Progettazione e comunicazioni: differenze tra IoT e M2M

Sebbene siano correlate e usate spesso come sinonimi, le comunicazioni macchina-macchina (M2M) e Internet delle cose (IoT) non sono la stessa cosa. Da qui nasce la confusione sulle loro caratteristiche, capacità, requisiti di progettazione e implementazione specifici.

Questo articolo spiega prima le differenze tra i due tipi, presentando esempi di ciascun approccio e passa poi a illustrare nei dettagli l'unicità di M2M rispetto ai sistemi IoT, utilizzando soluzioni progettuali di Multi-Tech Systems, FreeWave Technologies, Hirschmann e B+B SmartWorx. Esamina inoltre nuove funzionalità M2M, come gli aggiornamenti OTA (via etere) e la sicurezza multistrato che aumentano le funzionalità di rete e riducono le barriere all'ingresso. Da ultimo, fornisce indicazioni ai progettisti su come scegliere il piano dati M2M giusto per ridurre i costi di comunicazione dati.

La differenza tra M2M e IoT

Anche se entrambe le tecnologie M2M e IoT riguardano la condivisione dei dati e i collegamenti che ne guidano il trasferimento, non sono la stessa cosa. IoT è una rete di dispositivi collegati a Internet, mentre M2M è un processo di comunicazione automatizzata tra due o più sistemi (o macchine o dispositivi) abilitati per l'elettronica. Le macchine o i dispositivi nelle connessioni punto-punto o punto-multipunto M2M possono essere sensori, attuatori, sistemi embedded o altri elementi collegati.

È importante notare che M2M esisteva già prima che venisse coniato il termine IoT e prima della comparsa di Internet commerciale a metà degli anni '90. L'origine di M2M può essere fatta risalire alle applicazioni di telemetria nate dopo l'avvento del ricetrasmettitore radio all'inizio del ventesimo secolo. Ma il lancio del GSM, la prima rete cellulare digitale, negli anni '90 portò a una nuova fase di sviluppo delle comunicazioni M2M.

Più o meno una decina di anni dopo, fece la sua comparsa IoT come principale veicolo per collegare le "cose" attraverso reti aperte basate su IP. Ed è a quel punto che le linee di demarcazione tra queste due particolari tecnologie di comunicazione cominciarono a confondersi. Per rendersene conto, è utile prendere un'applicazione di esempio - in questo caso il sensore di un cardiofrequenzimetro - e vedere come si comporta in entrambi i modelli M2M e IoT.

Un'applicazione M2M è in grado di gestire un sensore di monitoraggio della frequenza cardiaca di un paziente collegato a un dispositivo esterno o a un server di grado medico per tenere informato il medico sullo stato di salute dell'osservato. Se invece il sensore è integrato in un dispositivo interattivo vicino al paziente che invia avvisi allo smartphone del suo medico o dei familiari, si entra nel territorio IoT.

Le applicazioni M2M che impiegano meccanismi di connettività cablata, wireless e cellulare includono la lettura automatica dei contatori delle utenze, la connettività intelligente con i semafori, la sicurezza domestica e la vita assistita basate su telecamere di sorveglianza. È a questo crocevia di tecnologie di rete che la comunicazione M2M inizia a convergere con progetti IoT simili.

Come IoT complementa M2M

In un contesto più ampio, la comunicazione M2M è entrata in una nuova fase nell'era IoT. Come "cugina" di IoT, M2M può utilizzare le stesse tecnologie e soluzioni di connettività in rapida evoluzione associate a IoT, in particolare per quanto riguarda il wireless. I modem cellulari della serie MultiConnect Cell 100 MTC-H5-B01-US-EU-GB di Multi-Tech Systems, che supportano applicazioni sia M2M che IoT, sono un esempio calzante (Figura 1).

Figura 1: Il modem cellulare MTC-H5-B01-US-EU-GB (a sinistra) di Multi-Tech Systems, progettato per applicazioni M2M, può essere usato anche per servizi IoT. (Immagine per gentile concessione di Telit)

Questi modem cellulari supportano il GSM attraverso le reti 4G Cat 4 e Cat-M1 e sono utili per applicazioni M2M come l'automazione dei processi, i servizi di emergenza, il monitoraggio remoto dei pazienti, i sistemi di energia rinnovabile e la gestione dei sistemi EOT (End-Of-Train).

I modem della serie Cell 100 offrono diverse opzioni di interfaccia, comprese le interfacce seriali RS-232 e USB, per soddisfare un'ampia gamma di requisiti applicativi. L'hardware è supportato da MultiTech Connection Manager, un pacchetto software che rileva automaticamente i dispositivi USB e seriali, scarica i driver richiesti e assicura che le porte di comunicazione siano mappate correttamente per stabilire una connessione M2M.

Dal momento che i fornitori lavorano a soluzioni IoT a basso consumo che utilizzano una connettività altamente integrata, questo facilita anche lo sviluppo di radio M2M compatte con una varietà di ingressi di tensione e configurazioni di rete.

Un buon esempio è rappresentato dalla serie MM2 di moduli RF a 900 MHz di FreeWave Technologies. Questi moduli possono funzionare come punto finale sia nelle topologie di rete punto-punto che in quelle punto-multipunto. I moduli RF front-end incorporano un FET all'arseniuro di gallio (GaAs) e un filtro multistadio a onda acustica di superficie (SAW) per una combinazione di elevata sensibilità e immunità al sovraccarico. La velocità di trasmissione dati è selezionabile tra 115,2 kbps e 153,6 kbps.

Le tipiche specifiche della serie MM2 per la potenza in uscita, la sensibilità di ingresso e l'intervallo sono 1 W, -108 dB riferiti rispettivamente a 1 mW (dBm) e fino a 32 chilometri. L'intervallo presume una linea di vista libera.

Sicurezza e affidabilità di M2M

Sicurezza e affidabilità, caratteristiche condivise dai progetti M2M e IoT, sono ancora più cruciali nelle applicazioni M2M in quanto di solito non comportano alcuna interazione umana. Infatti, sono degli ostacoli non indifferenti per la diffusione capillare delle reti M2M.

Quindi, nello spazio cablato, gli switch Ethernet su guida DIN industriale RS20/RS30 di Hirschmann consentono agli ingegneri di configurare le reti M2M in funzione dei requisiti di affidabilità. Gli switch RS20 offrono da 4 a 25 porte Fast Ethernet per garantire una tolleranza ai guasti estremamente elevata (Figura 2). Analogamente, gli switch RS30 dell'azienda hanno una densità da otto a 24 porte con due porte Gigabit Ethernet e 8, 16 o 24 porte Fast Ethernet.

Figura 2: Lo switch Ethernet RS20 di Hirschmann offre da 4 a 25 porte Fast Ethernet per ridurre al minimo la possibilità di guasti. (Immagine per gentile concessione di Hirschmann)

Le porte Fast Ethernet e Gigabit possono essere definite singolarmente, il che offre ai progettisti M2M la possibilità di scegliere il protocollo di ridondanza e i meccanismi di sicurezza in base a specifici requisiti di progettazione.

Il supporto di standard come Media Redundancy Protocol (MRP) e Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) garantisce un'elevata disponibilità di rete per applicazioni M2M attente all'affidabilità. Questi switch Industrial Ethernet supportano anche numerosi meccanismi di sicurezza, tra cui la sicurezza di porte IP e MAC, SNMP V3, SSHv2 e autenticazione multi client 802.1x.

Sul fronte wireless, i router e i bridge Ethernet AirborneM2M di B+B SmartWorx offrono modelli sia a porta seriale singola che doppia per rafforzare l'affidabilità delle applicazioni M2M (Figura 3). I dispositivi a doppia porta di B+B SmartWorx possono stabilire connessioni Wi-Fi su entrambe le bande a 2,4 GHz e 5 GHz. Pertanto, quando la banda a 2,4 GHz è sovraffollata da attività di comunicazione wireless in competizione tra loro, i router e i bridge M2M possono mantenere il flusso di dati passando alla banda a 5 GHz.

Figura 3: Una panoramica di come i dispositivi M2M possono essere collegati via Ethernet o tramite collegamenti seriali utilizzando bridge e router Wi-Fi altamente sicuri. (Immagine per gentile concessione di B+B SmartWorx)

I dispositivi di rete AirborneM2M incorporano anche un approccio di sicurezza a più strati che comprende la sicurezza wireless sotto forma di certificazione 802.11i/WPA2 Enterprise e la sicurezza di rete con supporto della certificazione Extensible Authentication Protocol (EAP).

Questi dispositivi M2M rafforzano la sicurezza della rete grazie all'autenticazione a chiave pubblica Secure Shell (SSH) e a tunnel di dati completamente criptati. Inoltre, a livello di dispositivo, questi router e bridge M2M offrono capacità di crittografia multilivello per proteggere i dati di configurazione.

Nel caso di servizi M2M che utilizzano la connettività cellulare, la sicurezza e l'autenticazione sono di solito integrate negli standard LTE. Per quanto riguarda la sicurezza fisica, le eSIM saldate direttamente sulla scheda rendono quasi impossibile per chiunque manomettere e rimuovere la SIM per farne un uso improprio.

Le SIM utilizzate nelle applicazioni M2M ci portano all'ultimo argomento: piani di dati M2M e domande sulla loro scelta e il loro impiego.

Piani dati M2M

I progettisti e gli utenti M2M possono avere molte opzioni quando si tratta di piani dati M2M, in quanto tutti i principali operatori mobili offrono piani dati e pacchetti di prezzi per i servizi M2M. Tuttavia, esistono dei criteri chiave in base ai quali valutarli, compreso il grado di personalizzazione dell'applicazione.

Inoltre, alcuni subcarrier sono specializzati in servizi M2M e spesso vengono chiamati operatori di rete mobile virtuale (MVNO). Questi operatori mobili forniscono il provisioning e la gestione remoti delle connessioni M2M tramite servizi OTA (via etere).

In questo caso, a differenza delle tradizionali SIM utilizzate nei telefoni cellulari, una SIM M2M fornita da un operatore specializzato offre agli utenti il controllo sull'utilizzo dei dati e altre funzioni come il monitoraggio delle attività e il blocco della SIM. Queste SIM possono anche essere predisposte e collegate a server applicativi specifici utilizzando le funzionalità della rete di tunneling.

È anche importante ricordare che alcuni specialisti M2M, oltre ai modem e ad altre apparecchiature M2M come i gateway, predispongono anche i piani dati, impostando le applicazioni M2M come un compito completo. Questi operatori M2M sono solitamente indipendenti dal carrier e costruiscono la copertura in base alle esigenze dell'applicazione M2M.

Ad esempio, mentre per un servizio di monitoraggio sanitario può essere sufficiente la copertura di una singola rete cellulare, una flotta di autotrasporti potrebbe aver bisogno di più di una rete mobile. Inoltre, gli utenti M2M devono assicurarsi che il proprio fornitore di servizi abbia capacità di risoluzione dei problemi e possa risolverli in remoto e in tempo reale.

Livelli di un piano dati

Infine, quando si tratta del costo del trasferimento di dati M2M e, successivamente, dei piani dati, è molto importante tener conto della natura dell'applicazione. Ad esempio, applicazioni M2M come i PoS wireless e i parchimetri utilizzano sporadicamente piccoli pacchetti di dati. In questo caso, i piani dati pay-per-use sono una scelta più logica dei piani dati fissi o per dispositivo.

Inoltre, piani per un basso consumo da 50 kB fino a 3 MB al mese possono essere sufficienti per applicazioni M2M come la lettura automatica dei contatori, il monitoraggio di asset e veicoli e i sistemi di allarme di sicurezza. Per contro, i piani M2M per un consumo medio, che va da 5 MB a 150 MB al mese, possono servire in modo efficiente le applicazioni di vending, retail e sanitarie (Figura 4).

Figura 4: I piani dati M2M non sono un pacchetto unico idoneo per qualsiasi esigenza. (Immagine per gentile concessione di Data2Go Wireless)

Nella fascia superiore esistono piani per un consumo elevato per la segnaletica digitale, PLC per il monitoraggio e il controllo industriale e la gestione intelligente degli edifici. Vanno da 300 MB a 4 GB e in genere sono utilizzati per dispositivi M2M che richiedono l'accesso in tempo reale a postazioni remote per il trasferimento di file di grandi dimensioni o lo streaming di contenuti.

Ci sono anche piani dati M2M per un consumo estremo, da 8 GB a 100 GB, che tipicamente servono dispositivi che richiedono connessioni M2M 24/7 per lo streaming di grandi volumi di dati. In genere, queste applicazioni M2M includono collegamenti di backup e ridondanza e sistemi di videosorveglianza per la gestione degli asset.

Esistono poi piani dati M2M che consentono agli utenti di aggregare l'utilizzo dei dati su più SIM. In questo caso, un dispositivo M2M che utilizza troppi dati può essere compensato da un altro dispositivo collegato che ne utilizza pochi. Inoltre, a seconda dell'applicazione e dell'operatore, questi piani dati permettono agli utenti di scegliere le tecnologie di connettività che desiderano: GPRS, 2G, 3G e LTE 4G.

Conclusione

Uno sguardo più attento ai mondi interconnessi delle comunicazioni M2M e IoT mostra che si differenziano in termini di architettura di rete e requisiti di implementazione, ma che condividono anche elementi comuni come moduli RF, modem, switch, router e gateway. La connettività cellulare e i relativi piani dati offrono un altro terreno comune tra queste due tecnologie di rete.

Questi aspetti comuni, tuttavia, rendono ancora più importante comprendere le linee di demarcazione tra i sistemi M2M e IoT, perché saranno decisive per calibrare le esigenze di progettazione dell'automazione industriale relative a sicurezza, disponibilità e affidabilità delle connessioni, le opzioni di interfaccia e la robustezza RF.