Nel mondo in rapida evoluzione dei dispositivi intelligenti, i protocolli di comunicazione sono fondamentali per consentire una connettività continua. Due protocolli di spicco in questo ambito sono Zigbee e LoRa (Long-Range). Ciascuno di essi presenta caratteristiche, vantaggi e scenari applicabili unici, che li rendono adatti a diversi tipi di dispositivi e applicazioni intelligenti.
Confronto tra le caratteristiche tecniche: Dal livello fisico al livello di rete
Zigbee si basa sullo standard IEEE 802.15.4, utilizza la banda di 2,4 GHz (in tutto il mondo) e supporta una velocità di picco di 250 kbps. La capacità di rete mesh consente un raggio di copertura single-hop di soli 10-20 metri, ma può essere esteso a centinaia di metri attraverso il relaying multi-hop. I vantaggi sono la bassa latenza (<30 ms) e l'alta affidabilità (tasso di arrivo dei pacchetti 99,99%). È adatto per il controllo in tempo reale in scenari di smart home.
LoRa, invece, opera nella banda sub-1GHz (ad esempio 470-510MHz in Cina) e utilizza la modulazione a spettro diffuso. Sacrifica la velocità (0,3-50kbps) per un raggio d'azione ultra-lungo (2-5km in ambienti urbani e fino a 15km in periferia). La sua topologia a stella semplifica l'implementazione della rete, ma è soggetta a conflitti quando più nodi sono in contemporanea.
Un test di confronto mostra che in uno scenario di smart building con 100 nodi, la latenza end-to-end di Zigbee è stabile a 28ms. Tuttavia, LoRa presenta un intervallo di fluttuazione della latenza di 50-800 ms a causa della limitazione del protocollo ALOHA.
Efficienza energetica: Dalla batteria a moneta alla rivoluzione dell'autonomia a energia solare
La caratteristica di corto raggio di Zigbee comporta un vantaggio in termini di consumo energetico: Viene adottato il meccanismo CSMA/CA. Risvegliando il dispositivo solo durante la trasmissione dei dati, il consumo energetico tipico è di soli 0,1mW (modalità sleep). Le lampadine intelligenti Philips Hue con protocollo Zigbee possono mantenere le loro batterie a bottone per oltre 2 anni. Ciò supera di gran lunga la durata di 3 mesi della soluzione Wi-Fi.
LoRa, invece, raggiunge un basso consumo energetico comunicando a intervalli lunghissimi (ad esempio, inviando dati 1 volta all'ora). Il chip Semtech SX1276 ha una corrente di ricezione di soli 10mA. In combinazione con l'energia solare, ha già creato un caso di 5 anni consecutivi senza sostituzione della batteria nell'agricoltura intelligente (progetto francese di monitoraggio dei vigneti). Tuttavia, l'elevato consumo energetico del dispositivo gateway è ancora il suo difetto. È 30 volte superiore rispetto ai coordinatori Zigbee (0,5W).
Capacità e scalabilità della rete: Adattabilità dalla rete su piccola scala alla copertura di un'ampia area.
La rete mesh Zigbee supporta teoricamente 65000 nodi. Tuttavia, in pratica, si raccomanda di controllarla entro i 200 nodi a causa dei conflitti di canale e dell'overhead di routing. Sebbene il protocollo di routing dinamico (AODV) sia in grado di riparare automaticamente i collegamenti interrotti, il tasso di perdita dei pacchetti può salire a 5% in scenari di movimento dei nodi.
LoRa utilizza il meccanismo di accesso casuale ALOHA, che consente a un singolo gateway di collegare migliaia di nodi. Tuttavia, la capacità della rete è limitata dal Time of Air (ToA). Prendendo come esempio i pacchetti da 10 byte, ogni nodo con modulazione SF12 può inviare dati solo 140 volte al giorno (limite delle specifiche europee ETSI). Per superare il collo di bottiglia, la ChirpSpread Alliance ha introdotto la tecnologia TSCH (Time Synchronised Channel Frequency Hopping). Questa tecnologia aumenta la capacità di 3 volte, ma al costo di una maggiore complessità e consumo di energia.
Confronto tra meccanismi di sicurezza: Da AES-128 a un sistema di protezione di crittografia end-to-end
Zigbee 3.0 utilizza la crittografia AES-128 e l'autenticazione hop-by-hop. Con doppia protezione della chiave di rete (NWK Key) e della chiave di collegamento (Link Key). Può resistere agli attacchi di replay e alle intercettazioni.
La versione 1.1 di LoRaWAN introduce la crittografia end-to-end (AES-128-CTR) e l'autenticazione bidirezionale. Garantisce la sicurezza dei dati dal terminale al server applicativo. L'esclusiva architettura Join Server rende impossibile ai server di rete decifrare i dati delle applicazioni. Questo garantisce una maggiore sicurezza per gli scenari sensibili come le città intelligenti.
Scenario di adattamento: Differenziazione ecologica dalla Smart Home all'IoT industriale
Casa intelligente: Zigbee domina gli scenari di controllo in tempo reale, come l'illuminazione e la sicurezza, grazie alla sua bassa latenza e ai vantaggi della rete mesh. I prodotti della serie IKEA Trådfri consentono di collegare senza problemi lampade, tende e sensori tramite Zigbee, con un tempo medio di configurazione da parte dell'utente di soli 2,3 minuti.
Agricoltura intelligente: Il raggio d'azione ultra-lungo e il basso consumo energetico di LoRa lo rendono insostituibile nel monitoraggio del suolo e nell'installazione di stazioni meteorologiche. La rete di sensori LoRa di un ranch della Mongolia interna copre un'area di 1.200 chilometri quadrati, con un risparmio di 870.000 yuan sui costi annuali di ispezione manuale.
IoT industriale: La latenza deterministica di Zigbee (jitter <1ms) è adatta al controllo delle apparecchiature delle linee di produzione, mentre LoRa è utilizzato per il monitoraggio degli ambienti industriali. ET2100 di IOTRouter applica LoRa per il monitoraggio del livello dell'acqua per ottenere l'allarme automatico e la trasmissione a lunga distanza.
Zigbee consente l'inferenza AI locale attraverso il gateway di edge computing, comprimendo il tempo di risposta del riconoscimento vocale a 80 ms. LoRa si combina con la tecnologia di posizionamento LPWAN per ottenere una precisione di 3 metri e un risparmio energetico di 90% rispetto al GPS. Nel 2024, Zigbee rappresenterà 31% delle connessioni IoT globali e LoRa 19%. Tuttavia, l'applicazione incrociata delle due tecnologie in settori quali le città intelligenti e l'internet industriale sta dando vita a nuove tecnologie.
