Progettazione e Implementazione di Reti Ibride per l'IoT Industriale: Un Approccio Multi-Protocollo e Multi-Frequenza per Dispositivi a Risorse Limitate.

The proliferation of Internet of Things (IoT) devices across consumer and industrial sectors has led to significant technological fragmentation. While this diversity of protocols, frequencies, and architectures is beneficial, the resource-constrained nature of low-end devices often confines them to simple network structures designed for a specific requirement. This thesis argues that the development of flexible, hybrid networking solutions can overcome these intrinsic limitations, significantly expanding the capabilities of modern IoT systems. This manuscript explores the hybrid networking philosophy, based on a low-end device that integrates heterogeneous communication solutions to overcome the constraints of individual protocols, modulations, or frequencies. To validate this approach, three distinct industrial case studies based on non-conventional network architectures are analyzed. The first project details an innovative signaling system for train integrity detection, location, and data communication with the Radio Block Centre (RBC) on secondary regional railway lines. The prototyped solution employs resource-limited devices that interact using a multi-protocol strategy. The train integrity system relies on packet exchange using IEEE 802.15.4 at 2.4GHz, which is also used for a triangulation-based location algorithm. The backhaul connection to the RBC is split into two sections: an IEEE 802.15.4 link for local data aggregation and a sub-GHz (868MHz) LoRaWAN connection for long-range transmission. This differentiated architecture exploits protocol-specific characteristics, efficiently managing system requirements. The second project is a feasibility study for a hybrid LoRaWAN network using both terrestrial and LEO satellite connectivity. It discusses the necessary Network Server adjustments to adhere to the standard hierarchy and analyzes the "satellite gateway" framework. The primary challenge is the intermittent connectivity of a LEO satellite, unlike always-on terrestrial gateways. The study proposes solutions for packet buffering and network management adjustments on the satellite gateway. Furthermore, it outlines possible hardware and firmware implementation for a low-power end-device capable of communicating efficiently via both terrestrial and space routes. The third project concerns the development of a multi-frequency, multi-protocol OEM IoT module, designed as a key enabler for hybrid solutions. The manuscript details the hardware design choices and the corresponding firmware architecture. The synergy between these hardware and firmware decisions makes the module a versatile building block for developing custom hybrid networks. To demonstrate its potential, its application and performance in several real-world scenarios are described and discussed. The approach validated throughout this thesis delivers a tangible framework for designing and implementing advanced hybrid IoT systems. Its validation in demanding industrial environments signals a shift from isolated network architectures to intelligent, adaptive connectivity ecosystems, thereby defining a possible new paradigm for robust and future-proof IoT applications.

La proliferazione di dispositivi Internet of Things (IoT) nei settori consumer e industriale ha portato a una significativa frammentazione tecnologica. Sebbene questa diversità di protocolli, frequenze e architetture sia vantaggiosa, la natura a risorse limitate dei dispositivi di fascia bassa li confina spesso a semplici strutture di rete progettate per un requisito specifico. Questa tesi sostiene che lo sviluppo di soluzioni di rete ibride e flessibili possa superare queste limitazioni intrinseche, espandendo in modo significativo le capacità dei moderni sistemi IoT. Questo manoscritto esplora la filosofia delle reti ibride, basate su un dispositivo di fascia bassa che integra soluzioni di comunicazione eterogenee per superare i vincoli dei singoli protocolli, modulazioni o frequenze. Per convalidare questo approccio, vengono analizzati tre distinti casi di studio industriali basati su architetture di rete non convenzionali. Il primo progetto descrive un sistema di segnalamento innovativo per il rilevamento dell'integrità del treno, la localizzazione e la comunicazione dati con il Radio Block Centre (RBC) su linee ferroviarie regionali secondarie. La soluzione prototipata impiega dispositivi a risorse limitate che interagiscono utilizzando una strategia multi-protocollo. Il sistema di integrità del treno si basa sullo scambio di pacchetti tramite IEEE 802.15.4 a 2.4GHz, che viene utilizzato anche per un algoritmo di localizzazione basato sulla triangolazione. La connessione di backhaul all'RBC è suddivisa in due sezioni: un collegamento IEEE 802.15.4 per l'aggregazione locale dei dati e una connessione LoRaWAN sub-GHz (868MHz) per la trasmissione a lungo raggio. Questa architettura differenziata sfrutta le caratteristiche specifiche del protocollo, gestendo in modo efficiente i requisiti di sistema. Il secondo progetto è uno studio di fattibilità per una rete ibrida LoRaWAN che utilizza connettività sia terrestre che satellitare LEO (Low Earth Orbit). Discute le necessarie regolazioni del Network Server per aderire alla gerarchia standard e analizza il framework del "gateway satellitare". La sfida principale è la connettività intermittente di un satellite LEO, a differenza dei gateway terrestri sempre attivi. Lo studio propone soluzioni per il buffering dei pacchetti e per le regolazioni della gestione della rete sul gateway satellitare. Inoltre, delinea possibili implementazioni hardware e firmware per un dispositivo finale a basso consumo in grado di comunicare in modo efficiente tramite rotte sia terrestri che spaziali. Il terzo progetto riguarda lo sviluppo di un modulo IoT OEM multifrequenza e multiprotocollo, progettato come elemento chiave per soluzioni ibride. Il manoscritto descrive in dettaglio le scelte di progettazione hardware e la corrispondente architettura firmware. La sinergia tra queste decisioni hardware e firmware rende il modulo un componente versatile per lo sviluppo di reti ibride personalizzate. Per dimostrarne il potenziale, vengono descritte e discusse la sua applicazione e le sue prestazioni in diversi scenari reali. L'approccio convalidato nel corso di questa tesi fornisce un quadro tangibile per la progettazione e l'implementazione di sistemi IoT ibridi avanzati. La sua validazione in esigenti ambienti industriali segna un passaggio da architetture di rete isolate a ecosistemi di connettività intelligenti e adattivi, definendo così un possibile nuovo paradigma per lo sviluppo di applicazioni IoT robuste e a prova di futuro.