I sensori IoT sono piccoli dispositivi che misurano qualcosa nel mondo fisico, come la temperatura, un movimento, la presenza d’acqua o l’apertura di una porta, e inviano la misura attraverso una rete a un software dove persone e sistemi possono utilizzarla. La parte “IoT”, abbreviazione di Internet of Things (Internet delle cose), è proprio la connessione: un termometro appeso al muro mostra un numero a chi passa di lì, mentre un sensore di temperatura IoT invia quel numero ogni qualche minuto a una dashboard consultabile da qualsiasi luogo e a regole che possono reagire quando il valore cambia.

Oggi i sensori IoT sono interessanti soprattutto perché installarli richiede pochissimo. Molti funzionano per anni a batteria, non hanno bisogno di cavi e comunicano con un gateway che può trovarsi anche molto lontano. Per questo progetti che un tempo richiedevano un elettricista e un’impresa specializzata in building automation oggi possono partire da una manciata di sensori fissati a una parete. Il lavoro di pianificazione sta nello scegliere quelli giusti e nel far confluire i loro dati in un unico posto.

In breve

  • Un sensore IoT riunisce un elemento sensibile, un piccolo processore, una radio e una fonte di alimentazione, di solito una batteria.
  • I tipi più diffusi misurano clima, qualità dell’aria, presenza, porte, perdite d’acqua, livelli, vibrazioni, energia e posizione.
  • Una rete di sensori IoT trasporta le letture dai sensori, attraverso gateway e un network server, fino a una piattaforma.
  • L’autonomia della batteria dipende soprattutto da quanto spesso il sensore trasmette e da quanto è lontano dal suo gateway.

Tipi di sensori IoT

Esistono centinaia di modelli di sensori, ma la maggior parte rientra in poche famiglie. Questa tabella riporta quelle che compaiono nella maggior parte dei progetti per edifici, strutture e impianti industriali:

Tipo di sensore Cosa misura Usi tipici
Temperatura e umidità Temperatura dell’aria o di una superficie, umidità relativa Uffici, celle frigorifere, sale server, prevenzione della muffa
Qualità dell’aria CO₂, VOC, particolato Sale riunioni, aule, controllo della ventilazione
Movimento e presenza Presenza tramite infrarossi (PIR), radar o conteggio persone Utilizzo delle stanze, illuminazione, sicurezza
Contatto porta e finestra Aperto o chiuso, tramite magnete e contatto reed Sicurezza, porte delle celle frigorifere, sprechi di energia
Perdite d’acqua Acqua su una sonda o lungo un cavo sensibile Locali tecnici, sotto i lavelli, sale server
Livello e distanza Distanza da una superficie tramite ultrasuoni o radar Serbatoi, cassonetti, pozzi, altezza della neve
Vibrazione e inclinazione Accelerazione, livello di vibrazione, angolo Pompe, motori, strutture, pali
Energia e impulsi Consumo di elettricità, acqua o gas Contabilizzazione, profili di consumo
Tracker GPS Posizione e spostamenti Veicoli, container, attrezzature

All’interno, quasi tutti questi dispositivi si somigliano. C’è l’elemento sensibile vero e proprio, un microcontrollore a basso consumo che lo legge e racchiude il valore in un breve messaggio, una radio e una batteria o un’alimentazione esterna. L’elemento sensibile stabilisce che cosa il dispositivo può misurare; la radio stabilisce dove possono arrivare i suoi dati. Due sensori che misurano la stessa grandezza possono essere del tutto incompatibili se usano radio diverse.

Al momento dell’acquisto conviene verificare subito la radio. Un buon sensore per il proprio progetto misura la grandezza giusta con la precisione richiesta, resiste all’ambiente in cui viene installato, usa una radio che la propria rete è in grado di ricevere e ha un formato dei dati documentato. Kilo Electronics offre sensori e dispositivi LoRaWAN per la maggior parte delle famiglie della tabella, e i sensori di qualsiasi produttore funzionano purché siano compatibili con la propria rete.

Come funziona una rete di sensori IoT?

Una rete di sensori IoT è la catena che porta ogni lettura dal sensore al software. Qualunque sia la radio, è composta dalle stesse cinque parti:

  1. Il sensore misura e trasmette un breve messaggio, spesso di pochi byte.
  2. Il collegamento radio trasporta il messaggio via etere.
  3. Un gateway o una stazione base lo riceve e lo inoltra a internet tramite Ethernet, Wi-Fi o una connessione mobile.
  4. Un network server controlla il messaggio, elimina i duplicati quando più gateway lo hanno ricevuto, lo decifra e lo passa oltre.
  5. Una piattaforma decodifica i byte in valori, li memorizza e li rende utili in dashboard, regole e avvisi.

La maggior parte del traffico va in una sola direzione, dal sensore alla piattaforma, e questi messaggi si chiamano uplink. I messaggi nella direzione opposta, i downlink, servono a modificare le impostazioni di un sensore o ad azionare un attuatore come una valvola o un relè. I sensori a batteria di solito restano in ascolto dei downlink solo per un breve momento dopo aver trasmesso, quindi una modifica di configurazione può arrivare soltanto con la trasmissione successiva del sensore. I dispositivi alimentati da rete possono restare sempre in ascolto e reagire in pochi secondi.

La scelta progettuale più importante è la radio, perché determina la portata, l’autonomia della batteria e il numero di gateway necessari.

Le radio a corto raggio come Wi-Fi, Bluetooth Low Energy e Zigbee coprono una stanza o un piano. Il Wi-Fi è comodo dove c’è già, ma consuma molta energia. Zigbee crea una rete mesh in cui i dispositivi alimentati da rete inoltrano i messaggi di quelli a batteria, una soluzione che funziona bene all’interno di un singolo edificio.

Le reti LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) sono state pensate proprio per questo compito: messaggi piccoli, lunga portata e anni di funzionamento a batteria. LoRaWAN è la più diffusa; un solo gateway può servire in genere centinaia di dispositivi nel raggio di qualche chilometro in città, e di più in campo aperto. mioty è uno standard ETSI più recente (TS 103 357) che suddivide ogni messaggio in molte brevi raffiche radio: questo lo rende robusto in ambienti densi e rumorosi e permette a una sola stazione base di gestire un numero molto elevato di sensori. Anche gli operatori mobili offrono connettività LPWAN, come NB-IoT e LTE-M, in cui il sensore comunica direttamente con la rete dell’operatore e non serve un gateway proprio.

La fase della piattaforma comporta più lavoro di traduzione di quanto si pensi. Ogni modello di sensore invia i dati nel proprio formato di byte, quindi un decoder (a volte chiamato codec) deve trasformare byte come 01 0A F3 in “temperatura 21,5 °C”. Produttori diversi danno inoltre nomi diversi alla stessa misura, così in una rete mista si finisce con “temp”, “temperature” e “t_air” che indicano tutti la stessa cosa. Una piattaforma utile permette di ricondurli a un unico nome prima di iniziare a costruire le dashboard.

Quanto dura la batteria di un sensore IoT?

Per i sensori IoT a batteria si dichiarano comunemente autonomie che vanno da due a dieci anni e oltre. Il valore della scheda tecnica presuppone un intervallo di trasmissione specifico e buone condizioni radio, e due impostazioni su cui si può intervenire lo cambiano parecchio.

Intervallo di trasmissione. Trasmettere è l’operazione che consuma più energia in un sensore. Un esempio con numeri tondi: se un sensore dichiarato per sei anni con una trasmissione ogni 15 minuti viene impostato per trasmettere ogni 5 minuti, trasmette tre volte più spesso. Dato che le trasmissioni rappresentano la parte principale del suo consumo, è realistico aspettarsi una durata più vicina ai due o tre anni che ai sei. Molti sensori offrono un compromesso: trasmettono di rado quando non cambia nulla e subito quando succede qualcosa, come l’apertura di una porta o la comparsa di acqua.

Distanza dal gateway. In LoRaWAN, a un sensore lontano dal suo gateway viene chiesto di usare uno spreading factor più alto, che rende ogni messaggio più robusto ma ne allunga molto il tempo di trasmissione. Con l’impostazione più lenta, un messaggio breve può richiedere all’incirca da 25 a 30 volte il tempo necessario con quella più veloce, e il consumo della batteria cresce di conseguenza. Aggiungere un gateway più vicino a un gruppo di sensori lontani può allungarne notevolmente l’autonomia.

Conta anche la temperatura. Al freddo le batterie perdono capacità, quindi un sensore in una cella di congelamento o all’aperto d’inverno non raggiungerà l’autonomia dichiarata a temperatura ambiente. I sensori progettati per questi luoghi usano di solito celle al litio che sopportano meglio le basse temperature. Le celle al litio-cloruro di tionile sono una scelta frequente perché continuano a funzionare bene ben al di sotto dello zero, sebbene la loro capacità utile cali comunque al freddo.

La sostituzione delle batterie richiede un piano a sé. Un edificio con 200 sensori con batterie da cinque anni comporta in media 40 sostituzioni all’anno, e quegli interventi costano più delle batterie stesse. Raggruppare le sostituzioni per zona e scegliere un intervallo di trasmissione adatto all’esigenza reale, anziché il più rapido disponibile, aiuta a tenere basso quel numero.

Come creare una rete di sensori IoT

Questi passaggi valgono per una prima installazione in un edificio o in un sito, e mantengono la prima rete abbastanza piccola da poterci fare esperienza:

  1. Mettere per iscritto la domanda. “La sala server si surriscalda di notte?” oppure “Quali sale riunioni vengono davvero usate?”. È la domanda a stabilire quali sensori servono e dove.
  2. Scegliere i tipi di sensore dalla tabella qui sopra e verificarne radio, precisione, grado di protezione dell’involucro e intervallo di trasmissione.
  3. Scegliere la rete. Per un singolo edificio con alimentazione ovunque può bastare una rete a corto raggio. Per più edifici, scantinati o siti all’aperto, un gateway LPWAN è di solito la soluzione più semplice.
  4. Verificare la copertura prima di installare tutto. Posizionare il gateway nel punto previsto, portare un sensore nei punti più lontani e più interrati e controllare che i messaggi arrivino con un buon segnale. Scantinati, vani ascensore e armadi metallici sono i soliti punti critici, quindi vanno testati per primi; conviene annotare i valori di segnale rilevati per poterli confrontare in seguito, se un sensore comincia a perdere messaggi.
  5. Registrare ogni sensore nella piattaforma con i suoi identificativi e le sue chiavi, e verificare che i valori decodificati abbiano senso.
  6. Definire come verranno usate le letture: una dashboard per le persone e regole che generano avvisi quando i valori superano una soglia.
  7. Lasciarla funzionare per qualche settimana prima di estenderla, regolando intervalli e soglie in base a ciò che mostrano i dati.

Il software può rendere più agevoli i passaggi 5 e 6. In Kilo, il modulo di gestione dei dispositivi è pensato per lo smartphone, così ogni sensore si può registrare stando nel punto in cui viene installato. I modelli di metrica associano i nomi grezzi dei campi di ciascun produttore a un’unica metrica normalizzata, così sensori di marche diverse compaiono come un’unica lettura coerente. E poiché ogni dispositivo conserva identità e storico quando il sensore fisico viene sostituito, un’unità guasta o danneggiata si può cambiare senza interrompere i grafici.

Domande frequenti sui sensori IoT

I sensori IoT hanno bisogno del Wi-Fi?

No. Molti sensori IoT usano una propria radio a basso consumo, come LoRaWAN, mioty o Zigbee, e raggiungono internet attraverso un gateway. Esistono sensori Wi-Fi, ma di solito richiedono l’alimentazione da rete o frequenti cambi di batteria.

Quanto costano i sensori IoT?

I sensori a batteria più semplici, per temperatura, porte o perdite d’acqua, costano spesso qualche decina di euro ciascuno, mentre i sensori specializzati, come i misuratori di livello radar o i sensori di vibrazione, costano di più. Il gateway è un costo separato e una tantum condiviso da molti sensori, e l’abbonamento al software è una terza voce.

I sensori IoT sono sicuri?

Dipende dalla radio e dalla configurazione. LoRaWAN e mioty cifrano i messaggi tra sensore e network server con chiavi diverse per ogni dispositivo, quindi le misure pratiche più importanti sono custodire bene quelle chiavi e limitare chi può accedere alla piattaforma.

Che differenza c’è tra un sensore e un sensore IoT?

Un sensore è solo l’elemento di misura, come un termistore che cambia resistenza al variare della temperatura. Un sensore IoT riunisce quell’elemento con un processore, una radio e una fonte di alimentazione, in modo che la misura possa essere inviata e usata altrove.

Prendiamo la domanda “Quali sale riunioni vengono davvero usate?”. Tre sensori di presenza in tre sale riunioni e un sensore di CO₂ in quella più frequentata rispondono alla domanda su un’unica dashboard, e una regola può avvisare il facility management quando la CO₂ in quella sala resta sopra i 1.200 ppm per mezz’ora. Questa configurazione rientra nel piano gratuito di Kilo, e la dashboard e la regola si possono costruire con dispositivi emulati prima ancora di installare il gateway.