia di prodotti.
- Comunicazione paritetica tra nodi, cioè mancanza di un master che la gestisc; ogni nodo comunica con gli altri in modo indipendente, e questo elimina singoli punti di guasto che potrebbero bloccare tutta la rete in caso di malfunzionamento.
- Collegamento su doppino non polarizzato a topologia libera, che consente di abbassare drasticamente i costi di installazione e messa in opera di un impianto;
- Possibilità di autenticazione dei messaggi con chiave a 48 bit già implementata a livello di protocollo, utile negli impianti di anti-intrusione e/o controllo accessi;
- Comunicazione ad eventi: i nodi normalmente trasferiscono le informazioni solo quando queste cambiano, pertanto viene ridotto di molto il traffico di rete e si possono utilizzare canali di comunicazione più lenti e meno costosi;
- Indipendenza di funzionamento dal livello fisico come previsto nel layer 1 dello standard ISO/OSI e dalla velocità del mezzo di trasmissione;
- Possibilità di comunicare coi nodi sia usando indirizzi fisici, sia logici (dominio/rete/sotto-rete) in modo equivalente a TCP/IP;
PROTOCOLLI PROPRIETARI:
Tra i protocolli proprietari più utilizzati nel mercato italiano, possiamo citare quelli di: – BTicino: “My Home” – VIMAR: “By Me” – CRESTRON: “CresNet” – AMX: “AMX 192” – LUTRON: “Lutron Integration Protocol” – AVE: “Domus” – COMELIT: “Simple Home” Ovviamente la lista non è esaustiva, in quanto sul mercato italiano vi sono presenti una moltitudine di altri protocolli proprietari, quindi spetta al tecnico scegliere quale approfondire e conoscere meglio.SENZA MANI….
I protocolli, standard e proprietari, prediligono come mezzo trasmissivo un mezzo “fisico”, qualsiasi esso sia. Negli ultimi anni una serie di fattori come la crisi dell’edilizia (ed in particolare delle nuove costruzioni), l’ascesa dell’uso da parte degli utenti di oggetti smart, l’entrata nel mercato di Big Player come per esempio Google, Samsung ed Apple nel mondo delle Smart Home, sta portando ad un sempre maggiore utilizzo di tecnologie wireless. In questo mondo senza fili esistono a loro volta una serie di protocolli di comunicazione che nel tempo hanno raggiunto caratteristiche standardizzate e che in particolare, viste le sempre maggiori richieste di efficienza energetica, hanno raggiunto valori bassissimi di consumo di energia. Ecco alcuni dei principali standard wireless: ZIGBEE: Parente del Bluetooth, sfrutta onde radio per la trasmissione di dati, ma è molto meno energivoro. Inoltre, è progettato per creare reti radio a nodi indipendenti con estensioni fino ad 1km. Anche i costi del trasmettitore sono inferiori, però la velocità di trasmissione limitatissima. La distanza massima tra un nodo e l’altro è limitata a circa 75 metri. Il successo di questa tecnologia è dovuto alla sua plasmabilità nella progettazione di impianti. ZigBee è in prima linea nello sviluppo dell’internet delle cose, anche grazie alla sua capacità di creare reti multi-nodali interconnesse che si sposano con le esigenze di questo nuovo universo in sviluppo. BLUETOOTH: Molto utilizzato per comunicazioni a breve raggio ( minori di 10 metri ), è una tecnologia che sfrutta le onde radio ad alta frequenza. Negli scorsi anni ha avuto una forte espansione, ma in tempi recenti ha subito una brusca frenata a causa della scarsa larghezza di banda e dell’incredibile rivalutazione economica a ribasso di tecnologie come Wi-Fi Direct, che ne mettono in discussione la convenienza. La sua evoluzione, in ottica di efficienza energetica, lo ha riposizionato sul mercato con la versione 4.0 (LE-Low Energy), ormai integrata in molti dispositivi mobili di consumo, avidi di risorse energetiche. In ogni caso, rispetto alle connessioni seriali e alla Wi-Fi risente parecchio di una velocità di trasmissione non così elevata, molto richiesta invece anche a causa dei flussi streaming audio-video. Z-WAVE: E’ un protocollo wireless progettato appositamente per la domotica, il cui ambito di utilizzo comprende l’automazione negli ambienti residenziali, commerciali, ricettivi e assistenziali e le cui applicazioni spaziano dalla domotica alla telesorveglianza e alla telemedicina, per continuare con l’intrattenimento domestico, il controllo accessi, i sistemi di efficientamento e di risparmio energetico. Venne inizialmente sviluppato nel 2001 dalla startup danese Zen-Sys e con il tempo è diventato uno standard internazionale per la realizzazione di reti mesh interoperabili e a bassa potenza. Il protocollo supporta la comunicazione bidirezionale tra i dispositivi abilitati, permettendo a prodotti di costruttori diversi di funzionare assieme in modo trasparente. Z-Wave utilizza un flusso di dati ridotto per scelta progettuale. Questa scelta permette di ottenere una comunicazione a bassa latenza con una velocità di trasmissione dei dati fino a 100 kbps. Esso fa dell’interoperabilità dei prodotti di diversi costruttori uno dei propri punti di forza e persegue tale obiettivo anche tramite un processo di certificazione dei dispositivi. L’ecosistema Z-Wave conta più di mille prodotti certificati; opera attorno ai 900 MHz e l’utilizzo di tale banda di frequenze permette di evitare le interferenze con sistemi Wi-Fi, Bluetooth e con gli altri sistemi che operano nella banda dei 2.4 GHz ed inoltre fa si che il segnale Z-Wave attraversi le pareti degli edifici con maggiore facilità rispetto al segnale Wi-Fi, assicurando una trasmissione dei messaggi più efficiente ed affidabile. ENOCEAN: EnOcean è una tecnologia wireless utilizzata principalmente nella costruzione di sistemi di automazione, ma che viene anche applicata nel settore industriale, dei trasporti, della logistica e alle case intelligenti. I moduli basati su tecnologia EnOcean combinano convertitori a micro energia con elettronica a bassissima potenza e consentono una comunicazione wireless tra sensori senza batteria e senza cavo e interruttori, controllori e gateway. Nel marzo 2012 questo standard è stato ratificato come standard internazionale ISO/IEC 14543-3-10 ovvero ottimizzato per soluzioni wireless a bassissimo consumo energetico e a recupero di energia. I Prodotti EnOcean (sensori e interruttori della luce) sono progettati senza batterie ed esenti da manutenzione. I segnali radio provenienti da questi sensori e interruttori possono essere trasmessi in modalità wireless su una distanza massima di 300 metri all’aperto e fino a 30 metri all’interno degli edifici. I pacchetti dei dati wireless EnOcean sono relativamente piccoli, essendo lunghi solo 14 byte e sono trasmessi a una velocità di 125 kbit/s. Il segnale a radio frequenza è trasmesso solo per un secondo, riducendo così la quantità di potenza richiesta. Tre pacchetti vengono inviati a intervalli pseudo-casuali riducendo la possibilità di collisioni dei pacchetti inviati in RF. Moduli ottimizzati per applicazioni di commutazione trasmettono pacchetti di dati aggiuntivi sul rilascio di interruttori a pressione, consentendo altre funzioni come attuare l’oscuramento della luce. Le frequenze di trasmissione utilizzate per i dispositivi sono 902 MHz, 928.35 MHz, 868.3 MHz e 315 MHz.RIFLESSSIONE FINALE
Da quanto abbiamo illustrato si possono evincere alcune riflessioni importanti:- Il mercato offre una grandissima quantità di soluzioni, standard e proprietarie, quindi è fondamentale che tecnici ed installatori acquisiscano informazioni e si mantengano costantemente aggiornati sugli sviluppi dei protocolli e dispositivi;
- In ambito residenziale andiamo incontro ad anni in cui probabilmente il mercato principale sarà quello della ristrutturazione e della riqualificazione energetica. Quanto detto nel punto precedente sarà quindi fondamentale per riuscire nella realizzazione di impianti che probabilmente prevederanno l’integrazione di più protocolli ed anche di più mezzi trasmissivi per permettere la modifica e l’ampliamento di impianti già esistenti;
- A questo mercato si sta aggiungendo il mercato dell’IoT (Internet of Things); questo comporta e comporterà sempre più tipi diversi di integrazioni. Il numero e il tipo delle informazioni provenienti dal sistema impiantistico verranno quindi integrate a quelle provenienti dai dispositivi IoT, permettendo la creazione di logiche di self-learning basate sull’utente specifico.
