Lezione 6 di 7

Reti Wireless 5

Modulo W5 — Bluetooth, Zigbee e IoT | Hands on Stem
Modulo W5 di 6

Bluetooth, Zigbee e IoT

Oltre il Wi-Fi: PAN wireless, BLE, Zigbee, Z-Wave, LoRa/LoRaWAN, NB-IoT e i protocolli applicativi MQTT e CoAP.

Prof. D. Bertolino Hands on Stem Reti Wireless

W5.1 Il Mondo Oltre il Wi-Fi

Il Wi-Fi è ottimo per connettere laptop e smartphone, ma non è la tecnologia giusta per ogni scenario. Un sensore di temperatura a batteria non può permettersi il consumo energetico del Wi-Fi. Un contatore del gas in campagna non ha un router Wi-Fi nelle vicinanze. Per questi casi esistono tecnologie wireless specifiche, ottimizzate per basso consumo, lunga portata o reti di sensori a maglia.

PAN
1-100 m
LAN
50-300 m
NAN
100 m-1 km
LPWAN
1-15+ km
Cellulare
1-35 km
CategoriaPortataBandaConsumoTecnologie
PAN (Personal Area)1-100 mkbps – MbpsMolto bassoBluetooth/BLE, Zigbee, Z-Wave, Thread
LAN (Local Area)50-300 mMbps – GbpsMedio-altoWi-Fi (802.11), Wi-Fi HaLow (802.11ah)
LPWAN (Low Power WAN)2-15+ kmbps – kbpsMolto bassoLoRa/LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, LTE-M
Cellulare1-35 kmMbps – GbpsAlto4G/LTE, 5G, NB-IoT, LTE-M
Il triangolo dell’IoT: scegli 2 su 3

Nessuna tecnologia wireless può avere contemporaneamente lunga portata, alta velocità e basso consumo. Puoi sceglierne al massimo due. Il Wi-Fi ha alta velocità + media portata ma alto consumo. LoRa ha lunga portata + basso consumo ma bassissima velocità. BLE ha basso consumo + velocità media ma corta portata. La scelta dipende dal caso d’uso.

W5.2 Bluetooth e BLE (Bluetooth Low Energy)

Bluetooth è la tecnologia PAN più diffusa al mondo: auricolari, smartwatch, tastiere, mouse, altoparlanti, automotive. Dal Bluetooth 4.0 (2010) è stato introdotto BLE (Bluetooth Low Energy), un protocollo separato ottimizzato per dispositivi a batteria con trasmissioni brevi e infrequenti.

Bluetooth Classic
  • Banda: 1-3 Mbps
  • Portata: ~10-100 m
  • Frequenza: 2.4 GHz ISM
  • Consumo: medio (~30 mA)
  • Uso: audio streaming, trasferimento file, tethering
  • Connessione continua (stream)

Profili: A2DP (audio), HFP (vivavoce), SPP (seriale)

BLE (Bluetooth Low Energy)
  • Banda: 125 kbps – 2 Mbps
  • Portata: ~10-200 m (BLE 5.0+)
  • Frequenza: 2.4 GHz ISM
  • Consumo: molto basso (~15 µA media)
  • Uso: sensori, beacon, wearable, domotica
  • Trasmissioni brevi e infrequenti (burst)

Un sensore BLE può funzionare anni con una pila a bottone

BLE 5.0+: le novità che contano per IoT

BLE 5.0 (2016) ha quadruplicato la portata (fino a 200 m in campo aperto) e raddoppiato la velocità (2 Mbps). BLE 5.1 aggiunge la direction finding: il ricevitore può determinare la direzione del segnale con precisione centimetrica (indoor positioning). BLE 5.2 introduce LE Audio con codec LC3: qualità audio superiore a minor bitrate, e il broadcast audio (Auracast) per trasmettere audio a infiniti ricevitori contemporaneamente (annunci in aeroporto, traduzione simultanea).

Bluetooth Mesh: la rete a maglia

Dal 2017, Bluetooth supporta reti mesh: i nodi BLE rilanciano i messaggi ad altri nodi, coprendo aree molto grandi senza infrastruttura centrale. Usato per l’illuminazione intelligente (ogni lampadina è un nodo mesh che rilancia i comandi alle altre), building automation e asset tracking in grandi edifici.

W5.3 Zigbee, Thread e Z-Wave

Mentre BLE è pensato per la comunicazione punto-punto o broadcast, Zigbee e Z-Wave sono nati specificamente per le reti mesh di sensori nella domotica e nell’automazione industriale.

Zigbee (802.15.4)
  • Banda: 250 kbps
  • Frequenza: 2.4 GHz
  • Portata: 10-100 m (per hop)
  • Nodi: fino a 65.000
  • Topologia: mesh, star, tree
  • Consumo: molto basso

Philips Hue, IKEA Dirigera, sensori industriali

Thread / Matter
  • Banda: 250 kbps
  • Frequenza: 2.4 GHz (802.15.4)
  • Portata: 10-30 m (per hop)
  • Basato su IPv6 (nativo IP!)
  • Topologia: mesh
  • Standard aperto (Google, Apple)

Matter (protocollo unificato smart home) usa Thread come trasporto

Z-Wave
  • Banda: 100 kbps
  • Frequenza: 868 MHz (EU) / 908 MHz (US)
  • Portata: 30-100 m (per hop)
  • Nodi: fino a 232
  • Topologia: mesh (max 4 hop)
  • Non compete con Wi-Fi (banda diversa)

Domotica: serrature, termostati, sensori porta/finestra

Matter: il protocollo che unifica la smart home

Matter (ex-CHIP, Project Connected Home over IP) è il nuovo standard promosso da Apple, Google, Amazon e Samsung per risolvere la frammentazione della smart home. Matter funziona su Thread (per sensori a bassa potenza), Wi-Fi (per dispositivi sempre accesi) e Ethernet. L’obiettivo: un dispositivo “Matter” funziona con HomeKit, Google Home e Alexa senza configurazioni diverse. Usa IPv6 end-to-end e crittografia per default.

AspettoZigbeeThreadZ-WaveBLE Mesh
Frequenza2.4 GHz2.4 GHz868/908 MHz2.4 GHz
IP nativoNo (serve bridge)Sì (IPv6)No (serve bridge)No (serve bridge)
Max nodi65.000~250 per rete23232.000
MeshSìSìSìSì
InteroperabilitàMedia (profili Zigbee 3.0)Alta (Matter)Alta (certificazione)Media
Hub/BridgeRichiestoBorder RouterRichiestoDipende

W5.4 LPWAN: LoRa, LoRaWAN e Sigfox

Per i sensori IoT che devono trasmettere pochi dati a grande distanza con batterie che durano anni, le tecnologie PAN (Bluetooth, Zigbee) non bastano: la portata è troppo corta. Le reti LPWAN (Low Power Wide Area Network) risolvono questo problema.

Caratteristiche LPWAN

Portata: 2-15+ km (urbano/rurale).
Velocità: da 50 bps a pochi kbps — sufficiente per leggere un sensore di temperatura o inviare una posizione GPS.
Consumo: bassissimo — batteria AA da 5-10 anni.
Frequenza: bande sub-GHz (868 MHz EU, 915 MHz US) — penetra bene edifici e terreno.
Costo: moduli da pochi euro, gateway da qualche centinaio.

LoRa / LoRaWAN

LoRa è la modulazione radio (Semtech): spread spectrum a chirp, portata fino a 15 km in campo aperto.

LoRaWAN è il protocollo di rete (LoRa Alliance): architettura a stella con gateway che inoltra i dati dei nodi a un network server cloud.

  • Banda: 0.3-50 kbps
  • Frequenza: 868 MHz (EU)
  • Bidirezionale (3 classi: A, B, C)
  • AES-128 end-to-end
  • Ecosistema aperto (The Things Network)

Smart city, agricoltura, monitoraggio ambientale, asset tracking

NB-IoT e LTE-M

Tecnologie cellulari ottimizzate per IoT, basate sulle reti 4G/5G degli operatori mobili.

NB-IoT: bassissimo consumo, banda 200 kHz, ottimo per sensori statici (contatori, parcheggi).

LTE-M (Cat-M1): più banda (1 Mbps), supporta mobilità e VoLTE. Per wearable e tracker mobili.

  • Copertura operatore (nessun gateway proprio)
  • SIM card richiesta (costo abbonamento)
  • Sicurezza cellulare (SIM, crittografia LTE)

Contatori smart, fleet tracking, wearable medicali

LoRaWAN vs NB-IoT: quando usare quale?

LoRaWAN se: vuoi una rete privata senza costi di abbonamento, hai bisogno di copertura in aree senza rete cellulare (montagna, campagna), devi connettere migliaia di sensori economici. NB-IoT se: preferisci affidarti alla copertura dell’operatore, non vuoi gestire gateway, hai bisogno di sicurezza cellulare e QoS garantita. In molti progetti si usano entrambi: LoRaWAN per i sensori in campo e NB-IoT come backhaul del gateway.

W5.5 Confronto Completo delle Tecnologie

TecnologiaPortataVelocitàConsumoFrequenzaTopologiaCaso d’uso principale
Wi-Fi 650-100 mGbpsAlto2.4/5/6 GHzStella (AP)LAN, streaming, produttività
BLE 5.x10-200 m125k-2M bpsMolto basso2.4 GHzP2P, broadcast, meshWearable, beacon, sensori
Zigbee10-100 m250 kbpsMolto basso2.4 GHzMesh (65k nodi)Domotica, automazione
Thread10-30 m250 kbpsMolto basso2.4 GHzMesh (IPv6)Smart home (Matter)
Z-Wave30-100 m100 kbpsBasso868/908 MHzMesh (232 nodi)Domotica
LoRaWAN2-15 km0.3-50 kbpsBassissimo868 MHzStella (GW→cloud)Smart city, agricoltura, ambiente
NB-IoT1-10 km~200 kbpsBassoCellulare LTEStella (BTS)Contatori, tracking statico
LTE-M1-15 km~1 MbpsMedio-bassoCellulare LTEStella (BTS)Wearable, tracker mobili

W5.6 Protocolli Applicativi IoT: MQTT e CoAP

I protocolli HTTP/HTTPS che usiamo per il web sono troppo pesanti per dispositivi IoT con pochi kB di RAM e connessioni lente. Servono protocolli leggeri, ottimizzati per messaggi piccoli e frequenti.

MQTT

Message Queuing Telemetry Transport. Protocollo publish/subscribe basato su TCP. Il più diffuso nell’IoT.

  • Architettura: client → broker → client
  • Modello: publish/subscribe su topic
  • Trasporto: TCP (porta 1883, 8883 con TLS)
  • Overhead: 2 byte di header minimo
  • QoS: 3 livelli (0=fire&forget, 1=at least once, 2=exactly once)
  • Retained messages: l’ultimo valore resta disponibile per nuovi subscriber

Broker: Mosquitto, HiveMQ, AWS IoT Core

CoAP

Constrained Application Protocol. Protocollo request/response basato su UDP. Progettato per dispositivi molto limitati.

  • Architettura: client ↔ server (come HTTP)
  • Modello: REST (GET, PUT, POST, DELETE)
  • Trasporto: UDP (porta 5683, 5684 con DTLS)
  • Overhead: 4 byte di header
  • Observe: il client si “iscrive” e riceve aggiornamenti automatici
  • Proxy: traducibile facilmente a/da HTTP

Ideale per reti 6LoWPAN, Thread, LWM2M

MQTT: il modello Publish/Subscribe

In MQTT non c’è comunicazione diretta tra dispositivi. Tutto passa attraverso un broker centrale. I dispositivi pubblicano messaggi su “topic” (come canali tematici) e altri dispositivi si iscrivono ai topic che gli interessano.

Architettura MQTT
🌡️ Sensore temp
PUBLISH
casa/soggiorno/temp
“22.5”
→
📮 BROKER
Mosquitto
Riceve e distribuisce
→
📱 App mobile
SUBSCRIBE
casa/soggiorno/temp
→
🖥️ Dashboard
SUBSCRIBE
casa/#
I topic MQTT: una gerarchia con wildcard

I topic sono stringhe gerarchiche separate da /. Esempio: casa/soggiorno/temperatura, casa/cucina/umidita, ufficio/piano1/luce.
Wildcard + (un livello): casa/+/temperatura → riceve temperatura di tutte le stanze.
Wildcard # (multi-livello): casa/# → riceve tutto ciò che riguarda “casa” (tutte le stanze, tutti i sensori).
La gerarchia dei topic è la chiave per organizzare un sistema IoT scalabile.

MQTT vs CoAP vs HTTP

AspettoMQTTCoAPHTTP
ModelloPublish/SubscribeRequest/Response (REST)Request/Response (REST)
TrasportoTCPUDPTCP
Header minimo2 byte4 byte~100-500 byte
ComunicazioneBidirezionale asincronaBidirezionale (observe)Client-initiated only
SicurezzaTLS (porta 8883)DTLS (porta 5684)TLS/HTTPS (porta 443)
Ideale perTelemetria, notifiche, comandiDispositivi ultra-vincolatiWeb, API, cloud
Broker/ServerRichiede broker centraleServer leggero o P2PServer web standard

W5.7 L’Architettura IoT a 3 Livelli

Un sistema IoT completo ha tipicamente tre livelli, ciascuno con le proprie tecnologie:

Edge (Dispositivi)

I sensori e attuatori sul campo. Raccolgono dati (temperatura, umidità, posizione, vibrazione) e/o eseguono azioni (accendere una luce, aprire una valvola).

Hardware: ESP32, Arduino, STM32, nRF52. Connessione: BLE, Zigbee, LoRa, Wi-Fi.

Gateway / Fog

Fa da ponte tra i dispositivi edge e il cloud. Aggrega i dati, può fare pre-elaborazione locale (edge computing), traduce protocolli (LoRa→MQTT, Zigbee→IP).

Hardware: Raspberry Pi, gateway LoRaWAN, hub Zigbee. Connessione: Ethernet/Wi-Fi/4G verso cloud.

Cloud / Piattaforma

Archiviazione, analisi e visualizzazione dei dati. Dashboard, allarmi, machine learning, API per app mobile e web.

Piattaforme: AWS IoT, Azure IoT Hub, Google Cloud IoT, ThingsBoard, Node-RED, InfluxDB+Grafana.

Edge Computing: perché non tutto deve andare nel cloud

Inviare ogni singola lettura di ogni sensore al cloud è costoso (traffico), lento (latenza) e dipende dalla connettività. L’edge computing elabora i dati localmente: il gateway filtra, aggrega e decide in tempo reale. Esempio: un sistema di monitoraggio vibrazionale invia al cloud solo gli allarmi, non le 10.000 letture/secondo. Questo riduce il traffico del 99% e permette reazioni in millisecondi anziché secondi.

W5.8 Riepilogo del Modulo

BLE
Basso consumo, 10-200 m, burst brevi. BLE 5.x: direction finding, LE Audio, mesh. Wearable e beacon.
Zigbee / Thread
Mesh di sensori, 2.4 GHz, 65k nodi. Thread: IPv6 nativo, Matter per smart home unificata.
LoRaWAN
LPWAN: 2-15 km, kbps, batteria 5-10 anni. Smart city, agricoltura, monitoraggio ambientale.
MQTT & CoAP
MQTT: publish/subscribe via broker, 2 byte header. CoAP: REST su UDP, 4 byte. Leggeri per IoT.

🧪 Verifica di Autovalutazione

01 Qual è la differenza tra Bluetooth Classic e BLE?
02 Cos’è una rete mesh Zigbee e quanti nodi può supportare?
03 Cos’è Matter e quale problema risolve nella smart home?
04 Cos’è LoRaWAN e per quale tipo di applicazioni è adatto?
05 Qual è la differenza tra LoRaWAN e NB-IoT?
06 Come funziona il modello publish/subscribe di MQTT?
07 Qual è la differenza tra MQTT e CoAP?
08 Cos’è il “triangolo dell’IoT” e perché non puoi avere tutto?
09 Cos’è l’edge computing e perché è utile nell’IoT?
10 Un sensore di temperatura in un campo agricolo a 10 km dal server: quale tecnologia scegli?

Soluzioni

Domanda 01 — Bluetooth Classic vs BLE
Bluetooth Classic: progettato per streaming continuo (audio, file transfer), consumo medio (~30 mA), fino a 3 Mbps. BLE: progettato per trasmissioni brevi e infrequenti (burst), consumo bassissimo (~15 µA media, un sensore dura anni con una pila a bottone), fino a 2 Mbps. BLE 5.0+ aggiunge portata estesa (200 m), direction finding e mesh. Classic e BLE coesistono nello stesso chip ma sono protocolli separati.
Domanda 02 — Zigbee mesh
In una rete Zigbee mesh, i dispositivi possono comunicare tra loro direttamente o attraverso nodi intermedi che rilanciano i messaggi. Ci sono 3 tipi di nodi: Coordinator (uno per rete, gestisce la rete), Router (rilancia messaggi, alimentato), End Device (sensore a batteria, non rilancia). Una rete Zigbee può supportare fino a 65.000 nodi. La topologia mesh offre ridondanza: se un nodo cade, i messaggi trovano percorsi alternativi.
Domanda 03 — Matter
Matter è uno standard aperto per la smart home promosso da Apple, Google, Amazon e Samsung. Risolve il problema della frammentazione: oggi un dispositivo Zigbee funziona solo con certi hub, un dispositivo HomeKit solo con Apple, ecc. Un dispositivo Matter funziona con tutti gli ecosistemi (HomeKit, Google Home, Alexa). Usa Thread (per sensori a batteria) e Wi-Fi (per dispositivi sempre accesi), con IPv6 nativo e crittografia end-to-end.
Domanda 04 — LoRaWAN
LoRaWAN è un protocollo LPWAN che usa la modulazione LoRa per connettere sensori a grande distanza (2-15 km) con bassissimo consumo (batteria 5-10 anni) e bassa velocità (0.3-50 kbps). Architettura a stella: i nodi trasmettono ai gateway, che inoltrano i dati a un network server via Internet. Adatto per: smart city (parcheggi, illuminazione, rifiuti), agricoltura di precisione, monitoraggio ambientale (fiumi, frane), asset tracking, contatori. Non adatto per streaming, video, o applicazioni che richiedono alta banda o bassa latenza.
Domanda 05 — LoRaWAN vs NB-IoT
LoRaWAN: rete privata (compri i gateway), nessun costo di abbonamento, funziona anche senza copertura cellulare, ecosistema aperto (The Things Network). NB-IoT: usa la rete cellulare dell’operatore (nessun gateway da gestire), richiede SIM e abbonamento, copertura garantita dall’operatore, QoS e sicurezza cellulare. LoRaWAN per aree remote e grandi numeri di sensori economici; NB-IoT per copertura garantita e integrazione con servizi operatore.
Domanda 06 — MQTT publish/subscribe
In MQTT, i dispositivi non comunicano direttamente. Un broker centrale (es. Mosquitto) gestisce tutti i messaggi. I dispositivi pubblicano (publish) messaggi su “topic” (stringhe gerarchiche tipo casa/soggiorno/temp). Altri dispositivi si iscrivono (subscribe) ai topic che gli interessano. Quando un sensore pubblica “22.5” su casa/soggiorno/temp, tutti i subscriber di quel topic ricevono il messaggio. Vantaggi: disaccoppiamento (publisher e subscriber non devono conoscersi), scalabilità, wildcard per pattern matching.
Domanda 07 — MQTT vs CoAP
MQTT: modello publish/subscribe, usa TCP, header 2 byte, richiede broker, ideale per telemetria e notifiche. CoAP: modello request/response (REST come HTTP), usa UDP, header 4 byte, non richiede broker (client/server), ideale per dispositivi ultra-vincolati in reti 6LoWPAN/Thread. MQTT è più diffuso nell’IoT generico; CoAP è preferito su reti a bassa potenza con perdita di pacchetti (UDP è più leggero di TCP su reti inaffidabili).
Domanda 08 — Triangolo dell’IoT
Nessuna tecnologia wireless può avere contemporaneamente lunga portata, alta velocità e basso consumo. Puoi sceglierne al massimo due: Wi-Fi = alta velocità + media portata, ma alto consumo. LoRa = lunga portata + basso consumo, ma bassissima velocità. BLE = basso consumo + velocità media, ma corta portata. La scelta della tecnologia dipende sempre dal caso d’uso e da quale dei tre parametri è sacrificabile.
Domanda 09 — Edge computing
L’edge computing elabora i dati localmente (sul gateway o sul dispositivo) anziché inviarli tutti al cloud. Vantaggi: riduce il traffico di rete (invii solo dati significativi, non ogni lettura grezza), riduce la latenza (decisioni in millisecondi), funziona anche senza connettività Internet. Esempio: un sistema di monitoraggio industriale analizza 10.000 letture/secondo localmente e invia al cloud solo gli allarmi, riducendo il traffico del 99%.
Domanda 10 — Sensore agricolo a 10 km
LoRaWAN è la scelta ottimale: portata fino a 15 km in campo aperto (in campagna c’è poca interferenza), bassissimo consumo (il sensore funziona anni con batteria), costo del modulo bassissimo (pochi euro), velocità sufficiente per inviare una lettura di temperatura ogni pochi minuti. Serve un gateway LoRaWAN nel raggio, collegato a Internet (anche via 4G). NB-IoT sarebbe un’alternativa se c’è copertura cellulare, ma ha costi di abbonamento. Wi-Fi e BLE non hanno la portata necessaria.
Hands on Stem — Corso di Reti Wireless — Prof. D. Bertolino