Smart building: protocolli di comunicazione aperti e chiusi e interoperabilità

I sistemi domotici integrano sottosistemi di differente natura e funzionalità che riescono a comunicare tra loro in maniera rapida ed efficace, diventando un unico gruppo interoperante. 

I sistemi domotici richiedono perciò che i singoli dispositivi (ad esempio un cancello, una tapparella o una lampada) possano condividere pacchetti di dati con gli altri componenti, affinché siano poi gestibili dall’utente tramite applicazioni dotate di una interfaccia utente il più possibile semplice ed intuitiva. Il passaggio di dati avviene tramite la connessione di ogni dispositivo, in modalità cablata o wireless, con una rete comune e chiusa. 

È molto importante che la rete sia chiusa e che si rispettino semplici regole di cyber security, altrimenti si creano grosse vulnerabilità, come abbiamo spiegato in questo articolo.

Pensiamo ad esempio ad un gruppo di persone di madre lingua differenti: per comunicare dovrebbero scegliere un linguaggio comune (come avviene a livello internazionale con l’inglese) oppure munirsi di un interprete (cosa alquanto costosa se quotidiana). Senza questi accorgimenti, il gruppo di persone non potrà comunicare o comunicherà solo in parte. Lo stesso avviene con la tecnologia: il corretto funzionamento del sistema dipende dalla capacità dei singoli dispositivi di comunicare i pacchetti di dati tramite la rete usando un “linguaggio” comune, o almeno traducibile.

Ma cos’è quindi un protocollo di comunicazione?

Il protocollo di comunicazione in un sistema domotico è quell’insieme di regole e procedure con cui i pacchetti di dati vengono trasmessi e ricevuti tra due nodi di una rete. Possiamo quindi semplificare, affermando che il protocollo di comunicazione è il linguaggio con cui i vari dispositivi comunicano tra di loro all’interno del sistema di domotica.

I protocolli sono spesso correlati alle scelte tecnologiche, ancor prima che a scelte di business, poiché la tecnologia definisce la modalità con cui si trasmettono i pacchetti di dati.

La modalità ancora più usata è quella via cavo (wired), in cui la trasmissione dei dati avviene tramite un cablaggio, che dà forte affidabilità a fronte di costi di approvvigionamento e stesura dei cavi. Un esempio è dato dalla rete Ethernet, una tecnologia che permette il collegamento attraverso cavi alle cui estremità è presente un doppino telefonico all'interno di una rete locale LAN.

La modalità senza cablaggio (wireless) è sempre più utilizzata, soprattutto per gli interventi su stabilimenti già esistenti, dove il cablaggio richiederebbe costi e tempi troppo onerosi.

La maggior parte dei protocolli nascono esclusivamente per alcuni mezzi trasmissivi: ne sono un esempio il Bluetooth low energy, Z Wave ed EnOcean che nascono per l’approccio wireless e non funzionano in wired. Questo porta ad avere potenziali problemi di comunicazione nei sistemi ibridi (in cui i device sono collegati sia wired che wireless).

Foto di Gerd Altmann da Pixabay 

Interoperabilità

Per ovviare a questi problemi, abbiamo spesso bisogno di traduttori simultanei che vengono chiamati gateway.

I gateway sono convertitori di protocolli di comunicazione che uniscono reti differenti affinché i dispositivi presenti su una rete possano comunicare con quelli presenti in un’altra. Sono quindi in grado di accettare in ingresso pacchetti di dati in un determinato linguaggio ed elaborarli affinché siano convertiti in un linguaggio differente. Sono una specie di traduttore simultaneo che permette l’interoperabilità dei dispositivi, rendendoli interconnessi. Il tutto a fronte di un minimo rallentamento nel flusso di dati.

La pluralità di linguaggi rende quindi più complesso e più costoso creare impianti di domotica che utilizzino dispositivi di produttori differenti e di differenti release temporali. Rendere operabili tra loro (inter-operabili) i dispostivi è quindi la più grossa sfida di qualunque progettista, soprattutto se chiamato ad intervenire per creare migliorie / implementazioni aggiuntive su impianti già esistenti. Ecco, quindi, che il concetto di interoperabilità diviene il main driver di scelta dei protocolli (e quindi dei dispositivi) che compongono l’impianto domotico, secondo questo principio.

Un sistema si può definire interoperabile se è in grado di scambiare informazioni o servizi con altri sistemi secondo il livello di affidabilità prestabilito. L’interoperabilità racchiude quindi i concetti di sinergia, interscambio e funzionalità del sistema 

Al fine di assicurare l’interoperabilità del sistema, la scelta del protocollo diventa dirimente e il progettista si trova davanti ad un bivio: protocollo chiuso (anche detto proprietario) oppure aperto (anche detto standardizzato)?

Protocollo chiuso, anche detto “proprietario”

Il protocollo chiuso viene anche definito “proprietario” poiché viene sviluppato da un determinato produttore, che lo applica ai suoi prodotti che saranno quindi caratterizzati in maniera uniforme secondo determinate potenzialità e limiti di utilizzo. Questo approccio assicura una totale interoperabilità tra tutti i dispositivi di quel determinato produttore, ma di contro non permette ai dispositivi di interagire con dispositivi di altri brand, a meno che non sussistano accordi di business tra le differenti case produttrici. 

Spesso l’utente privato che sottovaluta la difficoltà dell’interoperabilità, decide di comprare autonomamente vari device (magari online) e poi non riesce a farli comunicare tra loro, rischiando di dover installare varie app e di avere risultati ben lontani dalle aspettative economiche e di utilizzo.  

Va però detto che molte delle case produttrici stanno iniziando ad aderire a standard aperti, cambiando la vecchia strategia di approccio al mercato, in primis per facilitare la vendita dei propri dispositivi anche in contesti di differenti brand.

Protocollo aperto, anche detto “standard”

Il protocollo aperto è sviluppato e gestito da un ente terzo ai vari costruttori e permette di avere un approccio di interconnessione dei dispositivi il più possibile vicino al modello “plug & paly”.  Dispositivi di marchi differenti che aderiscono allo stesso standard possono quindi nativamente comunicare tra loro, garantendo il funzionamento ottimale dell’impianto. Questo rende possibile una altissima customizzazione dell’impianto, permettendo al progettista di scegliere componentistica di marchi differenti senza problematiche di comunicazione , nonché di implementare migliorie all’impianto negli anni senza rischiare di dover proporre al cliente di rifare interi rami di impianti o di dover acquistare gateway specifici (che non sempre si trovano su mercato).

Il mio consiglio è quello di optare sempre e solo per questa tipologia di protocollo, che si presenta maggiormente versatile e, perché no, anche molto più etica.

Di seguito due esempi di protocolli aperti, uno wired e uno wireless:

KNX: il protocollo aperto wired più diffuso al mondo

KNX è lo standard mondiale aperto (libero da royalty) più diffuso per la building automation. E’ stato sviluppato dalla KNX Association ed è approvato come standard europeo (EN 50090 - EN 13321-1) e mondiale (ISO/IEC 14543). 

Consente la gestione automatizzata e decentralizzata di tutti i device di produttori che aderiscono allo standard (l’elenco è consultabile sul sito knx.org) A questo standard aderiscono più di 300 produttori in 37 Paesi con più di 7.000 dispostivi certificati. Ad esempio, in Italia aderiscono player come ABB, BTicino, Carel, Wurth, Vimar e molti altri.

Il protocollo scelto da KNX è il bus. Le informazioni vengono scambiate attraverso il mezzo trasmissivo KNX al quale sono collegati tutti i dispositivi bus (doppino intrecciato, radio frequenza, onda convogliata o IP/Ethernet). Lo standard aperto KNX è quindi basato sulla tecnologia aperta EIB, vediamo perché. 

Già dalla fine degli anni '80 il mercato della “Home and Building Automation” ha iniziato a crescere con trend costantemente positivi e molte aziende leader del settore della componentistica e installazione elettrica hanno trovato un punto di accordo definendo una tecnologia comune, chiamata EIB (European Installation Bus) e fondando l’Associazione EIBA. EIB è caratterizzata da un sistema aperto che assicura l'interoperabilità degli apparecchi: in un impianto possono infatti funzionare senza problemi apparecchi di tutti i costruttori che aderiscono a EIBA. 

Le tre associazioni europee EIBA (European Installation Bus Association), EHSA (European Home Systems Association) e BCI (Batibus Club international) hanno dato vita all'Associazione Konnex, che nel 2002 ha visto la nascita del branch italiano che annovera tra i suoi membri fondatori ABB, BTicino, Gewiss, Hager, Siemens e Vimar.

In caso di edifici di ridotte dimensioni, KNX può svolgere sia la funzione di bus di campo (field level) che funzioni di livello intermedio e superiore (automation e management level). Per edifici grandi e complessi, KNX è un’ottima soluzione come bus di campo (field level), mentre per i livelli superiori si prediligono soluzioni in LON e BACnet (automation level) e Ethernet e TCP/IP (management level).

L’applicazione di KNX, e più in generale di uno standard aperto, offre molti vantaggi:

• Standard internazionale
• Interoperabilità garantita da una certificazione neutrale
• Qualità dei prodotti garantita dal fatto che tutti i costruttori KNX devono avere la certificazione INO 9001
• Un unico software standard configurabile per la progettazione, configurazione, diagnostica e gestione dei dispositivi, indipendente dai singoli produttori
• Possibilità di mettere in correlazione tutti gli impianti presenti, interagendo con altri sistemi come ad esempio BACnet e DALI.

A quanto sopra si aggiunge che KNX funziona sia wired (doppino intrecciato, onda convogliata, ethernet) sia wireless (radio frequenza) con le dovute diversificazioni (poiché i due protocolli non sono identici), ma in totale interoperabilità.

EnOcean: il protocollo aperto wireless che sfrutta il principio di energy harvesting

EnOcean è uno standard wireless creato e promosso dalla EnOcean Alliance, che permette l’interoperabilità di un’ampia gamma di dispositivi, tramite reti che utilizzano sensori autoalimentati. Ad oggi la tecnologia EnOcean è stata impiegata in più di 1,000,000 edifici in tutto il mondo.

Lo standard wireless EnOcean è ottimale per sensori e reti di sensori wireless a potenza ultra-bassa alimentati da energia ambientale attraverso luce, movimento e variazione di temperatura.

L'energy harvesting (EH) è infatti una tecnica che permette di raccogliere energia dall'ambiente e convertirla successivamente in alimentazione elettrica. Questo tipo di sistemi è quindi energeticamente autonomo. Un esempio di energia cinetica convertita in energia elettrica è dato dallo switch di un interruttore della luce, oppure dall’inserimento/disinserimento di una chiave magnetica in un interruttore di una camera di hotel. Altri esempi sono dati dalla luce solare: anche bassi livelli di luce indoor possono alimentare un sensore di movimento, un termostato o un contatto magnetico di un infisso affinché possano operare per giorni interi al buio completo. 

EnOcean rispetta la ISO/IEC 14543-3-1X e può essere utilizzato negli edifici, residenziali e industriali, con una portata che può raggiungere i 30 metri negli spazi chiusi.

L’applicazione di EnOcean offre molti vantaggi, di cui riportiamo i principali:

• Facilità e rapidità di installazione anche in edifici di vecchia costruzione, poiché non sono necessari cablaggio e risparmio cel costo del cablaggio per gli edifici di nuova costruzione 
• Flessibilità di spostamento dei vari componenti negli anni, sempre nel rispetto del raggio massimo di funzionamento  
• Autonomia energetica grazie all’energy harvesting, che permette di non dover usare batterie
• Scalabilità e ineteroperabilità, grazie ai 400 produttori aderenti, anche con i protocolli più usati, come KNX, BACnet, LonMark, TCP/IP