Tecnologie e protocolli IoT
Inizia a creare nel mondo e nella tecnologia di IoT. Questa guida ti offrirà una base solida a livello di protocolli e tecnologia IoT per aiutarti a prendere le decisioni corrette per il tuo progetto.
Guida per tecnologie e protocolli IoT
Internet delle cose è una convergenza di sistemi incorporati, sensori wireless, sistemi di controllo e automazione che rende possibili fabbriche per produzione industriale, vendita al dettaglio intelligente, assistenza sanitaria di nuova generazione, case e città intelligenti e dispositivi indossabili. Le tecnologie IoT ti permettono di trasformare il tuo business con informazioni dettagliate basate sui dati, processi operativi migliorati, nuove linee di business e uso più efficiente dei materiali.
La tecnologia IoT è in continua espansione, con innumerevoli provider di servizi, diverse piattaforme e milioni di nuovi dispositivi resi disponibili ogni anno. Gli sviluppatori devono quindi prendere molte decisioni prima di entrare nell'ecosistema IoT.
Questa guida è progettata per aiutarti a comprendere i protocolli IoT comuni, le capacità e i requisiti di connettività. Se vuoi un'introduzione più generale alla tecnologia IoT, vedi le guide Web Cos'è l'IoT? e Cybersecurity per IoT .
Ecosistema delle tecnologie IoT
L'ecosistema delle tecnologie IoT è costituito dai livelli seguenti: dispositivi, dati, connettività e utenti della tecnologia.
Livello di dispositivo
Combinazione di sensori, attuatori, hardware, software, connettività e gateway che costituiscono un dispositivo che si connette e interagisce con una rete.
Livello di dati
Dati raccolti, elaborati, inviati, archiviati, analizzati, presentati e usati nei contesti aziendali.
Livello di business
Funzioni aziendali della tecnologia IoT, tra cui la gestione della fatturazione e i marketplace dei dati.
Livello utente
Persone che interagiscono con i dispositivi e con le tecnologie IoT.
Scopri di più su come connettere correttamente i dispositivi quando crei con l'Hub IoT di Azure.
Stack di tecnologie IoT - Parte 1:
Dispositivi IoT
I dispositivi IoT presentano molte differenze, ma condividono tendenzialmente questi concetti e termini comuni. Puoi anche scoprire di più sulle varietà di dispositivi che utilizzano la tecnologia IoT in questo catalogo di dispositivi IoT.
Attuatori
Gli attuatori eseguono azioni fisiche quando il rispettivo centro di controllo fornisce istruzioni, in genere in risposta a modifiche identificate dai sensori. Si tratta di un tipo di trasduttore.
Sistemi incorporati
I sistemi incorporati sono sistemi basati su microprocessore o su microcontroller che gestiscono una funzione specifica in un sistema più ampio. Includono componenti hardware e software tra cui Azure RTOS.
Dispositivi intelligenti
Dispositivi in grado di eseguire operazioni di elaborazione. Includono spesso un microcontroller e possono utilizzare servizi quali Azure IoT Edge per distribuire in modo ottimale determinati carichi di lavoro nei dispositivi.
MCU (Microcontroller Unit)
Questi piccoli computer sono incorporati su microchip e contengono CPU, RAM e ROM. Anche se contengono gli elementi necessari per l'esecuzione di attività semplici, i microcontroller sono più limitati a livello di potenza rispetto ai microprocessori.
MPU (Microprocessor Unit)
Le unità microcontroller (MCU) eseguono le funzioni delle CPU in un singolo circuito integrato o in più circuiti integrati. Anche se i microprocessori richiedono periferiche per il completamento delle attività, riducono significativamente i costi di elaborazione perché contengono solo una CPU.
Dispositivi non di elaborazione
Dispositivi che si connettono e trasmettono solo dati e non possono eseguire operazioni di elaborazione.
Trasduttori
In generale, i trasduttori sono dispositivi fisici che convertono una forma di energia in un'altra. Nei dispositivi IoT questi dispositivi includono i sensori interni e gli attuatori che trasmettono dati quando i dispositivi interagiscono con l'ambiente.
Sensori
I sensori rilevano le modifiche nell'ambiente e creazione di impulsi elettrici per le comunicazioni. I sensori rilevano in genere variazioni ambientali quali modifiche alla temperatura, elementi chimici e posizione fisica e costituiscono un tipo di trasduttore.
Stack di tecnologie IoT - Parte 2:
Protocolli e connettività IoT
Connessione di dispositivi IoT
Un aspetto importante della pianificazione di un progetto di tecnologia IoT consiste nel determinare i protocolli IoT dei dispositivi, ovvero il modo in cui i dispositivi si connettono e comunicano. Nello stack di tecnologie IoT i dispositivi si connettono tramite i gateway o la funzionalità predefinita.
Che cosa sono i gateway IoT?
I gateway sono parte della tecnologia IoT che può essere usata per semplificare la connessione dei dispositivi IoT al cloud. Anche se non tutti i dispositivi IoT necessitano di un gateway, è possibile usare i gateway per stabilire le comunicazioni da dispositivo a dispositivo o connettere i dispositivi che non sono basati su IP e non si possono connettere direttamente al cloud. I dati raccolti dai dispositivi IoT attraversano un gateway, vengono pre-elaborati nei dispositivi perimetrali e quindi vengono inviati al cloud.
L'uso dei gateway IoT può consentire di ridurre la latenza e le dimensioni di trasmissione. L'inclusione dei gateway nei protocolli IoT consente anche di connettere i dispositivi senza accesso diretto a Internet e offre un livello di sicurezza aggiuntivo grazie alla protezione dei dati che si spostano in entrambe le direzione.
Come posso connettere i dispositivi IoT alla rete?
Il tipo di connettività usato come parte del tuo protocollo IoT dipende dal dispositivo, dalla rispettiva funzione e dai rispettivi utenti. La distanza che deve essere percorsa dai dati, ovvero a corto raggio o lungo raggio, determina in genere il tipo di connettività IoT necessario.
Tipi di reti IoT
Reti a basso consumo e a corto raggio
Le reti a basso consumo e a corto raggio sono adatte ad abitazioni, uffici e altri ambienti di dimensioni ridotte. Necessitano tendenzialmente di batterie piccole e sono in genere poco costose da usare.
Esempi comuni:
Bluetooth
Bluetooth, ottimale per trasferimento dati a velocità elevata, invia segnali vocali e di dati fino a 10 metri.
NFC
Set di protocolli di comunicazione per la comunicazione tra due dispositivi elettronici su una distanza massima di 4 cm. NFC offre una connessione a bassa velocità con una configurazione semplice che può essere usata per il bootstrap a connessioni wireless più potenti.
Wi-Fi/802.11
Il basso costo di gestione del Wi-Fi lo rende uno standard per abitazioni e uffici. È tuttavia possibile che non sia la scelta ideale per tutti gli scenari a causa della portata limitata e del consumo di energia 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Z-Wave
Rete mesh che usa onde radio a bassa energia per la comunicazione da appliance ad appliance.
Zigbee
Specifica basata su IEEE 802.15.4 per una suite di protocolli di comunicazione di alto livello usati per creare reti locali personali con piccole radio digitali a basso consumo.
Reti LPWAN (Low-Power, Wide-Area Network)
Le reti LPWAN consentono comunicazioni almeno fino a 500 metri, richiede una quantità minima di energia e viene usato per la maggior parte dei dispositivi IoT. Alcuni esempi comuni di reti LPWAN sono:
4G LTE IoT
Grazie alla capacità elevata e alla bassa latenza, queste reti sono ottimali per gli scenari IoT che necessitano di informazioni o aggiornamenti in tempo reale.
5G IoT
Anche se non sono ancora disponibili, si prevede che le reti 5G IoT consentiranno ulteriori innovazioni per IoT, offrendo velocità di download molto più elevate e la connettività a molti più dispositivi in un'area specifica.
Cat-0
Questi reti basate su LTE sono l'opzione a costo più basso. Costituiscono la base per Cat-M, una tecnologia che sostituirà lo standard 2G.
Cat-1
Questo standard per IoT per rete cellulare sostituirà lo standard 3G. Le reti Cat-1 sono facili da configurare e offrono una soluzione ideale per applicazioni che necessitano di un'interfaccia vocale o del browser.
LoRaWAN
Le reti LoRaWAN (Long-Range Wide-Area Network) connettono dispositivi mobili, sicuri, bidirezionali, alimentati da batteria.
LTE Cat-M1
Queste reti sono completamente compatibili con le reti LTE. Ottimizzano i costi e il consumo energetico nella seconda generazione di chip LTE progettati in modo specifico per applicazioni IoT.
Banda stretta o NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT/Cat-M2 usa la modulazione DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum) per inviare dati direttamente al server, eliminando la necessità di un gateway. Anche se la configurazione delle reti NB-IoT risulta più costosa, il fatto che non sia necessario un gateway rende l'esecuzione più conveniente.
Sigfox
Questo provider globale di reti IoT offre reti wireless per la connessione di oggetti a basso consumo che emettono dati continui.
Protocolli IoT: modalità di comunicazione dei dispositivi IoT con la rete
I dispositivi IoT comunicano usando i protocolli IoT. IP (Internet Protocol) è un set di regole che determina il modo in cui i dati vengono inviati a Internet. I protocolli IoT assicurano che le informazioni da un dispositivo o sensore vengano lette e comprese da un altro dispositivo, gateway o servizio. Sono stati progettati e ottimizzati protocolli IoT diversi per scenari e utilizzi diversi. Data la vasta gamma di dispositivi IoT disponibili, è importante usare il protocollo corretto nel contesto appropriato.
Qual è il protocollo IoT ideale per me?
Il tipo di protocollo IoT da usare dipenderà dal livello di architettura del sistema in cui verranno trasferiti i dati. Ilmodello OSI (Open Systems Interconnection) fornisce una mappa dei diversi livelli che inviano e ricevono i dati. Ogni protocollo IoT nell'architettura di sistema IoT consente comunicazioni da dispositivo a dispositivo, da dispositivo a gateway, da gateway a data center o da gateway al cloud, oltre a comunicazioni tra i data center.
Livello applicazione
Il livello applicazione viene usato come interfaccia tra utente e dispositivo entro un protocollo IoT specifico.
AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)
Livello software che crea l'interoperabilità tra middleware di messaggistica. Consente a una vasta gamma di sistemi e applicazioni di interagire, creando messaggistica standardizzata su scala industriale.
CoAP (Constrained Application Protocol)
Protocollo con limitazioni di larghezza di banda e di rete progettato per dispositivi con capacità limitata per la connessione nelle comunicazioni da computer a computer. CoAP è anche un protocollo di trasferimento di documenti eseguito su UDP (User Datagram Protocol).
DDS (Data Distribution Service)
Protocollo versatile per comunicazioni peer-to-peer che esegue qualsiasi operazione, dall'esecuzione di dispositivi minuscoli alla connessione di reti a prestazioni elevate. DDS semplifica la distribuzione, incrementa l'affidabilità e riduce la complessità.
MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
Protocollo di messaggistica progettato per comunicazioni leggere da computer a computer, usato principalmente per connessioni a banda ridotta verso posizioni remote. MQTT usa un criterio di tipo autore-sottoscrittore ed è ideale per dispositivi di dimensioni ridotte che richiedono efficienza a livello di larghezza di banda e uso della batteria.
Livello trasporto
In qualsiasi protocollo IoT il livello trasporto consente e protegge le comunicazioni dei dati durante il trasferimento tra i diversi livelli.
TCP (Transmission Control Protocol)
Protocollo dominante per la maggior parte della connettività Internet. Offre comunicazioni da host a host, suddividendo set di dati di grandi dimensioni in singoli pacchetti e inviando di nuovo e riassemblando i pacchetti in base alla necessità.
UDP (User Datagram Protocol)
Protocollo di comunicazione che consente la comunicazione da processo a processo e viene eseguito su IP. UDP migliora la velocità di trasferimento dati su TCP ed è ottimale per le applicazioni che necessitano di trasmissioni di dati senza perdite di dati.
Livello rete
Il livello rete di un protocollo IoT aiuta i singoli dispositivi a comunicare con il router.
IP
Molti protocolli IoT utilizzano IPv4, mentre le esecuzioni più recenti usano IPv6. Questo aggiornamento recente di IP indirizza il traffico su Internet e identifica e individua dispositivi sulla rete.
6LoWPAN
Questo protocollo IoT funziona in modo ottimale con dispositivi a basso consumo e con capacità di elaborazione limitate.
Data-link layer
Il livello di dati è la parte di un protocollo IoT che trasferisce dati entro l'architettura del sistema, identificando e correggendo gli errori trovati nel livello fisico.
IEEE 802.15.4
Standard radio per una connessione wireless a basso consumo. Viene usato con Zigbee, 6LoWPAN e altri standard per creare reti wireless incorporate.
LPWAN
Le reti LPWAN (Low-Power, Wide-Area Network) consentono la comunicazione tra distanze comprese tra 500 metri e più di 10 km in alcune posizioni. La rete LoRaWAN è un esempio di rete LPWAN ottimizzata per il consumo energetico ridotto.
Livello fisico
Il livello fisico è il canale di comunicazione tra dispositivi in un ambiente specifico.
BLE (Bluetooth Low Energy)
BLE (Bluetooth Low Energy) riduce significativamente il consumo energetico e i costi e mantiene una portata di connettività simile a quella di Bluetooth classico. BLE funziona in modalità nativa in diversi sistemi operativi e sta diventando rapidamente l'opzione preferita per elettronica di consumo grazie al basso costo e la batteria di lunga durata.
Ethernet
Questa connessione cablata è un'opzione meno costosa che fornisce una connessione dati veloce e bassa latenza.
LTE (Long-Term Evolution)
Standard di comunicazione a banda larga wireless per dispositivi mobili e terminali di dati. LTE incrementa la capacità e la velocità delle reti wireless e supporta flussi multicast e broadcast.
NFC (Near Field Communication)
Set di protocolli di comunicazione che usano campi elettromagnetici che consente a due dispositivi di comunicare a una distanza reciproca di quattro centimetri. I dispositivi abilitati per NFC funzionano come chiavi magnetiche per l'identità e vengono usate in genere per pagamenti contactless per dispositivi mobili, creazione di ticket e smart card.
Powerline (PLC, Power Line Communication)
Tecnologia di comunicazione che consente l'invio e la ricezione di dati su cavi di alimentazione esistenti. Consente di alimentare e controllare un dispositivo IoT tramite lo stesso cavo.
RFID (Radio Frequency Identification)
RFID usa i campi elettromagnetici per tenere traccia di tag elettronici altrimenti non alimentati. L'hardware compatibile fornisce l'alimentazione e comunica con tali tag, leggendo le rispettive informazioni per l'identificazione e l'autenticazione.
Wi-Fi/802.11
Wi-Fi/802.11 è uno standard nelle abitazioni e negli uffici. Anche se si tratta di un'opzione costosa, è possibile che non sia adatta a tutti gli scenari a causa della portata limitata e del consumo di energia 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Z-Wave
Rete mesh che usa onde radio a bassa energia per la comunicazione da appliance ad appliance.
Zigbee
Specifica basata su IEEE 802.15.4 per una suite di protocolli di comunicazione di alto livello usati per creare reti locali personali con piccole radio digitali a basso consumo.
Stack di tecnologie IoT - Parte 3:
Piattaforme IoT
Le piattaforme IoT semplificano la creazione e il lancio dei progetti IoT offrendo un singolo servizio che gestisce la distribuzione, i dispositivi e i dati. Le piattaforme IoT gestiscono i protocolli hardware e software, offrono la sicurezza e l'autenticazione e forniscono interfacce utente.
La definizione esatta di una piattaforma IoT può variare perché più di 400 provider di servizi offrono funzionalità che vanno dal software all'hardware e dagli SDK alle API. La maggior parte delle piattaforme IoT include tuttavia gli elementi seguenti:
- Gateway cloud IoT
- Autenticazione, gestione dei dispositivi e API
- Infrastruttura cloud
- Integrazioni di app di terze parti
Servizi gestiti
I servizi IoT gestiti aiutano i business a gestire le operazioni in modo proattivo e a mantenere il rispettivo ecosistema IoT. Sono disponibili diversi servizi IoT gestiti, ad esempio Hub IoT di Azure , per contribuire a semplificare e supportare il processo di creazione, distribuzione, gestione e monitoraggio del progetto IoT.
Applicazioni IoT delle tecnologie correnti
Intelligenza artificiale e IoT
I sistemi IoT raccolgono quantità così elevate di dati che risulta spesso necessario usare l'intelligenza artificiale e Machine Learning per ordinare e analizzare tali dati, in modo da consentire il rilevamento di criteri e intervenire in base alle informazioni dettagliate. L'intelligenza artificiale ad esempio può analizzare i dati raccolti da apparecchiature di produzione e può prevedere la necessità di manutenzione, riducendo i costi e il tempo di inattività provocati da guasti imprevisti.
Blockchain e IoT
Non è attualmente possibile confermare che i dati da IoT non siano stati manipolati prima della vendita o della condivisione. La tecnologia blockchain e IoT collaborano per abbattere i silo di dati e favorire l'attendibilità, in modo da consentire di verificare, tracciare e considerare attendibili i dati.
Kubernetes e IoT
Grazie a un modello di distribuzione con tempo di inattività pari a zero, Kubernetes consente ai progetti IoT di rimanere aggiornati in tempo reale, senza impatto sugli utenti. Kubernetes può essere ridimensionato in modo facile ed efficiente mediante le risorse cloud e offre quindi una piattaforma comune per la distribuzione nei dispositivi perimetrali.
Open source e IoT
Le tecnologie open source accelerano IoT, consentendo agli sviluppatori di usare gli strumenti che preferiscono nelle applicazioni basate su tecnologia IoT.
Quantum computing e IoT
La quantità significativa di dati generati da IoT si presta naturalmente alla capacità del quantum computing di eseguire velocemente operazioni di calcolo complesse. La crittografia quantistica consente inoltre di aggiungere un livello di sicurezza necessario ma attualmente ostacolato dalle capacità di calcolo ridotte che caratterizzano la maggior parte dei dispositivi IoT.
Serverless e IoT
L'elaborazione serverless permette agli sviluppatori di creare più rapidamente applicazioni, eliminando la necessità di gestire l'infrastruttura. Le applicazioni serverless consentono ai provider di servizi cloud di effettuare il provisioning, ridimensionare e gestire automaticamente l'infrastruttura necessaria per l'esecuzione del codice. Il traffico dei progetti IoT è variabile, quindi l'approccio serverless fornisce una modalità economicamente conveniente per il ridimensionamento dinamico.
Realtà virtuale e IoT
L'uso combinato di realtà virtuale e IoT può consentirti di visualizzare sistemi complessi e prendere decisioni in tempo reale. Grazie all'uso di una forma di realtà virtuale definita realtà aumentata o realtà mista, ad esempio, puoi visualizzare dati IoT importanti sotto forma di grafici sopra oggetti reali, ad esempio i dispositivi IoT, o aree di lavoro. Questa combinazione della realtà virtuale e di IoT ha ispirato il progresso tecnologico in settori quali il settore sanitario, l'assistenza sul campo, il settore dei trasporti e il settore produttivo.
Gemelli digitali e IoT
Il test dei sistemi prima dell'esecuzione può rappresentare una misura significativa per risparmiare tempo e denaro. Il servizio Gemelli digitali riceve dati da più dispositivi IoT e li integra con i dati da altre origini per offrire una visualizzazione del modo in cui il sistema interagirà con dispositivi, persone e spazi.
Dati IoT e analisi
Le tecnologie IoT producono volumi talmente elevati di dati da rendere necessari processi e strumenti specializzati per trasformare i dati in informazioni dettagliate di utilità pratica. Applicazioni e sfide più comuni a livello di tecnologia IoT:
Applicazione: Manutenzione predittiva
I modelli di Machine Learning per IoT progettati e sottoposti a training per identificare i segnali nei dati cronologici possono essere usati per identificare le stesse tendenze nei dati correnti. Questo approccio consente agli utenti di automatizzare le richieste preventive di servizi e di ordinare nuove parti in anticipo, in modo che siano sempre disponibili quando necessario.
Applicazione: Decisioni in tempo reale
Sono disponibili diversi servizi di analisi IoT, progettati per offrire la creazione di report end-to-end in tempo reale, tra cui:
- Archiviazione di dati con volumi elevati mediante formati che possono essere sottoposti a query dagli strumenti di analisi.
- Elaborazione di flussi di dati con volumi elevati per filtrare e aggregare i dati prima che vengano eseguite le analisi.
- Tempo di risposta di analisi a bassa latenza mediante strumenti di analisi in tempo reale che consentono di creare report e visualizzare i dati.
- Accettazione di dati in tempo reale mediante broker messaggi.
Sfida: Archiviazione dei dati
La raccolta di quantità elevate di dati comporta esigenze elevate a livello di archiviazione dei dati. Sono disponibili alcuni servizi di archiviazione dei dati, con capacità variabili a livello di strutture organizzative, protocolli di autenticazione e limiti di dimensioni.
Sfida: Elaborazione dati
I volumi di dati raccolti tramite IoT presentano difficoltà per la pulizia, l'elaborazione e l'interpretazione a velocità elevata. L'edge computing consente di affrontare queste difficoltà spostando la maggior parte dell'elaborazione dati da un sistema centralizzato ai margini della rete, più vicino ai dispositivi che necessitano dei dati. La decentralizzazione dell'elaborazione dati introduce tuttavia nuove difficoltà, tra cui l'affidabilità e la scalabilità dei dispositivi perimetrali e la sicurezza dei dati in transito.
Sicurezza per IoT, sicurezza e privacy
La sicurezza e la privacy per IoT sono considerazioni essenziali in qualsiasi progetto IoT. Anche se la tecnologia di IoT possono trasformare le operazioni del tuo business, i dispositivi IoT possono costituire minacce se non vengono protetti in modo adeguato. I ciberattacchi possono compromettere i dati, rovinare le apparecchiature e provocare addirittura danni.
La cybersecurity IoT avanzata, ad esempio Azure Sphere, va oltre le misure di riservatezza standard per includere la modellazione delle minacce. La comprensione dei diversi modi in cui gli utenti malintenzionati possono compromettere il tuo sistema è il primo passaggio per la prevenzione degli attacchi.
Durante la pianificazione e lo sviluppo del tuo sistema di sicurezza per IoT, è importante scegliere la soluzione ottimale per ogni fase della piattaforma e del sistema, da OT a IT. Soluzioni software come Azure Defender ti offrono la protezione che ti serve per l'intero sistema specifico.
Risorse per iniziare
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