Quali tipi di dispositivi IoT esistono e che cosa li vincola?

I dispositivi IoT vanno da un sensore grande come una moneta, che funziona per dieci anni con una sola batteria, a un gateway montato a rack con lo stesso processore di un laptop. Condividono la definizione di dispositivo IoT, un oggetto fisico dotato di rilevamento o attuazione e di una connessione di rete, ma quasi nient’altro. Le differenze nascono dai vincoli: quanta energia è disponibile, quanto può costare l’unità, a che distanza deve comunicare e quanto è esposta ad attaccanti e intemperie.

Capire questi vincoli spiega perché i dispositivi sono costruiti in un certo modo, e perché scelte che dal punto di vista del software sembrano strane (nessun sistema operativo, firmware che non si può aggiornare) sono spesso deliberate. Aiuta anche a scegliere la classe di dispositivo giusta per un problema.

Questa guida passa in rassegna le principali classi di dispositivi e poi i vincoli che le separano.

Com’è fatto lo spettro dei dispositivi?

Nodi sensore a risorse limitate

All’estremo più piccolo ci sono i sensori a batteria: sonde di temperatura e umidità, contatti per porte, picchetti per l’umidità del suolo, rilevatori per i posti auto, tag per gli asset. Sono costruiti attorno a un microcontrollore con qualche centinaio di kilobyte di memoria flash e qualche decina di kilobyte di RAM, una sola radio e una batteria a bottone o una coppia di stilo AA. Passano quasi tutto il tempo in deep sleep e si risvegliano brevemente per misurare e trasmettere.

Il firmware è un unico programma, a volte costruito su un piccolo RTOS per pianificare le attività. Tutto si misura in microampere e in byte.

Dispositivi intelligenti alimentati dalla rete elettrica

Prese intelligenti, lampadine, termostati, videocitofoni ed elettrodomestici hanno una fonte di alimentazione e possono quindi permettersi una radio Wi-Fi, un chip più capace come un ESP32 e una connettività sempre attiva. Sono raggiungibili in qualsiasi momento, il che semplifica i comandi e gli aggiornamenti OTA. Il loro vincolo è il costo: in un prodotto di consumo ogni centesimo della distinta base conta, e questo spinge i progettisti verso il chip più economico che soddisfa le specifiche, lasciando poco margine per l’hardware di sicurezza.

Wearable e dispositivi portatili

Un wearable unisce il vincolo di batteria di un nodo sensore con la sensoristica più ricca (una IMU, un sensore ottico di frequenza cardiaca, un GPS) e l’interfaccia utente di un prodotto di consumo. Si affida a un telefono come gateway via Bluetooth Low Energy, il che mantiene semplice il dispositivo stesso.

Gateway e dispositivi edge

Un gateway raccoglie i dati da molti dispositivi locali e li inoltra su IP. Un dispositivo edge va oltre ed esegue in locale la logica applicativa: conversione di protocollo, filtraggio, regole locali, a volte inferenza di machine learning. Questi dispositivi sono costruiti attorno a un microprocessore con Linux, spesso confezionato come system on module o, nei prototipi, come una scheda tipo Raspberry Pi. Hanno alimentazione da rete o Power over Ethernet, memoria di archiviazione e la capacità di eseguire container.

Apparecchiature industriali e rugged

Sensori, controller e tracker industriali devono affrontare vibrazioni, polvere, umidità e temperature estreme. Un dispositivo rugged è sigillato, certificato per il proprio ambiente e progettato per una vita utile di molti anni. Nelle fabbriche, PLC e azionamenti vengono sempre più spesso dotati di connettività IoT perché i loro dati raggiungano i sistemi di analisi. Qui il vincolo non è il costo per unità ma l’affidabilità e la certificazione.

Veicoli e asset mobili

Le unità di telematica su camion, macchine agricole e monopattini in condivisione hanno energia in abbondanza finché il motore è acceso, ma devono sopravvivere con una piccola batteria tampone quando il veicolo è parcheggiato. Usano l’IoT cellulare perché si spostano, e spesso aggiungono il satellite per le zone remote.

Quali vincoli guidano la progettazione?

Energia

L’energia è la prima domanda per qualsiasi dispositivo senza collegamento alla rete elettrica. Il budget energetico determina quale radio è praticabile, ogni quanto il dispositivo può riferire e se può permettersi di eseguire operazioni crittografiche. Un dispositivo con batteria a bottone non può tenere viva una connessione Wi-Fi; deve usare una radio a basso consumo come BLE, Zigbee, Thread o LoRaWAN, e un duty cycle minimo.

L’energy harvesting da luce o vibrazioni può prolungare la vita a tempo indeterminato per i nodi a consumo bassissimo, quando la fonte è affidabile.

Costo e volumi

Un sensore installato a migliaia deve essere economico, e questo esclude memorie grandi, secure element e radio costose. È il motivo principale per cui i dispositivi a risorse limitate non hanno funzioni che gli ingegneri della sicurezza considerano di base. Quando il costo lo permette, un secure element fornisce l’archiviazione delle chiavi in hardware e una root of trust per il secure boot.

Una radio più economica può richiedere più gateway, e un chip più economico più tempo di ingegneria, quindi la misura giusta è il costo totale di possesso lungo tutta la vita dell’installazione.

Memoria e capacità di calcolo

Un microcontrollore con qualche decina di kilobyte di RAM non può contenere uno stack TCP/IP completo con TLS più la logica applicativa senza un’ingegnerizzazione attenta. Per questo esistono protocolli come CoAP e MQTT-SN, per questo i payload usano CBOR invece di JSON, e per questo 6LoWPAN comprime le intestazioni IPv6 per le radio piccole. All’altro estremo, i dispositivi edge con gigabyte di RAM eseguono lo stesso software dei server.

Connettività e portata

L’ambiente fisico detta la radio. Al chiuso funzionano il Wi-Fi o una rete mesh. Su un campus o un’azienda agricola, le tecnologie LPWAN coprono chilometri con pochi milliwatt. In movimento, la rete cellulare (NB-IoT, LTE-M) è la scelta pratica. Ogni radio impone limiti alla dimensione e alla frequenza dei messaggi, che a loro volta influenzano la progettazione del firmware.

Ambiente fisico

Intervallo di temperatura, grado di protezione, vibrazioni ed esposizione agli agenti chimici condizionano l’involucro e i componenti. Un dispositivo per esterni ha bisogno di un’antenna che funzioni dentro una custodia sigillata e di una chimica della batteria che tolleri il freddo.

Longevità e manutenibilità

L’elettronica di consumo si sostituisce in pochi anni; un contatore intelligente (smart meter) o un sensore strutturale su un ponte possono dover funzionare per quindici. Una vita lunga alza la posta sui meccanismi di aggiornamento del firmware, sull’agilità crittografica e sui ricambi. Un dispositivo che non si può aggiornare da remoto è un rischio per tutta la sua vita, ed è per questo che il ciclo di vita del dispositivo merita la stessa attenzione progettuale dell’hardware.

Esposizione alle minacce

Un dispositivo in un luogo pubblico può essere aperto, sondato e riprogrammato. Un dispositivo in un armadio chiuso a chiave no. La minaccia attesa decide se le porte di debug vanno disabilitate, se le chiavi devono risiedere in hardware resistente alla manomissione e quanto il firmware deve difendersi dagli attacchi fisici. La guida ai fondamenti di sicurezza tratta queste difese.

Come si abbina la classe al compito?

Una regola pratica veloce: parti dall’alimentazione. Se c’è la rete elettrica, lo spazio di progetto è ampio e le domande principali sono costo e connettività. Se il dispositivo funziona a batteria, decidi quanto deve durare e quanti dati deve inviare, e lascia che questi due numeri eliminino le opzioni radio finché non ne resta una. Se servono decisioni locali quando la rete è assente, o se il volume di dati grezzi è troppo grande per essere trasferito, aggiungi un dispositivo edge.

Mescolare le classi è normale: sonde per il terreno a batteria a bottone su LoRaWAN, un tracker cellulare su ogni trattore e un gateway Linux nel fienile che collega tutto.

Per continuare

• Panoramica della connettività IoT confronta le radio su cui si basa ogni classe di dispositivi.
• Come funziona l’IoT: dal sensore al cloud e ritorno mostra come questi dispositivi si inseriscono in un sistema completo.
• Gestione dei dispositivi e aggiornamenti over the air spiega come mantenere i dispositivi manutenibili dopo l’installazione.
• TinyML spiegato esamina l’esecuzione del machine learning sulla classe più piccola di dispositivi.

Argomenti: dispositivi, hardware, microcontrollori, fondamenti