Gateway IoT: cosa sono e come vengono utilizzati nell’IoT

Un gateway IoT è un componente fisico o virtuale che collega sensori, macchine, contatori e controllori a piattaforme cloud o ad altri sistemi centrali. Svolge un ruolo fondamentale nelle implementazioni IoT, consentendo a dispositivi di diverso tipo, apparecchiature legacy e reti locali di operare all’interno di un’unica architettura. In questo modo, anche i sistemi che altrimenti rimarrebbero isolati possono fornire dati utili per il monitoraggio, l’analisi e le decisioni operative.

Come funziona un gateway IoT

Un gateway IoT funge da collegamento tra una rete locale di dispositivi e la rete a monte, gestendo lo scambio di dati con i sistemi centrali. Riceve i dati attraverso interfacce industriali o protocolli di comunicazione wireless, li elabora in base alla configurazione impostata e li trasmette a un server locale o a una piattaforma cloud tramite Ethernet, Wi-Fi o connettività cellulare.

A seconda delle capacità hardware e software, le funzioni che un gateway IoT può svolgere sono varie:

Gateway IoT e conversione dei protocolli

I gateway IoT sono particolarmente utili quando apparecchiature industriali, sistemi legacy o sensori a basso consumo non possono comunicare direttamente con le applicazioni cloud. Spesso questi dispositivi utilizzano protocolli di comunicazione diversi, interfacce seriali o tecnologie wireless a corto raggio. Il gateway funge da punto di integrazione comune, raccogliendo e interpretando i dati provenienti dai diversi dispositivi per poi trasmetterli ai sistemi centrali.

A seconda dell’architettura, un gateway può supportare diversi protocolli e interfacce:

La conversione dei protocolli può richiedere la trasformazione di registri o strutture dati specifici dei dispositivi in formati standardizzati. Ad esempio, un gateway utilizzato negli edifici può raccogliere le letture dei contatori M-Bus e i dati di funzionamento dei controllori BACnet, normalizzare alcuni valori e trasmetterli a un broker MQTT.

Tuttavia, non tutti i gateway eseguono la conversione dei protocolli a livello applicativo. Un gateway LoRaWAN, ad esempio, inoltra generalmente i pacchetti radio a un server di rete senza interpretare i dati applicativi contenuti al loro interno.

Grazie alla loro capacità di integrare diverse tecnologie di comunicazione, i gateway permettono di collegare le apparecchiature già esistenti ai sistemi IT più moderni, senza che un singolo dispositivo debba connettersi direttamente al cloud. Svolgono, pertanto, un ruolo cruciale nella convergenza IT /OT, soprattutto nell’automazione industriale, nella gestione degli edifici e nelle infrastrutture distribuite.

Elaborazione edge e autonomia locale

I gateway IoT dotati di risorse di calcolo adeguate possono elaborare i dati localmente, senza dover inviare ogni singola misurazione al cloud. Questo approccio, noto come Edge Computing, riduce le trasmissioni di dati non necessarie, consente di eseguire operazioni a bassa latenza, e permette a funzioni precedentemente definite di rimanere attive anche in assenza di connessione al cloud.

A seconda delle capacità di elaborazione, i gateway possono svolgere diverse attività:

• Filtraggio e aggregazione dei dati: eliminare le letture ridondanti, calcolare valori medi su intervalli di tempo prestabiliti e ridurre la quantità di dati trasmessi.

• Rilevamento degli eventi: confrontare i dati dei sensori con soglie o regole predefinite per individuare eventuali anomalie.

• Controllo locale: generare avvisi o attivare azioni predefinite senza dover attendere una risposta dal cloud.

• Analisi edge: eseguire analisi con modelli leggeri o, se l’hardware lo consente, operazioni di inferenza basate sull’intelligenza artificiale per riconoscere schemi ricorrenti nei dati operativi.

I gateway più avanzati possono eseguire applicazioni containerizzate tramite framework come Azure IoT Edge, consentendo di analizzare ed elaborare i dati direttamente sul gateway, senza doverli prima inviare al cloud. Le operazioni locali possono proseguire anche in caso di interruzioni della connessione di rete, purché le applicazioni e le interfacce necessarie per comunicare con i dispositivi rimangano disponibili.

Applicazioni dei gateway IoT

Automazione industriale e monitoraggio delle macchine

Negli ambienti di IoT Industriale (IIoT), i gateway collegano macchinari di produzione, controllori industriali e sistemi di monitoraggio che non sempre possono comunicare direttamente con il cloud. In questo caso, raccolgono i dati operativi provenienti da controllori logici programmabili (PLC), contatori e sensori, rendendoli disponibili ai sistemi di gestione della produzione (MES), alle piattaforme di monitoraggio e alle applicazioni remote.

Le applicazioni industriali più comuni includono:

Ad esempio, un gateway può raccogliere da diversi macchinari informazioni sul loro stato di funzionamento, sul numero di cicli effettuati e sui consumi energetici. I dati vengono poi associati a ciascuna macchina e inviati a un sistema di monitoraggio centralizzato tramite Ethernet o connettività cellulare.

In questa configurazione, i PLC continuano a gestire il funzionamento dei macchinari, comprese le operazioni che richiedono precisi tempi di risposta. Il gateway, invece, si occupa di trasmettere i dati necessari al monitoraggio e all’analisi. In questo modo, è possibile integrare i macchinari nei sistemi connessi senza che ciascuno debba disporre di una connessione diretta a Internet.

Infrastrutture remote e reti di sensori distribuite

Nelle implementazioni IoT distribuite su più aree geografiche o in luoghi remoti, i gateway raccolgono i dati provenienti da sensori e controllori che utilizzano tecnologie di comunicazione a corto raggio o a basso consumo. Invece di dotare ogni dispositivo di una connessione cellulare dedicata, è possibile collegarne diversi a un unico gateway, che trasmette i dati a una piattaforma centrale attraverso una connessione condivisa.

Tra le applicazioni più comuni nelle infrastrutture remote rientrano:

Durante la fase di progettazione è importante valutare aspetti come la posizione del gateway, la copertura radio locale, la disponibilità di alimentazione e la connessione ai sistemi centrali. Un gateway condiviso, ad esempio, riduce la necessità di collegare ogni dispositivo direttamente a Internet, ma crea anche una dipendenza da un unico punto di collegamento.

Gateway IoT e connettività

All’interno della rete locale, i dispositivi possono comunicare tramite tecnologie come Bluetooth Low Energy, Zigbee o LoRaWAN. Il gateway, invece, utilizza generalmente una connessione Ethernet, Wi-Fi o cellulare per trasmettere i dati ai sistemi esterni.

La connettività cellulare è particolarmente utile per le infrastrutture remote, gli asset mobili e le implementazioni distribuite in cui una connessione fissa affidabile non è disponibile. La scelta della tecnologia dipende dalle esigenze di trasmissione dei dati del gateway. NB-IoT può supportare l’invio occasionale di piccole quantità di dati, mentre LTE-M offre velocità di trasmissione più elevate e supporta la mobilità. Per i gateway che trasmettono frequentemente dati di telemetria, gestiscono carichi utili di maggiori dimensioni o richiedono aggiornamenti del firmware da remoto, può essere necessaria una connessione 4G LTE.

Tra i principali fattori tecnici da considerare rientrano:

Nelle implementazioni che utilizzano la rete cellulare, il modem del gateway e la scheda SIM devono essere compatibili con la tecnologia di rete scelta. Per stabilire la connessione dati, è inoltre necessario configurare correttamente l’Access Point Name (APN).

La scelta della soluzione di backhaul più adatta richiede la valutazione di diversi fattori, tra cui la velocità di trasmissione, la disponibilità della rete, il consumo energetico e le esigenze di connettività a lungo termine.

Come 1NCE supporta le implementazioni basate su gateway IoT

Le implementazioni basate su gateway IoT possono coinvolgere numerose sedi, diversi tipi di dispositivi e rimanere operative per lunghi periodi. Per questo, una volta installati, i gateway devono mantenere la connessione e continuare a trasmettere i dati senza richiedere frequenti interventi manuali.

1NCE offre software IoT e connettività per prodotti connessi in oltre 170 Paesi. La sua piattaforma supporta oltre 40 milioni di prodotti connessi ed è utilizzata da più di 30.000 clienti di diversi settori.

Nelle implementazioni che utilizzano gateway, 1NCE può fornire la connettività cellulare necessaria per trasmettere i dati raccolti sul campo alle piattaforme cloud o alle applicazioni.

Questa connettività è particolarmente utile in ambiti come il monitoraggio industriale, la misurazione intelligente, le infrastrutture energetiche, l’agricoltura, i sistemi degli edifici, la logistica, i parcheggi intelligenti e il monitoraggio ambientale, ed altri casi d’uso IoT distribuiti.

Le aziende possono così connettere i gateway, monitorare la connettività e gestire le implementazioni in diverse aree geografiche attraverso un’unica piattaforma.

1NCE OS include inoltre funzionalità come Energy Saver, che aiuta a ottimizzare il consumo della batteria in base al caso d’uso, e Whereabouts, che permette localizzare i dispositivi tramite le antenne della rete cellulare, senza bisogno di hardware GPS dedicato. Per i gateway installati in luoghi remoti o distribuiti su più siti, queste funzionalità possono contribuire a prolungare il ciclo di vita dei dispositivi, ridurre gli interventi di manutenzione e migliorare la visibilità sulle operazioni.

Scegliere l’architettura più adatta per i gateway IoT

La scelta dell’architettura di un gateway IoT dipende dalle esigenze di comunicazione dei dispositivi, dalla struttura della rete, dalle capacità di elaborazione e dalle condizioni di installazione.

Ma non tutti i sistemi IoT richiedono un gateway. I dispositivi dotati di connettività IP possono comunicare direttamente con le piattaforme cloud, mentre l’utilizzo di un gateway è particolarmente utile quando più dispositivi condividono una connessione di rete oppure utilizzano interfacce legacy o protocolli non IP.

In fase di progettazione, è importante valutare i seguenti aspetti tecnici:

L’architettura dipende dal contesto di utilizzo. In un impianto industriale, un gateway può collegare diversi macchinari attraverso la rete locale, mentre per il monitoraggio remoto possono essere necessari più gateway installati in sedi diverse, ciascuno con una propria connessione verso la rete esterna.

È quindi importante valutare la capacità dei gateway, la compatibilità hardware e la presenza di eventuali punti critici il cui guasto potrebbe compromettere il funzionamento del sistema. Questi aspetti devono essere considerati nell’ambito dell’intera architettura IoT, anche per facilitare futuri ampliamenti e interventi di manutenzione.