Panoramica sui Protocolli più utilizzati per applicazioni ...docenti.etec.polimi.it/IND32/Didattica/AzionamentixAutomazione... · KNX (Konnex) Batibus EIB (European Installation

Laboratorio Sistemi di comunicazione industriale

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1 Politecnico di Milano

DISPENSA CORSO

“SISTEMI PER L’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE E LA DOMOTICA”

(Corso per Laurea Magistrale)

___________________________________

Panoramica sui Protocolli più utilizzati per applicazioni in Domotica

e in Automazione distribuita in ambiente domestico:

I° Parte (Stato dell’arte)

(Ing. Stefano Maggi, Politecnico di Milano)

CEBus (Consumer Electronics Bus)

X-10

LonWorks

Smarthouse

KNX (Konnex)

Batibus

EIB (European Installation Bus)

EHS (European Home System)

HBS (Home Bus System)

HBES (Home and Building Electronic Systems)

IEEE 802.15.4/ZigBee


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Aspetti introduttivi

La parola Domotica deriva dalla congiunzione di due parole greche: domos e titemi, che

significano rispettivamente casa e ordinare. Inoltre il suffisso greco titos indica le discipline di

applicazione e quindi il significato finale della parola domotica è quello di “ordinare la casa”.

L’essere umano da sempre svolge l’attività di ordinare e organizzare il proprio spazio abitativo e

quindi la domotica, in questo senso, esiste da sempre.

Oggi questo vocabolo si è affermato come neologismo che richiama le nuove tecnologie applicate

alla gestione della casa.

La domotica rappresenta quindi un approccio moderno per governare la casa, sfruttando sempre i

più recenti strumenti tecnologici disponibili.

Inoltre con Domotica si intende generalmente sia la tecnologia (quindi gli aspetti di ricerca), sia il

settore produttivo (e quindi gli aspetti applicativi) che si occupano dell’integrazione, ottenuta

mediante l’utilizzo dell’elettronica e dell’informatica, dei prodotti, degli impianti e dei servizi che

permettono l’automazione delle funzioni domestiche.

L’integrazione include anche la gestione degli apparati (elettrodomestici, caldaia, lampade, apparati

audio/video, ecc…) che sono tradizionalmente presenti nell’abitazione.

Brevemente per Bus (Basic Utility System) si intende il mezzo di trasporto dei dati che può essere

realizzato con diversi supporti fisici (doppino, onde convogliate, fibra ottica, wireless, ecc…) e

serve a collegare fra loro tutti i componenti (dispositivi) che fanno parte del sistema di automazione

considerato.

Sul Bus vengono trasmesse informazioni (messaggi) in maniera sequenziale, da un dispositivo del

sistema a tutti gli altri.

Un dispositivo per volta è abilitato a trasmettere (nel caso di sistemi “event driven” ci sarà un

meccanismo di arbitraggio per evitare l’accesso contemporaneo al bus di 2 o più dispositivi),

mentre gli altri (o almeno quelli che hanno la funzione di ricevere) sono in stato di ricezione.

Nel caso di sistemi bus orientati al nodo, quando un dispositivo trasmette un messaggio, tale

messaggio deve contenere sia l’indirizzo del dispositivo (o del gruppo di dispositivi) di

destinazione, sia quello del mittente (oltre ai dati e ai vari controlli).

Il dispositivo di destinazione è l’unico che, riconoscendo il proprio indirizzo, interpreta il

messaggio ed esegue eventuali azioni richieste (dati).


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Dagli impianti tradizionali alla Domotica

La seguente tabella sintetizza il confronto fra un impianto tradizionale ed un sistema domotico:

Impianto elettrico

tradizionale

Impianto con tecnologia

Bus

Dispositivi

tradizionali

Funzioni tradizionali

(comandi manuali)

Funzioni tradizionali con

maggiore flessibilità

Prodotti

per l’automazione

Funzioni automatiche Integrazione delle funzioni

automatiche (Domotica)


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Da Domotica ad Home Evolution

E’ possibile semplificare la rappresentazione della filiera domotica riconducendola ed inserendola

nella nuova architettura di gestione dell’Energia, in seguito schematizzata (fig.1):

Fig.1: Nuova architettura di Home Evolution (Fonte: Anie)

l’area delle soluzioni applicative: che comprende le tecnologie e i prodotti elettronici,

elettromeccanici, informatici e di comunicazione che supportano applicazioni domestiche

l’area della comunicazione locale: che comprende le tecnologie e infrastrutture che

consentono la connettività e interoperabilità fra le soluzioni applicative domestiche

l’area della comunicazione geografica: che comprende le tecnologie e le reti di

comunicazione e trasporto di dati, segnali e immagini fra la casa ed il mondo dei servizi e

sistemi esterni

l’area dei servizi a valore aggiunto: che comprende i servizi erogati, da terzi o dal Gestore

Energetico, alla casa e alla famiglia attraverso o comunque mediante il supporto delle reti

geografiche e locali e delle soluzioni domestiche installate

Lo schema evidenzia anche un’area di prodotti e soluzioni isolate (pre-domotiche), costituita da

prodotti elettronici ed elettromeccanici presenti nella casa, ma che mancano dei requisiti di

connettibilità a reti locali o ad altri sistemi.

Inoltre Homevolution comprende sia la “tradizionale” domotica (automazione domestica), sia

l’informatica e i servizi di comunicazione e a valore aggiunto abilitati dalle soluzioni domotiche,

mentre escluderebbe la pre-domotica.


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La tradizionale distinzione quindi fra “Home Automation”, cioè automazione domestica o

domotica, e “Home Computing & Communication”, cioè informatica e comunicazione per la casa,

non ha e soprattutto non avrà più molto significato, se non in termini tassonomici ovvero di facilità

di classificazione.

Infatti, in questo senso, tale distinzione viene adottata considerando due macro-aree applicative:

l’area della applicazioni di automazione domestica: prevalentemente orientata alla

elaborazione di segnali e dati

l’area delle applicazioni di informatica a comunicazione domestica: prevalentemente

orientata alla elaborazione di fonia e immagini

Con questa premessa la classificazione proposta prevede 2 aree e 10 segmenti applicativi, oltre

all’area della comunicazione locale (rete domestica): a questi 10 segmenti fanno capo molte decine

di applicazioni, di cui solo le principali sono qui indicate a titolo di esempio.


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Classificazione generale delle applicazioni domestiche

Comunicazione locale - Rete domestica

AUTOMAZIONE

DOMESTICA

INFORMATICA E COMUNICAZIONE

DOMESTICA

Sicurezza Telecomunicazione

Sicurezza antifurto

Sicurezza antincendio, gas,

allagamento

Tele(video)sorveglianza

Telefonia fissa

Telefonia mobile

Radiotelecomunicazione

Controllo accessi Informatica e telematica

Citofonia

Videocitofonia

Video controllo (TVCC)

Controllo badge

Home computing

Home-office

Telelavoro

Controllo elettrodomestici Commercio, banca, turismo, cultura, ecc.

Programmazione e controllo

Monitoraggio,diagnostica,

manutenzione

E-commerce

Home banking

Servizi turistici (e-tourism)

Teledidattica

Controllo energia, comfort e

consumi Informazione e intrattenimento

Controllo riscaldamento

Controllo condizionamento

Illuminazione

Irrigazione

Dispositivi antiblack out

Riarmo automatico

Telelettura gas/elettricità/acqua

Video-TV, satellite, DVD

TV digitale

Home Theatre

Radio, Hi-fi

Video-giochi

Azionamenti e motorizzazioni Salute e Benessere

Controllo infissi e tendaggi

Controllo cancelli

Telemedicina

Teleassistenza

Telediagnosi


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Le funzionalità dei prodotti e delle soluzioni domestiche

Ogni prodotto e soluzione domestica può supportare una o più delle applicazioni indicate a diversi

livelli funzionali, che sono a loro volta definiti da una molteplicità di indicatori di prestazioni, fra

cui a titolo di esempio i seguenti:

interconnettibilità: scambio di segnali e dati di input/output fra sistemi diversi (a

prescindere cioè dalla scontata connettibilità dei sistemi con i propri sensori/attuatori o con

la rete di alimentazione)

interoperabilità: capacità dei sistemi di comunicare e condizionare reciprocamente le

proprie funzionalità attraverso l’interazione fra i rispettivi sistemi operativi e applicativi

multifunzionalità: capacità di un sistema di supportare più applicazioni in modo integrato

programmabilità: modalità e facilità di programmazione e controllo

interfaccia utente: tipo di mezzo utilizzato per programmare e interagire con il sistema

controllo a distanza: capacità del sistema di comunicare e/o essere governato a distanza

velocità, affidabilità, sicurezza, facilità d’uso, ecc…

Una classificazione per prestazioni e livelli funzionali presenta quindi la difficoltà di gestire una

pluralità di fattori, molti dei quali di difficile rilevazione all’interno di categorie di prodotti e

sistemi, in continuo rinnovamento tecnologico.

Vi sono tuttavia due fattori che, in misura maggiore di altri, discriminano e rappresentano livelli

funzionali diversi: la interconnettività e l’interoperabilità.


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Classificazione dei livelli funzionali

Sulla base delle premesse poste, è ora possibile formulare la seguente classificazione per livello

funzionale dei prodotti e soluzioni domestiche:

Livello

funzionale Denominazione Definizione

Livello 0:

Soluzioni isolate

(pre-domotica)

Prodotti e soluzioni stand-alone

(singoli, isolati) e non

interconnettibili

Livello 1:

Soluzioni di base Prodotti e soluzioni interconnettibili

Livello 2:

Soluzioni integrate Prodotti e soluzioni interoperabili

Livello 3:

Supervisione domestica e

residenziale

Supervisione e monitoraggio di

soluzioni a livello domestico o di

edificio residenziale


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Le attuali Tecnologie

Nel corso degli ultimi dieci anni c’è stato un continuo proliferare di sistemi dedicati

all’automazione della casa e per certi aspetti questo è stato un fatto positivo: è cresciuta l’offerta, la

concorrenza ha portato ad un abbassamento dei prezzi e tutti i soggetti coinvolti nella filiera, in

qualche modo, si occupano di domotica.

Nel frattempo però, è diventato sempre più difficile orientarsi in questo settore ed i progettisti e gli

installatori faticano a districarsi in un mercato pieno di soluzioni attraenti sul piano dei costi ma

poco documentate sul piano della qualità e dell’affidabilità.

Certo si può sempre ricorrere ai sistemi definiti “standard” che offrono ampie garanzie sul piano

dell’affidabilità e delle prestazioni, ma diventa difficile realizzare soluzioni a costi contenuti e

spesso è necessario avere una buona preparazione tecnica per poterli utilizzare.

I sistemi dedicati all’automazione domestica possono essere suddivisi in due categorie, quelli di tipo

“proprietario” e quelli “aperti”.

I sistemi proprietari sono quelli realizzati da un singolo costruttore che non ha interesse a divulgare

le informazioni sul funzionamento dei propri apparati e ne rende impossibile la costruzione a terzi.

Spesso si tratta di sistemi che hanno il loro punto di forza nel costo contenuto e di solito permettono

di realizzare con facilità impianti medio/piccoli con ottime funzionalità e buone prestazioni.

Quando sono realizzati da aziende di un certo livello, offrono un’ampia scelta di dispositivi, linee

estetiche assai accattivanti e vantano migliaia di installazioni.

Resta l’incognita del prodotto single-source che crea una sorta di dipendenza del cliente dal

costruttore e che potrebbe risultare fastidiosa in certe situazioni ma anche in questo caso, se ci si

orienta verso aziende di un certo prestigio, i rischi saranno limitati.

I sistemi aperti, che a volte vengono anche definiti “standard”, sono invece quelli dove le specifiche

di funzionamento degli apparati vengono rese pubbliche in modo che qualsiasi azienda possa

decidere di sviluppare dispositivi conformi e quindi interoperanti con tutti gli altri.

Spesso si tratta di associazioni o consorzi di aziende di grandi dimensioni (a volte multinazionali)

che, sfruttando le proprie competenze, creano dei veri e propri riferimenti di mercato, definiti

appunto “standard”.

Quasi sempre si tratta di sistemi molto evoluti che permettono di realizzare impianti medio/grandi e

che sono in grado di soddisfare qualsiasi esigenza di automazione.

I vantaggi di questi sistemi sono l’affidabilità, l’interoperabilità dei dispositivi, la scalabilità delle

soluzioni e la quasi totale indipendenza dal singolo costruttore.

Inoltre, sistemi possono essere suddivisibili in base alla loro architettura (cioè in base al modo in

cui sono collegati e comandati i vari dispositivi) ed in base a dove è localizzata la “capacità

decisionale” del sistema.

Si possono distinguere principalmente tre tipi di architettura:

centralizzata

distribuita

mista


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Fig.2: Esempio tipico di un Sistema ad architettura centralizzata

Nell’architettura centralizzata (fig.2) esiste un’unica unità decisionale (tipicamente una

centralina) che a seconda dei casi, può essere suddivisa in più unità intelligenti, può avere diversi

livelli gerarchici e a volte, è anche distribuita fisicamente con una logica master/slave.

I dispositivi distribuiti in campo possono essere dotati di una propria capacità di autodiagnosi e di

autoconfigurazione ma non sono in grado di prendere decisioni, delegando questa funzione alla

centralina.

In questo scenario, i messaggi provenienti dai sensori e diretti agli attuatori sono sempre elaborati

dall’unità centrale che, in base ad un programma residente nella sua memoria, prende le decisioni

del caso.

In questo tipo di architettura appare evidente che il punto debole del sistema è rappresentato dalla

centralina che, in caso di guasto, rischia di rende inutilizzabile tutto l’impianto.

I costruttori di questo tipo di sistemi sono ben coscienti di questo rischio ed in fase di progettazione,

hanno posto in essere una serie di accorgimenti che hanno permesso di ridurre drasticamente il

pericolo di “black-out” totali.

I vantaggi dell’architettura centralizzata sono la facilità di programmazione e di riconfigurazione, il

minor costo ed il buon livello di integrazione delle funzioni.

Nell’architettura distribuita (fig.3) invece, tutti i dispositivi sono “intelligenti” e sono quindi in

grado di eseguire una serie di funzioni in modo totalmente autonomo.

Ad ogni componente in campo, in un sistema orientato al nodo, viene prima assegnato un indirizzo

univoco (per poterlo identificare nella rete) e poi viene programmato per eseguire determinati

comandi e svolgere certe funzioni.

Mentre in un sistema orientato al messaggio, viene assegnato un identificatore (ID) all’azione della

funzionalità prima della fase di programmazione e configurazione.

In questo tipo di architettura, i dispositivi in campo si parlano tra di loro attraverso una

messaggistica standardizzata che permette di creare associazioni di funzionalità tra i componenti

senza particolari limiti.


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Fig.3: Esempio tipico di un Sistema ad architettura distribuita

Tra i vantaggi di questa architettura possiamo citare la grande flessibilità, l’affidabilità (se si guasta

infatti un dispositivo si perderanno le funzioni associate a quel dispositivo, ma il resto del sistema

continuerà a funzionare) e le prestazioni, che però vanno a scapito dei costi e di una maggiore

complessità in fase di programmazione.

Nell’architettura mista esiste un cablaggio principale a livello di fabbricato che ha caratteristiche

simili all’architettura distribuita che poi si collega, attraverso delle interfacce, ad una serie di

centraline dislocate nell’edificio.

Si tratta di un’architettura molto efficiente e performante che però trova la sua applicazione

nell’automazione di grandi edifici con esigenze particolari.

Indipendentemente dal tipo di architettura, il collegamento tra i dispositivi in campo viene

generalmente effettuato attraverso delle linee dedicate in rame od in fibra ottica.

Il vantaggio del linee in rame è rappresentato dalla facilità di posa in opera e dal basso costo mentre

con la fibra ottica si ottengono grandi velocità di comunicazione, un’ottima immunità ai disturbi,

ma a discapito del costo e della facilità di montaggio.

Esistono poi sistemi che sfruttano l’impianto elettrico esistente per comunicare tra di loro

(PowerLine) ed altri sistemi, considerati innovativi, che utilizzano una Wireless Mesh Network per

la comunicazione fra tutti i dispositivi presenti (Sistema Smart Mesh Building).


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I principali Sistemi e Standard

In questo paragrafo si fornisce una descrizione dei sistemi e standard per l’automazione della casa

più diffusi sul mercato, senza entrare in approfonditi dettagli sulla relativa tecnologia, la quale

meriterebbe un’analisi a parte che esula dallo scopo di questo documento.

Si tratta di una selezione fatta con l’intento di fornire una panoramica sulle varie tecnologie, senza

pretesa di completezza e senza volontà di orientare le scelte verso una soluzione o l’altra: l’ordine in

cui sono riportati i singoli sistemi è del tutto casuale.

Principali Standard Americani

Il mercato statunitense sembra essere contraddistinto da una maggiore conflittualità tra standard

diversi e non è ancora stata intrapresa una vera e propria strada di convergenza, come nel caso del

mercato europeo.

CEBUS (Consumer Electronics Bus) Sviluppato dall'associazione americana EIA (Electronic

Industries Association) il Consumer Electronic Bus è uno standard integrato multimediale per

sistemi di Home Automation che ha caratteristiche di flessibilità e modularità.

I dispositivi che lo impiegano devono tuttavia possedere sufficiente potenza di elaborazione per

poter gestire i dati in transito sulla rete.

I prodotti basati su tale standard sono costituiti da due elementi fondamentali: un transceiver (che

implementa tecniche di modulazione a spettro espanso “Spread Spectrum”) e un microcontrollore

che esegue il protocollo e il codice di applicazione.

Il transceiver trasmette i pacchetti dati a circa 10kbit/s ed ognuno di questi contiene l’indirizzo del

mittente e del destinatario.

Il protocollo CEBUS usa un modello di comunicazione “peer-to-peer”, così che ogni nodo della rete

ha accesso al canale ogni volta.

Nonostante questo sistema risulti più completo e funzionale dell’X-10, i suoi costi più elevati non

ne hanno consentito lo stesso livello di diffusione sul mercato.

CEBUS è conosciuto anche come EIA/ANSI-600 dalla sigla di standardizzazione.


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X-10 è uno standard storico dell’automazione domestica, presente ormai da venti anni in America,

che ha avuto una larga diffusione anche in altri paesi e sembra mantenere, grazie anche alle

innumerevoli periferiche disponibili sul mercato, una salda posizione nel panorama delle soluzioni

Home Automation.

X-10 è un sistema solamente unidirezionale e permette a dispositivi compatibili di comunicare tra

loro sfruttando l’impianto elettrico in bassa tensione dell’abitazione (PowerLine): un

controllore/trasmettitore è inserito in una normale presa elettrica o installato al posto di un

interruttore di corrente, mentre tra il dispositivo da controllare e la rete elettrica cui è connesso,

viene inserito un modulo X-10.

Il controllore centrale può anche essere controllato da un PC mediante software, oppure pilotato a

distanza grazie a telecomandi a infrarossi.

X-10 per trasmettere dati binari utilizza una classica modulazione di ampiezza (AM).

Per differenziare i simboli la portante sfrutta il punto di attraversamento dello zero da parte

dell’onda sinusoidale di tensione a 60 Hz, nel passaggio dal semiciclo positivo a quello negativo o

viceversa.

I ricevitori sincronizzati accettano la portante ad ogni punto di attraversamento dello zero (viene

scelto questo punto perché sulle linee elettriche è quello che presenta, rispetto ad altri, meno

rumore e interferenza da parte di altri dispositivi).

Per ridurre gli errori l’X-10 richiede due attraversamenti dello zero per trasmettere i simboli binari:

quindi ogni bit necessita di un ciclo completo a 60 Hz.

La velocità di trasmissione è quindi limitata a 60 bit al secondo.

E’ un sistema modulare centralizzato implementabile e viene apprezzato dall’utenza per la

semplicità di installazione e la facilità di utilizzo.

Di contro, presenta i classici svantaggi di un sistema Bus centralizzato: funzionamento dipendente

da un solo componente (centralina), necessità di “polling” continuo fra centralina e dispositivi,

necessità di avere una elevata velocità di polling, necessità di avere un cablaggio predefinito,

difficoltà impiantistica di espansione, alto costo iniziale (la centralina è indispensabile subito),

minore affidabilità complessiva del sistema, ecc…

La velocità di trasmissione è molto modesta e la disponibilità di indirizzi è pari a 256.

Il principio costitutivo è piuttosto semplice e si basa sull’installazione di una centralina a cui fanno

riferimento sia tutti i dispositivi connessi alla rete domestica e indirizzabili con un proprio codice

(quelli comuni, come delle normali lampadine, elettrodomestici, ecc…), sia tutti gli apparati che

ricevano e inviano dati via infrarosso o via onde radio (telecomandi, rivelatori volumetrici,

telecamere, ecc…).

In particolare la centralina può anche essere sostituita da un normale personal computer dotato di

apposita scheda d’interfaccia e di un relativo software di gestione.


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La tecnologia LonWorks, creata anni fa da Echelon Corporation, costituisce una piattaforma

completa ed aperta, per la gestione di dispositivi connessi in rete.

I protocolli possono essere implementati da chiunque su ogni tipo di processore senza

riconoscimento di Royalities: i prodotti che seguono le linee guida LonWorks per l’interoperabilità,

possono, dopo una fase di test, fare anche uso del logo LonWorks.

La Neuron Chips ne ha implementato i protocolli in un chip che viene costruito da Toshiba, Cypress

e Motorola/Freescale e che è già stato utilizzato in più di 8 milioni di dispositivi in tutto il mondo.

Il Neuron è un chip disponibile in due versioni, entrambe caratterizzate da tre processori ad 8 bit,

che su PowerLine è capace di raggiungere un data-rate, grazie a modulazioni di tipo Spread

Spectrum, di 10 kbit/s.

Il cuore del sistema è comunque il protocollo LONTALK: uno standard aperto, espressamente

concepito per le esigenze di controllo.

Questo, insieme ad altre caratteristiche, è implementato direttamente sul chip Neuron così da

realizzare su un singolo chip un sistema di controllo completo capace di supportare diversi mezzi di

comunicazione.

Recentemente Echelon ha consentito al suo sistema di interfacciarsi con gli altri tipi di transceiver

presenti su PowerLine o su doppino intrecciato ed il massimo bit rate raggiungibile è stato portato a

1,25 Mbit/s.

Il sistema si completa con il LonWorks Network Service (LNS), un potente sistema operativo per la

connessione e lo sviluppo della rete dei dispositivi di controllo.

In pratica permette l’installazione, la configurazione, il monitoraggio e il controllo della rete

LonWorks.

LNS è compatibile con tutte le piattaforme (pc, mac, unix, ecc…) ed il suo server supporta, al

livello di trasporto, sia il protocollo LONTALK che il TCP/IP.

A livello rete, si tratta di una piattaforma multimediale decentralizzata per la gestione di dispositivi

connessi in rete, aperta e più veloce rispetto ai protocolli europei.

Presenta i classici vantaggi di un sistema Bus decentralizzato: funzionamento non dipendente da un

solo componente, mancanza di polling continuo fra centrale e dispositivi (necessità però di un

sistema di arbitraggio), velocità di reazione indipendente dal numero di componenti, tipologia di

cablaggio libera, facilità di espansione della rete, maggiore affidabilità del sistema (in caso di

guasto di un qualsiasi nodo o dispositivo, il resto della rete funziona normalmente), ecc…

Il protocollo originario LON (Local Operating Network) supporta qualsiasi tipologia di rete

(lineare, a stella, ad albero, ecc…) ed il sistema è del tipo multi-master.

La rete può essere costituita da mezzi fisici diversi per ogni segmento di Bus ed i vari segmenti

vengono collegati attraverso un router.

Un indirizzo identifica unicamente un nodo o un gruppo di nodi in una rete LonWorks. Ciascun

nodo può essere programmato o riprogrammato (successivamente) a piacere.

Un dominio è un insieme logico di nodi e forma una rete virtuale.

Una sottorete è un insieme logico costituito da un massimo di 127 nodi. Possono essere definite fino

a 255 sottoreti all’interno di un singolo dominio.

Quindi in un singolo dominio ci può essere un numero massimo di 32.385 nodi (255 sottoreti x 127

nodi per sottorete).

Essendo l’accesso al Bus di tipo “casuale” (è un sistema event-driven come il CAN) è necessario il

controllo mediante il classico sistema di arbitraggio basato sul processo CSMA/CD (Carrier Sense

Multiple Access with Collison Detection).

Il protocollo a una elevata capacità di trasmissione dati (max 228 byte), contro per esempio, i soli 8

byte del CAN.

LonWorks è conosciuto anche come ANSI/EIA 701.9-A-1999.


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Smarthouse: la National Association of Home Builders (NAHB) di Washington D.C. ha costituito

la Smart House Limited parthership (non è quindi lo specifico nome di un sistema o protocollo).

La NAHB ha invitato le Ditte a diventare associati della Smart House con l’intento di riunire più

costruttori di componenti o prodotti per Smart House attraverso un consorzio.

La Smart House è composta (ad oggi) da circa 30 Ditte produttrici che hanno formalmente

sottoscritto il contratto, chiamato "Research and Licensing Agreements", per lo sviluppo dei

prodotti.

Altre 25 ditte hanno costituito business affiliati con Smart House per lo sviluppo delle applicazioni.

Il NAHB è una delle attività commerciali più grandi e fra le associazioni che influenzano il

congresso degli Stati Uniti.

Rappresenta circa l'85% di imprenditori edili e costruttori di impianti elettrici.

Il punto fondamentale di Smart House è quello di fornire sistemi completi per tutte le funzioni della

casa includendo forniture per l’automazione della casa.

Costi ridotti sono garantiti da un minor lavoro per l’installazione.


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Principali Standard Europei

Il mercato europeo è caratterizzato dalla presenza di diversi standard, proprietari e non, che, per

molteplici motivi, non sono riusciti ad imporsi nel mercato dell’automazione domestica

singolarmente.

In Europa si sta imponendo un unico protocollo, chiamato KONNEX (KNX), nato dalla fusione di

tre standard nati separatamente e inizialmente in concorrenza fra loro (EHS, BATIBUS, EIB).

Nonostante sembra che si stia arrivando ad un unico standard, di seguito si propone una breve

trattazione separata dei tre: infatti KNX fissa per lo più regole d’interoperabilità diventando, più che

uno standard unico, un contenitore di standard differenti.

BatiBUS, sviluppato da MERLIN GERIN, AIRELEC, EDF e LANDIS & GYR, è stato uno dei

primi fieldbus nel mercato.

Le aziende che utilizzano questo standard hanno fondato nel 1989 il BatiBUS Club International

(BCI), con più di 80 partners in molti paesi.

BatiBUS è inoltre gestito anche dai comitati CENELEC e ISO/IEC JTC 1 SC25, aderendo

all’iniziativa KONNEX.

L’associazione BCI nasce a Parigi nel 1989 ed è l’associazione alla quale si deve il merito di aver

introdotto sul mercato il primo vero sistema a bus.

L’obiettivo iniziale di questa associazione è la realizzazione di prodotti basati sulla rete di

comunicazione BATIBUS e di estenderne l’uso nei vari settori del mercato residenziale e terziario.

I mezzi di trasmissione previsti sono: il doppino, la radiofrequenza e i raggi infrarossi.

La velocità di trasmissione è limitata a 4.800baud su qualsiasi tipo di topologia di rete (bus, stella,

albero, loop o combinazioni di questi) con una lunghezza complessiva non superiore ai 2,5 Km.

Prevede l’identificazione di ogni dispositivo con tre codici definiti indirizzo, tipo ed estensione.

Sono disponibili 240 indirizzi per ogni tipo di punto terminale e sono realizzabili 32 tipi di punto.

I messaggi possono avere indirizzamenti di diverso tipo:

1) Diretto (punto a punto): da un punto a un altro punto avente indirizzo, tipo ed estensione

specificati nel pacchetto inviato.

2) Di gruppo (multicast): da un punto a più punti, definiti gruppo, aventi la prima cifra di indirizzo,

tipo ed estensione specificati nel messaggio in linea. Ogni gruppo è costituito da 16 punti e in totale

i gruppi sono 15.

3) Generale (broadcast): da un punto a tutti i punti della rete.

4) Esteso (extended): da un punto specifico con codice estensione 04 ad un altro punto con

estensione 04.

Le informazioni riguardanti l’indirizzo sono contenute nei byte denominati Tae (tipo di indirizzo

esteso), Eadr (Estensione dell’indirizzo) e in altri opzionali che definiscono il gruppo, la zona e lista

indirizzi.


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EIB (European Installation Bus) è uno standard europeo di proprietà della EIBA (European

Installation Bus Association) cui sono associate o affiliate più di cento aziende europee.

Il protocollo EIB è uno standard disponibile per le aziende affiliate e i prodotti sviluppati sono

certificati dagli appositi laboratori.

Per garantire la compatibilità dei prodotti offerti dai numerosi costruttori, EIBA ha provveduto a

mettere a punto una serie di procedure unificate.

EIBA si occupa di:

1) stabilire, le prescrizioni relative al prodotto, lo standard qualitativo e le procedure di verifica

2) rilasciare le licenze del marchio

3) partecipare alla stesura delle normative nazionali e internazionali

4) contribuire ad emanare le disposizioni sulle certificazioni e sui centri di formazione

Il risultato di tutto questo è fornire una serie di prodotti che possono garantire, indipendentemente

dal costruttore, un elevato standard qualitativo e una totale compatibilità. Ad oggi sono circa

cinquanta i produttori che afferiscono a questo standard, tra i quali ABB, SIEMENS, VIMAR,

GEWISS e PHILIPS.

In Italia si è formata l’associazione EIBA Italia, sulla spinta di quella europea, importante

riferimento per lo sviluppo della tecnologia bus negli impianti di automazione per gli uffici. EIB

prevede vari mezzi trasmessivi: doppino telefonico, onde convogliate (PowerLine), radiofrequenza

ed ultimamente anche Ethernet.

Il mezzo trasmissivo con doppino intrecciato (twisted pair) viene spesso utilizzato anche per questi

due motivi: basso costo rispetto ad altri e riduzione del rumore (disturbo) soprattutto per elevate

velocità di trasmissione. L’informazione viene trasmessa sulla coppia di conduttori in modo

simmetrico (uno trasmette il segnale, l’altro trasmette lo stesso segnale invertito di 180°) affinché

l’eventuale disturbo, essendo presente in modo identico con la stessa polarità su entrambi i

conduttori, viene ad essere in gran parte eliminato.

A differenza dell’X-10, l’EIB è un sistema completamente decentralizzato, cioè non ha una centrale

di controllo ed ogni dispositivo è costituito da una parte “intelligente” (un microcontrollore) che

contiene le istruzioni per il proprio funzionamento.

Un primo vantaggio di questo sistema è la facilità di effettuare eventuali modifiche successive alla

prima istallazione o ampliamenti, garantendo la continuità di funzionamento dell’intero sistema.

La struttura del sistema è semplice e costituita da linee e aree.

Ogni linea Bus è formata da un accoppiatore (di linea), da un alimentatore e da un massimo di 64

dispositivi (attuatori e/o sensori).

Un massimo di 12 linee formano un area ed il sistema completo dalle specifiche può avere un

massimo di 15 aree.

Quindi il sistema completo raggiunge un massimo di 11.520 dispositivi modulari.

Ogni dispositivo è praticamente un nodo della rete.

Anche questo sistema è del tipo “event driver” e la relativa velocità di trasmissione è di 9,6kbit/s.

Dal modello OSI, un accenno sul Data Link cioè sulla gestione dei dati e degli errori di

trasmissione.

In EIB il livello Data Link comprende il concetto di indirizzo individuale (o fisico) del dispositivo e

dell’indirizzo di gruppo.

Ciascun dispositivo a un suo unico indirizzo fisico all’interno della rete ed viene utilizzato solo

come indirizzo di destinazione per l’inizializzazione, la programmazione e la diagnostica.


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L’indirizzo di gruppo consente hai dispositivi di comunicare fra loro: esso definisce una funzione

specifica nel sistema bus ed è usato in pratica per raggiungere con un messaggio uno o più

dispositivi riceventi che formano il gruppo.

La topologia può essere a bus, stella, albero e soluzioni miste dove comunque la lunghezza totale

non deve superare i 1.000 metri per segmento, 700 metri tra i vari dispositivi e 350 metri tra

l’alimentatore e il bus.

La velocità di trasmissione è normalmente 9.600bit/s.


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EHS (European Home System) è stato sviluppato a partire dal 1987 nell’ambito dei programmi

europei Eureka ed Esprit, con i finanziamenti della Commissione Europea, nel tentativo comune di

interconnettere diversi dispositivi elettrici ed elettronici per l’utilizzo in ambito domestico.

Il progetto è stato nominato EHS nel 1995 quando le compagnie, che hanno portato avanti lo

sviluppo, hanno dato vita al EHSA (European Home System Association).

Fanno parte di questa associazione (ad oggi) circa trentasei compagnie tra le quali PHILIPS

ELECTRONICS, BT e THORN.

Nell’ottobre 1995, il Cebus Industry Council (CIC) ha annunciato un’alleanza con EHS promosso

dall’EHSA come la tecnologia di rete nell’ambito dell’automazione domestica.

Essendo una tecnologia aperta che supporta diversi mezzi trasmessivi, EHS ricerca l’interoperabilità

tramite: l’utilizzo di un linguaggio di comandi orientato agli oggetti e una classificazione dei

dispositivi che permette a dispositivi appartenenti alla stessa classe, di poter essere intercambiabili.

EHS supporta la funzionalità “plug & play” (l’aggancio e lo sgancio dei dispositivi non necessita la

riconfigurazione del sistema e della rete) e generalmente un apparecchio EHS comprende un

microcontrollore ed un modem integrato.

Le specifiche EHS sono state rilasciate verso la fine del 1991 e modificate nel corso degli anni (le

ultime sono del 2000).

EHS implementa i livelli 1, 2, 3 e 7 del modello OSI (Open System Interconnection) ed i mezzi

trasmissivi previsti sono: il doppino telefonico, le onde convogliate, il cavo coassiale, la

radiofrequenza e i raggi infrarossi.

La topologia di rete può essere a stella o a Bus.

La rete è in grado di autoconfigurarsi ed implementa possibilità diagnostiche.

I livelli di destinazione dei segnali di comando sono rappresentati da indirizzi che collegano gli

attuatori con le applicazioni (attuatori e applicazioni possono anche coesistere sullo stesso

dispositivo).

La gestione della rete utilizza un unico codice di destinazione. Ogni sezione di rete permette di

indirizzare fino a 256 terminali (tale sistema può gestire milioni di indirizzi).

EHS è dotato di un servizio sviluppato per fornire robustezza al sistema contro gli errori di

comunicazione, apparecchi malfunzionanti o rilocazioni casuali.

Questo servizio amministra l’inizializzazione del sistema e la riconfigurazione dopo la perdita di

energia o il riposizionamento delle unità (caratteristiche implementate nella funzione di plug &

play).


20


Principale Standard Giapponese

L’Home Bus System (HBS) è la soluzione standard proposta da un consorzio di società giapponesi

con il contributo di agenzie governative.

Il sistema consente il controllo (centralizzato e distribuito) di ogni apparecchio domestico, con

particolare attenzione rivolta alla gestione dei dispositivi audio-video.

E’ interessante notare la predisposizione del sistema per l’accesso ai servizi esterni alla casa

(teleservizi come lo shopping “domestico”, la telemedicina, l’apprendimento a distanza “e-

learning”, ecc…).

Il target principale dell’offerta giapponese è costituito principalmente da abitazioni in edifici

plurifamiliari.

In particolare occorre considerare le difficoltà connesse alle dimensioni ridotte delle abitazioni e

alla specificità della situazione geologica del Paese: allarmi ed interventi automatici in caso di

terremoto/maremoto.

Tecnicamente la rete è costituita da 2 cavi coassiali e da 8 coppie di fili intrecciati che formano

appunto il Bus HBS.

Si nota una maggiore complessità nel cablaggio rispetto ad altri sistemi Bus.


21


I principali ostacoli alla diffusione degli attuali Sistemi a Bus (osservazioni)

Tra le barriere che stanno rallentando la diffusione di questi Sistemi in domotica, possiamo citare:

L’ignoranza, l’elevato costo e la mancanza di fiducia da parte degli utenti In generale c’è poca conoscenza sull’esistenza e sull’utilità della domotica, che viene ancora

percepita come una soluzione complicata, costosa e riservata a pochi eletti.

Ma attenzione, non c’è prevenzione verso la tecnologia, che anzi viene vista come un’opportunità

per usufruire di soluzioni e servizi tradizionalmente difficili da acquisire, ma si tratta di ragionevole

diffidenza verso la capacità dei fornitori a garantire l’efficacia di questi sistemi ad un buon rapporto

prezzo/prestazioni.

La presenza di troppi sistemi proprietari Se da un lato il mercato si è arricchito con nuove soluzioni ed il regime di concorrenza ha avuto un

effetto benefico sui costi degli impianti, dall’altro c’è stato un disorientamento da parte dei

progettisti e degli installatori che hanno sempre maggiori difficoltà ad orientarsi sul mercato.

La mancanza inoltre di un vero standard di riferimento, ha ostacolato l’integrazione della domotica

a bordo di apparati come i residential gateway o i set-top box che rappresentano la naturale

evoluzione della casa verso il concetto di “ambiente intelligente”.

Le installazioni sono troppo complesse L’installazione di un sistema domotico richiede una serie di predisposizioni e di infrastrutture che

difficilmente troviamo nelle nostre abitazioni; la necessità di collocare le centraline, i sensori, gli

attuatori, i touch-screen ed altro, si sposa male con il sistema tradizionale di concepire gli impianti

tecnologici in una casa e spesso rappresenta un ostacolo insormontabile.

Gli utenti, dal canto loro, si prestano malvolentieri ad eseguire costose ed interminabili opere edili,

perché sanno bene quali sono i disagi che gli si prospettano.

Mentre i costruttori, gli architetti ed i progettisti continuano a realizzare abitazioni secondo modelli

assai antiquati e senza tenere conto delle nuove esigenze.

La carenza di professionisti preparati Servono più tecnici in grado di progettare e realizzare impianti domotici e sono ancora poche le

imprese in grado di offrire soluzioni integrate complete di installazione, manutenzione ed

assistenza.

Servono aziende in grado di fornire servizi a valore aggiunto orientati alla gestione della casa, alle

comunicazioni, alla sicurezza di cose e persone e all’intrattenimento.


22


La scarsità di centri per la formazione professionale Salvo rari casi, la formazione del personale tecnico viene effettuata direttamente dalle aziende che

producono sistemi domotici.

Si tratta di uno sforzo notevole che le imprese sostengono per promuovere i propri sistemi e quasi

sempre la formazione è fatta da personale interno che della domotica conosce l’aspetto più vicino al

business dell’azienda ed ha come obiettivo finale, solo la promozione commerciale dei propri

prodotti.

A questo tipo di formazione si dovrebbe affiancare una formazione super-partes che parli di

domotica dal punto di vista della soluzione integrata e nell’ottica del consumatore finale, senza

quindi legami con un’azienda o una tecnologia in particolare.

Servono inoltre dei centri di competenza in grado di offrire supporto alla progettazione degli

impianti, affiancando i tecnici nella delicata fase della scelta e fornendo consulenza specializzata ad

enti pubblici ed associazioni che la richiedano.

La ridotta diffusione dei servizi a banda larga La diffusione degli equipaggiamenti elettronici nella casa è inarrestabile e lo sviluppo dei sistemi

informatici, di comunicazione mobile, domotici ed audiovisivi richiede un costante adeguamento

delle prestazioni dei servizi a banda larga, con costi decisamente più bassi.

Si tratta di una serie di azioni che richiedono tempo ed investimenti e sarebbe inoltre auspicabile

l’intervento di strutture pubbliche (Comuni, Province e Regioni), che potrebbero dare un contributo

determinante alla diffusione di queste tecnologie.


23


WPAN (Wireless Personal Area Network)

Le reti wireless sono la naturale evoluzione di quelle wired ed hanno visto il loro sviluppo a partire

della metà degli anni ottanta con le cosiddette WLAN ( Wireless Local Area Network).

Con lo sviluppo dei dispositivi mobili di differente tipologia, si è manifestata la necessità di

realizzare reti che siano “concentrate” attorno alla persona e quindi si estendano per pochi metri in

tutte le direzioni.

Tali reti si chiamano WPAN (Wireless Personal Area Network) e sono regolate dallo standard IEEE

802.15.

Fig.4: Panoramica delle reti IEEE 802.x


24


In particolare sono definiti tre differenti classi di WPAN (fig.4), sulla base della velocità di

trasmissione, del consumo di energia e della qualità del servizio (QoS):

1. WPAN con data-rate intermedio (IEEE 802.15.1/Bluetooth), indicate per una gran varietà di

compiti tra cui telefonini e cellulari, PDA ed in generale applicazioni adatte per

comunicazioni vocali (es. auricolari per telefonini)

2. WPAN con data-rate elevato (IEEE 802.15.3), indicate per applicazioni multimediali che

richiedono un elevato QoS

3. WPAN con data-rate basso (IEEE 802.15.4/LR-WPAN), particolarmente indicato in campo

industriale, home automation, medicale ed in generale per tutte quelle applicazioni che

necessitano di un basso costo, basso consumo di potenza e di una velocità di trasmissione

non elevata. In quest’ultima categoria rientra lo standard ZigBee.


25


IEEE 802.15.4 / ZigBee

Questo tipo di WPAN nasce dallo sforzo congiunto di IEEE e della ZigBee Alliance.

Quest’ultima è un consorzio di oltre 80 società (ad oggi) il cui obiettivo è quello di assicurare a

breve, la diffusione di ZigBee in un ampio settore del mercato wireless.

Il lavoro della task force ZigBee Alliance e IEEE è consistito nella definizione dell’intero stack; in

particolare, l’IEEE (lo standard IEEE802.15.4 viene approvato nel 2003) ha sviluppato i due layer

più bassi del protocollo (Fisico e MAC), mentre l’alleanza ha definito i layer superiori, cioè quello

di rete e di applicazione, in maniera tale da garantire l’interoperabilità tra i prodotti di diverse case

costruttrici (definizione dei profili).

Lo standard definisce, più in particolare, le specifiche del livello Fisico (PHY) e Datalink (MAC) al

fine di garantire una modalità di connessione wireless a basso data-rate tra dispositivi fissi, portatili

o mobili che necessitano di un basso consumo di potenza, ovvero lunga durata delle batterie a bordo

e che tipicamente lavorano in uno spazio operativo (POS: Personal Operating Space) dell’ordine di

qualche decina di metri.

Si crea quindi una LR-WPAN (Low Rate WPAN), ovvero una rete di comunicazione semplice e a

basso costo selettivamente orientata verso applicazioni a basso consumo ed a “throughput” (quantità

di informazione trasmessa) non elevato, principalmente caratterizzata da:

Data-rate di 250kbit/s, 40kbit/s e 20kbit/s

Operabilità in configurazione a stella o “peer-to-peer”

16 bit o 64 bit di indirizzo allocati

Accesso al canale in modalità CSMA-CA

Completa definizione del protocollo per trasferimento dei dati

Basso consumo di energia

Indicazione della qualità del canale

16 canali nella banda attorno a 2.4GHz, 10 canali nella banda attorno a 915MHz, un

canale ad 868MHz

Il lavoro della task force ZigBee Alliance e IEEE è consistito nella definizione dell’intero stack; in

particolare, l’IEEE ha sviluppato i due layer più bassi del protocollo (fisico e MAC), mentre

l’alleanza ha definito i layer superiori, cioè quello di rete e di applicazione, in maniera tale da

garantire l’interoperabilità tra i prodotti di diverse case costruttrici (definizione dei Profili).


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La seguente figura (fig.5) propone i vari layer dello stack ZigBee.

Fig.5: Stack IEEE802.15.4/ZigBee


27


Topologie di rete

Una LR-WPAN può includere due diversi tipi di dispositivi: FFD (Full Function Device) e RFD

(Reduced Function Device).

Un dispositivo del primo tipo può operare all’interno della rete secondo tre modalità: funzionando

da coordinatore della rete, da coordinatore semplice o da terminale di comunicazione.

Un dispositivo FFD (Coordinator e Router) può dialogare con altri dispositivi di entrambe le

categorie, mentre un RFD (EndDevice) può comunicare direttamente solo con un FFD.

L’inclusione di terminali RFD all’interno della rete è orientata per applicazioni estremamente

semplici, come interruttori di luce o sensori ad infrarossi, che non necessitano dell’invio di grosse

quantità di dati e possono quindi, essere supportate attraverso minime risorse energetiche e limitate

capacità di memoria.

Una WPAN è costituita da un minimo di due dispositivi operanti in una stessa POS; in ciascuna

rete, uno solo di essi può configurarsi come “PAN Coordinator” che si occupa di iniziare, gestire e

terminare la comunicazione tra le diverse periferiche.

A seconda della particolare applicazione, una WPAN può configurarsi in varie topologie illustrate

brevemente in fig.6.

In ogni caso, ciascun dispositivo interno alla rete possiede un indirizzo esteso a 64 bit; tale indirizzo

può essere direttamente utilizzato per la comunicazione oppure, in alternativa, si utilizza un

indirizzo ridotto, attribuito dal PAN coordinator ogni volta che il dispositivo viene da esso rilevato.

Nella topologia a stella, ciascun dispositivo può comunicare solo con il coordinatore.

Quest’ultimo quindi, controlla e gestisce ogni tipo di comunicazione all’interno della PAN ed è

tipicamente collegato ad alimentazione fissa, mentre gli altri dispositivi sono dotati di batteria a

bordo oppure alimentati da fonti energetiche innovative (mini pannelli solari, sistemi piezoelettrici,

ecc…).

Fig.6: Principali topologie di rete previste dallo standard IEEE 802.15.4

Una topologia “peer to peer” invece, differisce dalla precedente in quanto ciascun dispositivo può

comunicare direttamente con un altro interno alla rete, a patto che questo rientri nella sua area

operativa di copertura, senza ricorrere alla mediazione del coordinatore.


28


Una tale topologia quindi, si presta alla formazione di reti di comunicazione decisamente complesse

che coinvolgono potenzialmente un elevato numero di dispositivi: essa è tipicamente rivolta ad

applicazioni come il controllo e il monitoraggio industriale ed ambientale, attraverso reti di sensori

wireless, in aggiunta all’utilizzo in domotica.

La modalità di formazione di una PAN rientra nel livello di rete (network layer), per cui non è

argomento trattato nello standard in questione, tuttavia vengono riportate indicazioni di carattere

generale a questo proposito.

Nella formazione di una rete a stella ogni dispositivo FFD, dopo essersi attivato, può creare una

propria rete diventandone un coordinatore “locale”.

Tutte le reti a stella operano indipendentemente dalle reti simultaneamente attive, in quanto

ciascuna di esse è contraddistinta da un identificatore PAN scelto dal coordinatore, in maniera tale

da evitare conflitti con reti già precedentemente stabilite entro il proprio spazio operativo.

Una volta scelto l’identificatore, il coordinatore può annettere alla propria PAN altri dispositivi,

siano essi di tipo FFD o RFD.

In una rete “peer to peer” invece, ogni dispositivo può configurarsi come PAN semplicemente per

essere il primo a comunicare su uno stesso canale.

Un esempio di rete complessa fondata su una topologia “peer to peer” è il “cluster-tree” (fig.6).

Ogni dispositivo della rete può in questo caso funzionare da coordinatore, fornendo servizi ad altri

dispositivi o coordinatori, anche al di fuori della propria sfera di influenza.

Però soltanto uno di questi coordinatori “locali” può configurarsi come coordinatore PAN, il quale è

tipicamente dotato di maggiori risorse anche a livello computazionale.

Attraverso diversi nodi coordinatori (di questo tipo) risultano potenzialmente configurabili delle reti

a struttura “multi-cluster”, il cui principale vantaggio è legato alla maggiore estensione della

superficie coperta e quindi al maggior numero di nodi interagenti.

Le caratteristiche di auto-configurabilità e di interoperabilità, permettono alla rete di modificarsi al

variare delle condizioni operative e di auto configurarsi, scegliendo dinamicamente i nodi e

gestendone la connettività, a seconda dell’ambiente applicativo.

L’utilizzo di tecnologie magliate permette di massimizzare l’affidabilità complessiva della rete,

garantendo la possibilità di instradare l’informazione su percorsi diversi.

Inoltre, come già citato, attraverso il processo di trasferimento dell’informazione “hop-by-hop” tra i

nodi, è possibile arrivare ad una estesa copertura del territorio, anche avendo a disposizione singoli

collegamenti a portata limitata.


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Struttura dello Stack

- Livello Fisico (PHY):

Alla base della pila del protocollo ZigBee, si trova il layer Fisico (PHY), il quale fornisce due

differenti servizi: quello dati e quello gestione.

Le caratteristiche principali implementate a questo livello sono l’attivazione e la disattivazione del

trasmettitore radio, il rilevamento dell’energia (ED), l’indicazione della qualità del collegamento

(LQI), la selezione del canale, la stima della disponibilità del canale (CCA) e la trasmissione e

ricezione dei pacchetti sul mezzo fisico (canale radio).

Lo standard offre due possibilità per la trasmissione/ricezione basate su differente frequenze.

Entrambi i metodi sfruttano la tecnica di modulazione di DSSS (Direct Sequenze Spread Spectrum).

La velocità di trasmissione è di 250kbit/s a 2.4GHz, 40kbit/s a 915MHz e 20kbit/s a 868MHz.

Il tasso di trasmissione dati maggiore è da attribuirsi all’ordine dello schema di modulazione

superiore. Frequenze più basse assicurano, invece, una range ed una sensibilità maggiore grazie alla

minore attenuazione. Frequenze più alte garantiscono una velocità maggiore ed una latenza e duty-

cycle minore.

Nel range di frequenza tra 868÷868.3MHz esiste un solo canale, mentre ci sono 10 canali tra i

902.0MHz e 928.0MHz, infine tra le frequenze 2.4GHz e 2.4835GHz si trovano ben 16 canali

(fig.7).

Fig.7: Bande di frequenze operative

Lo standard IEEE802.15.4 supporta la possibilità di selezionare dinamicamente il canale tramite

una funzione di scansione che permette di cercare il frame di beacon (sincronizzazione) in una lista

di canali utili. La maggiore sensibilità del ricevitore nella banda di frequenze più bassa è dovuta al

minore data rate. Il range operativo di ogni dispositivo dipende oltre che dalla sensibilità, anche

dalla potenza in trasmissione.

Un dispositivo che implementa il PHY deve essere capace di svolgere altri compiti, tra i quali il

rivelamento dell’energia del ricevitore (ED).

Si tratta di una caratteristica utilizzata dal layer superiore network (rete) all’interno dell’algoritmo

di selezione del canale.


30


In pratica, l’ED rappresenta una stima del segnale ricevuto e nessun tentativo viene fatto per

decodificare i bit ricevuti. Il tempo di ED è pari alla durata di 8 simboli e il risultato viene riportato

in una variabile intera di dimensione 8 bit (da 0x00 a 0xFF).

Un’altra indicazione essenziale effettuata a questo livello è la qualità del segnale (LQI).

Essa può essere effettuata utilizzando il parametro ED, una stima del rapporto segnale/rumore

oppure una combinazione di entrambi. Tale valore è utilizzato nei layers superiori di rete o di

applicazione e viene indicato come un valore intero ad 8 bit.

Infine è necessario ricordare un’altra funzione svolta dal PHY, ossia la stima della disponibilità del

canale (CCA), indispensabile per implementare gli algoritmi di CSMA-CA (Carrier Sense Multiple

Access-Collision Avoidance) per la gestione delle collisioni.

Prima di poter avviare una trasmissione, un dispositivo ZigBee deve accertarsi se un altro sta

utilizzando il mezzo radio in quel momento.

Esistono tre possibili soluzioni per implementare tale funzione:

energia oltre la soglia: il CCA riporta l’indicazione di mezzo occupato se il livello di energia

ricevuto (ED) supera una prestabilita soglia

rilevamento della portante: il CCA riporta l’indicazione di mezzo occupato solo se rileva un

segnale con le stesse caratteristiche fissate nel protocollo IEEE802.15.4. Non è importante

se tale segnale supera oppure no la soglia di energia

rilevamento della portante con superamento della soglia: si tratta dei due metodi combinati

insieme; viene riportata l’indicazione di mezzo occupato se viene rilevata la portante e la sua

energia supera la soglia.


31


- Livello MAC:

Coordinamento dell’eccesso al mezzo da parte del tranceiver, creazione ed instradamento dei

pacchetti, generazione e riconoscimento dell’indirizzo, verifica del numero di sequenza dei

pacchetti sono i principali compiti a cui è chiamato ad assolvere il livello MAC.

Esso deve inoltre gestire il processo di rilevamento (Discovery) da parte di un dispositivo, di quelli

ad esso vicini.

Il tempo richiesto per far ciò è dell’ordine di 30ms, mentre le tecnologie concorrenti, come

Bluetooth, possono impiegare fino a 5-6s prima di poter iniziare ad utilizzare completamente di

dispositivo.

Le principali funzioni del livello MAC sono implementate in software a differenza di quanto

avviene per il livello fisico (PHY layer) e scritte generalmente in linguaggio C.

Esistono 4 possibili tipi di frame a livello MAC, come illustrato in fig.8:

- Frame di dati

- Frame ACK

- Frame di comando MAC

- Frame di beacon

Fig.8: I frame del MAC layer


32


Il frame di dati è costituito al massimo da 128 bytes; esso è numerato per assicurare l’instradamento

di tutti i pacchetti. Il campo Frame Check Sequence assicura che tutti i pacchetti siano ricevuti

senza errori. Questo migliora notevolmente l’affidabilità in condizioni sfavorevoli di trasmissione.

Un altro frame molto importante è il frame ACK. Esso fornisce la conferma che il pacchetto inviato

è stato ricevuto correttamente. Questa soluzione garantisce la consistenza dei dati, ma ovviamente

aumenta la latenza. Il frame di comando MAC fornisce un meccanismo per il controllo e

configurazione remota dei nodi client. Infine, il frame di beacon ha il compito di “svegliare” i

dispositivi client, i quali sono in ascolto del loro indirizzo e vanno in modalità sleep se non lo

ricevono.

I beacon (che sono in pratica segnali di sincronismo) sono importanti per le reti a maglia e cluster-

tree per mantenere tutti i nodi sincronizzati senza la necessità che essi rimangano in ascolto per

luoghi periodi di tempo, consumando così le batterie.

Trattandosi di una trasmissione in cui il mezzo (radio) è condiviso da tutti i dispositivi, è necessario

disporre di qualche metodo di arbitraggio della trasmissione, affinché due dispositivi non inviiono

pacchetti contemporaneamente.

Esistono due tecniche utilizzate: la CSMA-CA ed il beacon.

A differenza di quanto avviene nelle reti LAN su cavo (IEEE802.3), per le reti wireless è stata

adottata la tecnica di accesso multiplo con rilevamento della portante ed eliminazione delle

collisioni, CSMA-CA.

In sostanza, significa che ogni dispositivo prima di iniziare una trasmissione deve ascoltare il mezzo

e capire se è già in corso una trasmissione. Se c’è già un nodo che sta trasmettendo, allora sarà

effettuata la ritrasmissione successivamente con un ritardo casuale.

La CSMA-CA viene adottata nelle reti ZigBee semplici di tipo peer-to-peer come per esempio

sistemi di sicurezza in cui il dispositivo è in modalità sleep per il 99,99% del tempo.

La seconda tecnica consiste nell’invio dalla parte del coordinatore di un superframe (modalità

beacon) ad intervalli regolari di tempo (multipli di 15.38ms, fino a 252s).

Tra un beacon e l’altro ci sono 16 time slot (slot temporali) di pari ampiezza, in ciascuno dei quali è

garantita l’assenza di collisione, come illustrato in fig.9.

Fig.9: Il superframe: accesso al mezzo in modalità beacon

Tutti i dispositivi si contendono i primi 9 time slot, mentre gli ultimi slot temporali sono invece

assegnati dal coordinatore ad un nodo specifico e sono detti GTS (Guaranteed Time Slot).

Nel caso un nodo debba trasmettere una grande quantità di informazione, il coordinatore può

assegnarli anche più di un GTS. Tale struttura garantisce una banda dedicata ed una bassa latenza

rispetto alla prima tecnica.

Inoltre consente di ridurre notevolmente il consumo delle batterie, poiché ciascun dispositivo sa

esattamente quando trasmettere ed è sicuro che non ci saranno collisioni.


33


- Livello Rete (Network):

Il layer network (NWK) ha il compito di associare e dissociare i dispositivi al coordinatore,

implementare la sicurezza ed instradare i frame alla loro destinazione.

Inoltre, l’NWK è responsabile della creazione di una nuova rete e dell’assegnazione di un indirizzo

ai nuovi dispositivi associati.

Dal punto di vista del livello rete, i dispositivi ZigBee possono suddividersi in:

- Coordinatore (ZC): è unico per ogni rete; ha il compito di formare la rete ed agisce come

router una volta che la rete si è costituita

- Router (ZR): si tratta di un componente opzionale e si può associare con lo ZC oppure con

altri ZR; ha il compito di instradare i messaggi

- EndDevice (ZED): si tratta di un componente opzionale e non partecipa al routing dei

messaggi

Il procedimento con cui vengono stradati i pacchetti attraverso i vari router è basato su una tabella

di routing contenuta all’interno dei ZR.

Quando arriva un pacchetto, viene estratto l’indirizzo di destinazione e se presente all’interno della

tabella di routing, allora si effettua il prelievo dell’indirizzo successivo.

La formazione di una nuova rete da parte di un coordinatore è originata con una richiesta dal layer

applicazione ed è poi gestita a livello network e MAC.

- Livello Applicazione:

Il layer applicazione è costituito dai driver e dal codice, contenuti nella ROM del microcontrollore.

Schematicamente di un nodo ZigBee si possono evidenziare, oltre al blocco relativo

all’alimentazione, anche quelli inerenti il transceiver, l’antenna, il microcontrollre e l’interfaccia

utente (rappresentata da Input/Output).

Il transceiver implementa il layer fisico, ossia si occupa della modulazione del segnale come

descritto in precedenza.

All’interno della ROM del microcontrollore è presente l’implementazione del livello MAC, NWK

e applicazione.


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Sicurezza ed affidabilità

Uno dei principali vantaggi di ZigBee rispetto ad altre tecnologie wireless di prossimità, è l’elevato

livello di sicurezza che viene supportata a livello di collegamento fra 2 nodi di rete, ma anche a

livello rete ed applicativo.

I servizi di sicurezza forniti da ZigBee includono meccanismi e protocolli per la generazione ed il

trasporto sicuro delle chiavi, per la protezione dei frame e per la gestione dei dispositivi.

In particolare la protezione dei dati è garantita da algoritmi di crittografia avanzati (AES a 128bit) e

da meccanismi di integrità e di autenticazione per la protezione da eventuali attacchi provenienti da

dispositivi non autorizzati che tentano di accedere alla rete o al contenuto informativo trasmesso.

E’ definito anche un concetto di “Trust Center” per la gestione centralizzata della sicurezza, a

livello di politiche e di aggiornamento delle chiavi.

Secondo lo standard, un nodo ZigBee può operare sia in modalità sicura che non sicura.

Ovviamente, non implementando la sicurezza dei dati si ottiene un codice più leggero.

Sono previsti 4 differenti servizi di sicurezza:

1. Controllo degli accessi. Ogni dispositivo deve mantenere una lista di tutti i potenziali

trasmettitori. In questo modo un dispositivo non autorizzato non può accedere ad una rete

ZigBee

2. Codifica dei dati. I dati non sono trasmessi in “chiaro”, ma codificati mediante una chiave di

crittografia posseduta solo dai componenti di rete

3. Rinnovo sequenziale. Ogni frame viene confrontato con il precedente per evitare che ci siano

ripetizioni

4. Integrità dei frame. Sui bit di tutto il frame viene calcolato un check, tramite il quale è

possibile risalire a modifiche del frame da parte di nodi non autorizzati.

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