Protocolli e interfacce di comunicazione

Abstract

Quando due dispositivi elettronici comunicano, non è sufficiente che siano collegati da uno o più fili, da una rete Ethernet o da un collegamento radio. Devono condividere regole compatibili: livelli elettrici, temporizzazioni, formato dei dati, indirizzamento, controllo degli errori e significato delle informazioni trasmesse.

Nel linguaggio comune tutte queste tecnologie vengono spesso chiamate genericamente “protocolli”, ma UART, RS-485, Ethernet, TCP, MQTT e Wi-Fi non descrivono affatto la stessa cosa. Alcune definiscono prevalentemente caratteristiche elettriche, altre organizzano il trasferimento dei dati, altre ancora operano sopra una rete già funzionante.

Comprendere questa distinzione permette anche di capire perché tecnologie molto diverse possano essere utilizzate contemporaneamente nello stesso sistema: un sensore può comunicare con un microcontrollore mediante I²C, il microcontrollore collegarsi alla rete attraverso Wi-Fi, utilizzare IP e TCP e infine inviare i dati a un server tramite MQTT o HTTPS.

Parole chiave: protocolli, interfacce, bus, UART, I²C, SPI, RS-485, CAN, Ethernet, Wi-Fi, TCP/IP, HTTP, MQTT, Modbus, automazione, IoT.

Che cosa significa realmente “protocollo”

In informatica e nelle telecomunicazioni, un protocollo stabilisce regole che consentono a due o più sistemi di scambiarsi informazioni in maniera comprensibile e prevedibile.

Il termine viene però utilizzato spesso in senso molto esteso.

RS-485, per esempio, definisce principalmente caratteristiche elettriche di trasmettitori e ricevitori e non stabilisce quale significato debbano avere i dati trasmessi.

UART identifica normalmente una periferica hardware capace di trasformare dati paralleli in una sequenza seriale asincrona e viceversa.

TCP stabilisce invece il funzionamento di un trasporto affidabile tra due estremi di una rete.

HTTP definisce infine il significato di richieste e risposte utilizzate da applicazioni che comunicano attraverso una rete.

Sono quindi tecnologie diverse collocate in punti differenti della catena di comunicazione.

Il modello OSI formalizzato dalla norma ISO/IEC 7498-1 suddivide concettualmente la comunicazione in sette livelli. È importante precisare che il modello OSI è un modello di riferimento e non prescrive necessariamente come debba essere realizzato un sistema concreto.

Una classificazione pratica può essere semplificata in questo modo:

• livello fisico: segnali elettrici o radio e mezzo di trasmissione;
• collegamento: organizzazione dei frame, accesso al mezzo, indirizzamento locale e rilevamento degli errori;
• rete: trasferimento dei pacchetti tra reti differenti;
• trasporto: comunicazione tra applicazioni poste agli estremi;
• applicazione: significato e organizzazione dei dati utilizzati dai programmi.

Molte tecnologie coprono inoltre più di un livello e non possono essere inserite rigidamente in una sola casella.

Una comunicazione reale utilizza più protocolli

Un dispositivo connesso a Internet raramente utilizza un solo protocollo.

Un sensore ambientale potrebbe, per esempio, funzionare secondo questa catena:

sensore → I²C → microcontrollore → Wi-Fi → IP → TCP → MQTT → server

I²C permette al microcontrollore di leggere il sensore.

Wi-Fi fornisce il collegamento alla rete locale senza fili.

IP permette l'indirizzamento e l'instradamento dei pacchetti.

TCP realizza il trasporto affidabile.

MQTT definisce come l'applicazione pubblica e riceve i dati.

Dire semplicemente che il dispositivo “comunica in Wi-Fi” descrive quindi solo una parte del sistema.

Allo stesso modo, Wi-Fi non significa Internet ed Ethernet non significa Internet. Entrambe possono essere utilizzate per costruire reti completamente isolate da Internet.

UART

UART significa Universal Asynchronous Receiver/Transmitter.

Si tratta normalmente di una periferica hardware utilizzata per la trasmissione seriale asincrona. Il trasmettitore e il ricevitore non condividono una linea di clock: devono quindi essere configurati con parametri compatibili, come velocità di trasmissione, numero di bit dati, parità e bit di stop.

Una configurazione estremamente comune è:

8N1 = 8 bit dati, nessuna parità, 1 bit di stop.

La comunicazione utilizza generalmente una linea TX e una RX e può quindi funzionare contemporaneamente nelle due direzioni. UART è una delle interfacce fondamentali per comunicazioni embedded, diagnostica e trasferimento dati.

UART non significa RS-232

È una confusione estremamente comune.

UART stabilisce come vengono organizzati temporalmente i bit. Non stabilisce necessariamente le tensioni elettriche presenti sul collegamento.

Una UART di un microcontrollore può utilizzare livelli logici di 3,3 V, mentre una vera interfaccia RS-232 utilizza caratteristiche elettriche differenti e richiede normalmente un apposito transceiver.

Collegare direttamente i due sistemi solo perché entrambi vengono chiamati “seriale” può quindi essere elettricamente scorretto.

I²C

I²C, Inter-Integrated Circuit, è stato sviluppato originariamente da Philips, oggi NXP, ed è definito dalla specifica ufficiale UM10204.

Utilizza normalmente due linee:

SDA per i dati;

SCL per il clock.

Entrambe sono tipicamente configurate con uscite open-drain e richiedono resistenze di pull-up.

Una caratteristica fondamentale di I²C è la possibilità di collegare più dispositivi allo stesso bus utilizzando indirizzi. Questo riduce fortemente il numero di collegamenti necessari ed è una delle ragioni della sua enorme diffusione per sensori, memorie EEPROM, convertitori ADC e DAC, RTC, espansori di porte e molti altri circuiti integrati.

I²C include meccanismi di acknowledge, arbitraggio e indirizzamento e rappresenta quindi molto più di una semplice trasmissione elettrica di bit.

È particolarmente adatto alle comunicazioni locali all’interno di una scheda o tra schede molto vicine. Non nasce come collegamento per cavi lunghi in ambienti industriali.

SPI

SPI, Serial Peripheral Interface, è un'interfaccia seriale sincrona estremamente diffusa nei sistemi embedded.

Una configurazione tipica utilizza:

• clock;
• dati dal controller alla periferica;
• dati dalla periferica al controller;
• una linea di selezione della periferica.

A differenza di I²C, le linee dati SPI sono normalmente push-pull e la trasmissione può essere full-duplex.

SPI permette spesso velocità elevate e una gestione relativamente semplice, ma richiede normalmente una linea di selezione separata per ogni periferica.

Esiste inoltre una particolarità importante: SPI è uno standard de facto, non uno standard formale unico e rigorosamente definito. Produttori differenti possono utilizzare denominazioni, temporizzazioni e varianti diverse. Per questo la compatibilità deve essere verificata sui datasheet dei componenti coinvolti.

1-Wire e I²S

Accanto ai tre sistemi embedded più comuni esistono molte altre interfacce specializzate.

1-Wire permette comunicazioni a bassa velocità utilizzando una sola linea dati oltre al riferimento e viene utilizzato, per esempio, da sensori e dispositivi di identificazione.

I²S, Inter-IC Sound, è invece destinato principalmente al trasferimento digitale di segnali audio tra circuiti integrati.

Sono esempi utili perché mostrano che non esiste un'interfaccia universalmente migliore: l'architettura dipende dal tipo di dati e dall'applicazione.

RS-232

RS-232 è una tecnologia storica ma ancora presente in apparecchiature industriali, strumenti di laboratorio, dispositivi di configurazione e sistemi legacy.

Lo standard TIA-232 definisce aspetti elettrici, funzionali e meccanici dell'interfaccia.

Il collegamento è essenzialmente point-to-point e utilizza segnali single-ended.

Nonostante l'età, RS-232 rimane utile quando occorrono semplicità, compatibilità con apparecchiature esistenti e distanze relativamente limitate.

RS-422 e RS-485

RS-422 e RS-485 utilizzano segnalazione differenziale.

Il ricevitore valuta la differenza di tensione tra due conduttori anziché la tensione di un singolo conduttore rispetto alla massa. Questo permette una maggiore immunità ai disturbi e rende tali sistemi adatti a distanze superiori e ambienti elettricamente più difficili.

RS-485 è particolarmente importante nell'automazione industriale.

La norma TIA/EIA-485 definisce le caratteristiche elettriche di driver e ricevitori per una linea differenziale bilanciata multipoint. Non definisce però il protocollo dei dati.

Questo significa che sopra RS-485 possono essere utilizzati protocolli differenti, tra cui Modbus RTU.

Quindi:

RS-485 ≠ Modbus

ma:

Modbus RTU può utilizzare RS-485.

È una distinzione fondamentale.

CAN

CAN, Controller Area Network, nasce nel settore automobilistico ma viene utilizzato anche in macchine, automazione, dispositivi mobili e sistemi embedded distribuiti.

Una caratteristica fondamentale è l'arbitraggio non distruttivo: più nodi possono tentare di trasmettere e il messaggio con priorità maggiore può proseguire senza che l'intero frame debba essere distrutto da una collisione.

CAN include inoltre sofisticati meccanismi di rilevamento degli errori e gestione dei nodi difettosi.

La famiglia è oggi composta da differenti evoluzioni:

Classical CAN,

CAN FD,

CAN XL.

CAN FD aumenta la quantità di dati trasportabile da un frame e può utilizzare una velocità maggiore durante la fase dati. CAN XL estende ulteriormente capacità e velocità.

CAN non significa CANopen

Anche qui bisogna distinguere i livelli.

CAN fornisce le funzioni di comunicazione di base.

CANopen costruisce sopra CAN un insieme di regole applicative, profili e oggetti standardizzati.

Nel settore dei veicoli pesanti un altro protocollo applicativo importante costruito sopra CAN è SAE J1939.

LIN e FlexRay

Nel settore automobilistico esistono anche altre tecnologie.

LIN, Local Interconnect Network, è destinato a reti relativamente semplici ed economiche, ad esempio per attuatori, comandi e sensori che non richiedono le prestazioni di CAN.

FlexRay è stato sviluppato per comunicazioni deterministiche e ad alte prestazioni nel settore automotive. Rimane tecnicamente importante, anche se la progressiva introduzione dell'Automotive Ethernet ha modificato profondamente l'architettura delle reti dei veicoli moderni.

USB

USB, Universal Serial Bus, non è semplicemente un connettore.

È una famiglia completa di specifiche che comprende aspetti elettrici, trasferimento dati, enumerazione dei dispositivi, classi di dispositivo, gestione dell'alimentazione e numerose altre funzioni.

Nel tempo sono nate diverse generazioni, da USB 1.x e USB 2.0 fino a USB 3.x e USB4.

Anche il connettore USB-C non deve essere confuso con la velocità o con la versione del protocollo: USB Type-C definisce principalmente il sistema di connessione fisica e può essere utilizzato con differenti modalità e capacità di trasferimento.

Ethernet

Ethernet è una famiglia di tecnologie per reti locali definita principalmente dagli standard IEEE 802.3.

Comprende il livello fisico e il livello di collegamento dati, con varianti che utilizzano rame, fibra ottica e differenti velocità.

Una rete Ethernet può trasportare IP, ma non è obbligata a farlo.

Per questo:

Ethernet ≠ TCP/IP

e soprattutto:

Ethernet ≠ Internet.

Una macchina industriale può possedere una rete Ethernet completamente isolata e utilizzare frame Ethernet senza alcuna connessione Internet.

Wi-Fi

Wi-Fi identifica un ecosistema di interoperabilità basato sulla famiglia IEEE 802.11.

Fornisce principalmente la comunicazione radio necessaria per costruire una rete locale wireless.

Come Ethernet, non stabilisce quale applicazione debba utilizzare la rete.

Uno smartphone collegato in Wi-Fi può quindi comunicare con un dispositivo locale anche se il router non dispone di alcuna connessione Internet.

Il fatto che nell'uso quotidiano “Wi-Fi” venga spesso utilizzato come sinonimo di “Internet” è tecnicamente scorretto.

Bluetooth e Bluetooth Low Energy

Bluetooth è una famiglia completa di tecnologie wireless mantenuta dal Bluetooth SIG.

La specifica Core definisce i meccanismi necessari affinché dispositivi differenti possano comunicare e interoperare.

Bluetooth Low Energy, BLE, è particolarmente importante nei dispositivi alimentati a batteria, nei sensori, nei wearable e nei sistemi IoT.

Bluetooth Classic e BLE condividono parte dell'ecosistema Bluetooth ma possiedono architetture e modalità operative differenti.

Zigbee, Thread e Matter

Queste tre denominazioni vengono spesso confuse.

Zigbee utilizza IEEE 802.15.4 ai livelli radio e MAC e costruisce sopra di esso una propria architettura di rete e applicativa.

Thread utilizza anch'esso IEEE 802.15.4, ma realizza una rete mesh a basso consumo basata su IPv6.

Matter opera invece a livello applicativo.

Matter può utilizzare Ethernet, Wi-Fi o Thread per la comunicazione IP e utilizza Bluetooth Low Energy durante alcune procedure di configurazione.

Quindi:

Thread non è Matter.

Thread può essere la rete sulla quale viaggiano messaggi Matter.

IP

IP, Internet Protocol, è il fondamento dell'interconnessione tra reti.

La sua funzione principale è consentire l'indirizzamento e l'instradamento dei pacchetti tra nodi che possono trovarsi su reti differenti.

Esistono due versioni principali ancora rilevanti:

IPv4 e IPv6.

IP non garantisce da solo che un pacchetto venga consegnato, né che arrivi una sola volta o nell'ordine corretto.

Queste funzioni, quando necessarie, vengono gestite da protocolli di livello superiore.

TCP e UDP

TCP e UDP operano sopra IP ma hanno caratteristiche profondamente differenti.

TCP

TCP crea una comunicazione orientata alla connessione e fornisce, tra le altre funzioni, ordinamento dei dati, ritrasmissione in caso di perdita e controllo del flusso.

È adatto quando l'affidabilità della consegna è più importante del minimo ritardo possibile.

UDP

UDP è molto più semplice.

Invia datagrammi senza creare una connessione affidabile e senza garantire consegna, ordinamento o ritrasmissione.

Questa semplicità riduce l'overhead e può essere vantaggiosa nelle applicazioni real-time, streaming, discovery e nei protocolli che implementano autonomamente i meccanismi di cui hanno bisogno.

Non è corretto dire semplicemente che TCP è migliore di UDP. Risolvono problemi differenti.

HTTP e HTTPS

HTTP è un protocollo applicativo basato sul modello richiesta-risposta.

HTTP viene utilizzato non soltanto dai browser, ma anche da API, microcontrollori, servizi Web e sistemi IoT.

HTTPS non è un nuovo protocollo applicativo completamente diverso: è HTTP utilizzato sopra un canale protetto mediante TLS.

La cifratura permette di ottenere confidenzialità, autenticazione del server e protezione dell'integrità dei dati, secondo la configurazione utilizzata.

MQTT

MQTT è uno dei protocolli applicativi più importanti nell'IoT.

A differenza del classico modello HTTP richiesta-risposta, MQTT utilizza generalmente un'architettura publish/subscribe.

I client non devono necessariamente comunicare direttamente tra loro. Pubblicano messaggi associati a determinati topic su un broker; altri client possono sottoscrivere quei topic.

MQTT non sostituisce TCP, Ethernet o Wi-Fi.

Una configurazione tipica è:

MQTT → TCP → IP → Ethernet oppure Wi-Fi

CoAP e WebSocket

CoAP, Constrained Application Protocol, è stato progettato per dispositivi e reti con risorse limitate e adotta un modello concettualmente simile a quello delle risorse Web, ma con un overhead molto ridotto.

WebSocket permette invece di mantenere un canale bidirezionale persistente tra applicazioni, evitando il continuo ciclo di richieste HTTP indipendenti.

Entrambi trovano applicazioni specifiche ma non hanno sostituito HTTP o MQTT nei rispettivi ambiti principali.

Modbus

Modbus è uno dei protocolli più longevi e diffusi nell'automazione.

La specifica Modbus definisce funzioni e strutture utilizzate per leggere e scrivere dati come coil, ingressi e registri.

Il protocollo può essere trasportato in modi differenti.

Modbus RTU è comunemente utilizzato su collegamenti seriali, molto spesso RS-485.

Modbus TCP trasporta invece Modbus attraverso TCP/IP ed Ethernet.

La stessa logica applicativa può quindi utilizzare infrastrutture fisiche completamente differenti.

PROFINET, EtherNet/IP ed EtherCAT

Nell'automazione moderna Ethernet è diventata anche l'infrastruttura dominante per la comunicazione industriale, ma esistono differenti architetture costruite su di essa.

PROFINET

PROFINET è sviluppato nell'ambito di PROFIBUS & PROFINET International ed è utilizzato per automazione, controllo e comunicazioni real-time su infrastrutture Ethernet.

Le evoluzioni recenti comprendono l'integrazione con TSN, Ethernet-APL e OPC UA.

EtherNet/IP

EtherNet/IP utilizza Ethernet standard e la famiglia TCP/IP/UDP, integrando ai livelli superiori il Common Industrial Protocol, CIP.

EtherCAT

EtherCAT adotta una soluzione differente.

I frame Ethernet attraversano i nodi e i dispositivi elaborano i dati destinati a loro mentre il frame transita. Per la comunicazione ciclica real-time non è necessario utilizzare TCP/IP.

Questa architettura permette tempi di ciclo molto brevi e sincronizzazione precisa, caratteristiche particolarmente importanti per motion control e macchine ad alte prestazioni.

Queste tre tecnologie dimostrano perché la frase “usa Ethernet” non descrive completamente una rete industriale.

OPC UA

OPC UA occupa un livello ancora differente.

È un'architettura orientata allo scambio strutturato e interoperabile di informazioni tra macchine, software, sistemi SCADA, MES, ERP e servizi di livello superiore.

Può convivere con reti industriali real-time come PROFINET o EtherCAT invece di sostituirle.

In un sistema moderno è quindi possibile utilizzare EtherCAT per il controllo deterministico degli azionamenti e OPC UA per trasferire informazioni di diagnostica e produzione verso livelli superiori.

LoRaWAN

LoRaWAN è un protocollo di rete progettato per dispositivi a basso consumo che devono trasmettere quantità relativamente limitate di dati anche a distanze elevate.

Le reti utilizzano tipicamente una struttura star-of-stars nella quale i dispositivi raggiungono uno o più gateway, che inoltrano i messaggi verso un network server tramite normali connessioni IP.

LoRa e LoRaWAN non sono sinonimi: LoRa riguarda principalmente la tecnologia radio, mentre LoRaWAN definisce il protocollo e l'architettura di rete.

NB-IoT e LTE-M

NB-IoT e LTE-M appartengono invece all'ecosistema delle reti cellulari standardizzate da 3GPP.

Sono progettate per applicazioni IoT che richiedono copertura geografica estesa senza installare una propria infrastruttura radio.

Rispetto a Wi-Fi o Bluetooth dipendono dalla rete dell'operatore mobile, mentre rispetto a LoRaWAN utilizzano uno spettro cellulare licenziato e l'infrastruttura delle reti mobili.

KNX, BACnet e DALI

Nel settore degli edifici esistono protocolli specializzati molto diffusi.

KNX è utilizzato nell'automazione di edifici per illuminazione, climatizzazione, tende, gestione energetica e numerose altre funzioni.

BACnet è particolarmente diffuso nei Building Management Systems e nei sistemi HVAC.

DALI è specializzato principalmente nel controllo digitale dell'illuminazione.

Ancora una volta non avrebbe senso stabilire quale dei tre sia “migliore” in assoluto: hanno origini, architetture e campi applicativi differenti.

Altri protocolli e interfacce

L'elenco completo sarebbe molto più lungo. Tra le tecnologie che possono essere incontrate in elettronica, automazione, telecomunicazioni e sistemi embedded figurano:

• UART;
• USART;
• I²C;
• SPI;
• 1-Wire;
• I²S;
• RS-232;
• RS-422;
• RS-485;
• USB;
• CAN;
• CAN FD;
• CAN XL;
• CANopen;
• SAE J1939;
• LIN;
• FlexRay;
• Ethernet;
• Wi-Fi;
• Bluetooth;
• Bluetooth Low Energy;
• Zigbee;
• Thread;
• Matter;
• Z-Wave;
• NFC;
• RFID;
• IPv4;
• IPv6;
• TCP;
• UDP;
• HTTP/HTTPS;
• WebSocket;
• MQTT;
• CoAP;
• Modbus RTU;
• Modbus TCP;
• PROFIBUS;
• PROFINET;
• EtherNet/IP;
• EtherCAT;
• POWERLINK;
• CC-Link;
• DeviceNet;
• OPC UA;
• LoRaWAN;
• NB-IoT;
• LTE-M;
• KNX;
• BACnet;
• DALI;
• M-Bus;
• DMX512;
• MIDI.

E questa rimane soltanto una selezione.

Quali sono davvero i più utilizzati

Non esiste una classifica scientificamente corretta che permetta di mettere tutti questi sistemi in ordine dal più usato al meno usato.

Il motivo è semplice: appartengono a livelli e mercati diversi.

Contare quanti dispositivi utilizzano TCP e confrontarli con quanti utilizzano RS-485 non avrebbe significato. Un singolo dispositivo può utilizzare contemporaneamente entrambi.

È però possibile individuare le tecnologie fondamentali nei diversi settori.

Embedded

Nel mondo dei microcontrollori le interfacce che un tecnico incontra più frequentemente sono:

UART, I²C e SPI.

Sono integrate come periferiche hardware in un'enorme quantità di microcontrollori e vengono utilizzate continuamente per sensori, display, memorie, convertitori, moduli radio e diagnostica.

A queste si aggiungono USB e, nelle applicazioni distribuite, CAN.

Non è però disponibile una statistica universale e metodologicamente solida che permetta di assegnare percentuali globali attendibili a UART, I²C e SPI. Affermare, per esempio, che “I²C rappresenta il 40% delle comunicazioni embedded” senza definire dispositivi, mercato e criterio di conteggio sarebbe privo di significato.

Reti informatiche

Per le reti moderne sono fondamentali:

Ethernet e Wi-Fi per il collegamento locale;

IP per la rete;

TCP e UDP per il trasporto;

HTTP/HTTPS per una parte enorme delle applicazioni distribuite.

Non sono concorrenti: fanno parte della stessa architettura.

IoT

Nel mondo IoT le tecnologie dipendono fortemente dall'applicazione.

Per il collegamento locale sono comuni Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee e Thread.

Per applicazioni a lunga distanza e basso consumo si utilizzano, fra gli altri, LoRaWAN, NB-IoT e LTE-M.

Ai livelli applicativi HTTP/HTTPS e MQTT sono tra le tecnologie più importanti.

Automotive

CAN continua a rappresentare una tecnologia fondamentale, oggi affiancata dalle evoluzioni CAN FD e CAN XL e dalla crescente presenza dell'Automotive Ethernet.

LIN rimane importante per sottosistemi semplici ed economici.

Automazione industriale

Qui esistono dati quantitativi più significativi.

L'Industrial Network Report 2026 di HMS Networks analizza la distribuzione dei nuovi nodi connessi nell'automazione di fabbrica. Le reti Industrial Ethernet rappresentano nettamente la quota dominante delle nuove installazioni; PROFINET, EtherNet/IP ed EtherCAT costituiscono le principali famiglie Ethernet industriali considerate dal rapporto.

Il dato riguarda però nuovi nodi, non l'intero parco installato.

Questa precisazione è importante.

Una tecnologia può diminuire nelle nuove installazioni ma rimanere estremamente comune negli impianti esistenti per molti anni.

È esattamente il caso di sistemi come PROFIBUS, RS-485 e Modbus RTU.

“Vecchio” non significa automaticamente “scomparso”.

Velocità, distanza e affidabilità: non esiste il protocollo migliore

Quanto possono essere distanti i dispositivi

La distanza massima non dipende soltanto dal nome dell'interfaccia o del protocollo. Velocità, tipo di cavo, capacità e impedenza della linea, terminazioni, livello dei disturbi, potenza radio e condizioni ambientali possono modificare notevolmente il risultato. In alcuni casi lo standard stabilisce una distanza precisa; in altri stabilisce invece parametri elettrici dai quali deriva la distanza utilizzabile.

• UART a livelli logici 3,3/5 V — Distanza indicativa: pochi cm – circa 1 m. Non esiste una distanza standard. È pensata soprattutto per PCB e collegamenti locali. Per distanze maggiori si utilizza normalmente un transceiver RS-232, RS-422 o RS-485.
• I²C — Distanza indicativa: pochi cm – alcune decine di cm; circa 1 m in condizioni favorevoli. La specifica non stabilisce una lunghezza massima in metri: il limite deriva soprattutto dalla capacità complessiva del bus e dai tempi di salita dei segnali. Riducendo la velocità e progettando opportunamente il bus si possono raggiungere distanze maggiori.
• SPI — Distanza indicativa: pochi cm – alcune decine di cm. Non possiede una distanza massima standardizzata. Nasce essenzialmente per collegamenti su PCB o tra dispositivi molto vicini. Aumentando velocità e lunghezza diventano critiche integrità dei segnali e riflessioni.
• I²S — Distanza indicativa: pochi cm – alcune decine di cm. Pensato principalmente per collegamenti audio digitali tra circuiti integrati sulla stessa scheda o su schede molto vicine.
• 1-Wire — Distanza indicativa: alcuni metri; decine di metri con reti progettate opportunamente. La distanza dipende fortemente dalla topologia, dalla capacità del cavo, dal numero di dispositivi e dalla temporizzazione. Reti specializzate possono raggiungere distanze maggiori.
• RS-232 — Distanza indicativa: circa 15–20 m come riferimento pratico. Le revisioni moderne dello standard limitano principalmente il carico capacitivo. Con velocità inferiori e cavi a bassa capacità sono possibili distanze maggiori.
• RS-422 — Distanza indicativa: fino a circa 1.200 m a bassa velocità. All'aumentare della velocità diminuisce la distanza utilizzabile. La trasmissione differenziale permette distanze molto superiori rispetto a RS-232.
• RS-485 — Distanza indicativa: fino a circa 1.200 m a bassa velocità; circa 12 m intorno a 10 Mbit/s. È uno degli esempi più chiari del compromesso velocità/distanza. Terminazione, cavo e topologia sono determinanti.
• CAN / CANopen — Distanza indicativa: 25 m a 1 Mbit/s; 100 m a 500 kbit/s; 500 m a 125 kbit/s; 1.000 m a 50 kbit/s. Diminuendo la velocità la rete può diventare molto più lunga. Le raccomandazioni CANopen arrivano a 2.500 m a 20 kbit/s e 5.000 m a 10 kbit/s.
• USB 2.0 — Distanza indicativa: fino a circa 5 m per Full/High Speed; circa 3 m per Low Speed. Per distanze superiori servono hub, extender o soluzioni attive. La lunghezza dipende anche dalla categoria e dalla conformità del cavo.
• USB 3.x / USB4 — Distanza indicativa: tipicamente pochi metri o meno su rame passivo. Non esiste un unico valore valido per tutte le generazioni e velocità. All'aumentare del bit rate il margine sul cavo diminuisce; cavi attivi e ottici permettono distanze maggiori.
• Ethernet su rame — Distanza indicativa: 100 m per collegamento nelle comuni reti su doppino. Il canale strutturato tipico arriva a 100 m. Switch intermedi permettono naturalmente di costruire reti molto più estese.
• Ethernet su fibra — Distanza indicativa: centinaia di metri – decine di km. Dipende dalla variante Ethernet, dal tipo di fibra e dai transceiver utilizzati.
• PROFINET su rame — Distanza indicativa: 100 m per tratta Ethernet tipica. Con fibra si possono raggiungere distanze dell'ordine dei chilometri, secondo il tipo di interfaccia.
• EtherNet/IP su rame — Distanza indicativa: normalmente 100 m per link Ethernet. La distanza deriva dal livello fisico Ethernet utilizzato, non dal protocollo CIP.
• EtherCAT su rame — Distanza indicativa: 100 m tra due nodi. Ogni tratto 100BASE-TX può arrivare a 100 m; la fibra permette distanze superiori.
• Modbus RTU su RS-485 — Distanza indicativa: fino a circa 1.000 m a 9.600 bit/s secondo la guida Modbus. La distanza dipende da velocità, cavo e configurazione. Le derivazioni devono rimanere molto più corte della linea principale.
• Modbus TCP — Distanza indicativa: dipende da Ethernet. Non possiede una propria distanza fisica: su rame vale normalmente il limite di 100 m per ogni link Ethernet, mentre switch e fibra permettono reti molto più grandi.
• Wi-Fi — Distanza indicativa: tipicamente alcune decine di metri negli edifici; 100 m o più in condizioni favorevoli. Non esiste una distanza universale. Frequenza, potenza, antenne, muri, interferenze e versione IEEE 802.11 modificano fortemente la copertura.
• Bluetooth / BLE — Distanza indicativa: da meno di 1 m a oltre 1 km. Il Bluetooth SIG indica esplicitamente un intervallo possibile da meno di un metro a oltre un chilometro, in funzione di potenza, sensibilità, antenna, PHY e ambiente.
• Zigbee — Distanza indicativa: tipicamente circa 10–100 m per singolo collegamento. La rete mesh permette di superare la portata del singolo collegamento attraverso nodi intermedi.
• Thread — Distanza indicativa: tipicamente alcune decine di metri per singolo collegamento. Utilizza IEEE 802.15.4 e una topologia mesh: la copertura complessiva può estendersi attraverso più nodi.
• Matter — Distanza indicativa: dipende dalla rete utilizzata. Matter non possiede una propria portata radio: può funzionare sopra Thread, Wi-Fi o Ethernet e ne eredita le caratteristiche fisiche.
• LoRaWAN — Distanza indicativa: diversi km in installazioni normali; maggiori in condizioni favorevoli. La portata dipende fortemente dall'ambiente, dalla frequenza, dal link budget e dalla visibilità radio.
• NB-IoT / LTE-M — Distanza indicativa: km – decine di km, secondo la rete cellulare. Non esiste una distanza fissa dispositivo-Internet: la portata dipende dalla cella dell'operatore, dalla banda utilizzata e dalle condizioni radio.
• KNX TP — Distanza indicativa: fino a 1.000 m di cavo per linea; 350 m tra alimentatore e dispositivo; 700 m tra due dispositivi. I limiti si riferiscono alla topologia e al mezzo twisted pair KNX; segmentazione e accoppiatori permettono reti più estese.
• BACnet — Distanza indicativa: dipende dal mezzo fisico. BACnet può utilizzare Ethernet, IP, MS/TP su RS-485 e altri trasporti; la distanza è quindi determinata dal mezzo sottostante.
• DALI — Distanza indicativa: fino a circa 300 m tra i due dispositivi più lontani. Il valore dipende dalla sezione dei conduttori; 300 m è il riferimento tipico con 1,5 mm².

Per protocolli come IP, TCP, UDP, HTTP, HTTPS, MQTT, CoAP, WebSocket e OPC UA non esiste invece una distanza esprimibile in metri. Operano sopra una rete già esistente e possono quindi collegare due dispositivi posti sulla stessa scrivania oppure a migliaia di chilometri di distanza.

È proprio questa differenza a mostrare perché non sia corretto mettere sullo stesso piano, per esempio, RS-485 e MQTT: RS-485 deve realmente trasportare un segnale elettrico lungo un cavo; MQTT descrive messaggi che possono attraversare una successione di reti estesa su scala geografica.

Una delle domande più frequenti è quale sia il sistema di comunicazione migliore.

La domanda, senza specificare l'applicazione, non ha risposta.

Un collegamento SPI può essere estremamente veloce su pochi centimetri di circuito stampato ma sarebbe una pessima scelta per collegare due macchine distanti cento metri.

RS-485 può essere eccellente per una rete industriale relativamente lenta e lunga, ma sarebbe assurdo utilizzarlo per trasferire un flusso video ad alta risoluzione.

Wi-Fi permette elevate velocità senza cavi, ma richiede un ambiente radio compatibile e generalmente un consumo maggiore rispetto a tecnologie progettate specificamente per sensori a batteria.

LoRaWAN permette collegamenti a lunga distanza con consumi contenuti, ma non è progettato per trasportare grandi quantità di dati.

EtherCAT offre elevate prestazioni real-time, ma sarebbe sproporzionato per leggere ogni ora un semplice sensore di temperatura.

La progettazione consiste proprio nello scegliere il compromesso corretto tra:

• velocità;
• distanza;
• numero di dispositivi;
• latenza;
• determinismo;
• immunità ai disturbi;
• consumo energetico;
• costo;
• complessità;
• sicurezza;
• quantità di dati;
• infrastruttura disponibile.

Le semplificazioni da evitare

Alcune frasi molto comuni sono tecnicamente sbagliate.

“RS-485 è un protocollo come Modbus.”

No. RS-485 definisce principalmente il livello elettrico; Modbus definisce regole applicative.

“UART e RS-232 sono la stessa cosa.”

No. Una UART può essere collegata a differenti livelli fisici. RS-232 richiede specifiche caratteristiche elettriche.

“Ethernet significa TCP/IP.”

No. Ethernet può trasportare protocolli differenti e alcuni protocolli industriali utilizzano direttamente frame Ethernet.

“Wi-Fi significa Internet.”

No. Wi-Fi permette di realizzare una rete locale wireless anche completamente isolata.

“MQTT è un'alternativa a Wi-Fi.”

No. MQTT può utilizzare una rete Wi-Fi per trasportare i propri messaggi.

“Thread e Matter sono concorrenti.”

Non necessariamente. Matter può funzionare sopra Thread.

“SPI è uno standard perfettamente uniforme.”

No. È uno standard de facto e le specifiche dei singoli componenti devono essere controllate.

“Il protocollo più veloce è il migliore.”

No. La velocità è soltanto uno dei parametri di progetto.

Conclusioni

Il termine “protocollo di comunicazione” comprende, nel linguaggio corrente, tecnologie profondamente differenti.

UART, I²C e SPI permettono a circuiti elettronici di scambiarsi dati a breve distanza.

RS-232 e RS-485 descrivono soprattutto il modo in cui i segnali vengono trasmessi elettricamente.

CAN integra meccanismi particolarmente robusti per reti distribuite.

Ethernet e Wi-Fi forniscono infrastrutture di rete.

IP permette ai pacchetti di attraversare reti diverse.

TCP e UDP gestiscono il trasporto.

HTTP, MQTT, Modbus e altri protocolli definiscono invece il modo in cui le applicazioni interpretano e scambiano le informazioni.

Nessuna di queste tecnologie, presa singolarmente, descrive necessariamente l'intera comunicazione.

Un sistema reale è quasi sempre una sovrapposizione di livelli.

Capire questi livelli è molto più importante che imparare un elenco di sigle: permette di comprendere dove opera ciascuna tecnologia, quale problema risolve, quale distanza può coprire e perché può convivere con molte altre nello stesso dispositivo.

Fonti principali

• ISO — ISO/IEC 7498-1:1994, Open Systems Interconnection — Basic Reference Model.
• NXP Semiconductors — UM10204, I²C-bus specification and user manual.
• Analog Devices — AN-1248, documentazione tecnica sull'interfaccia SPI.
• Microchip Technology — documentazione tecnica UART / USART.
• TIA — TIA-232 e TIA-485, specifiche delle interfacce seriali.
• Texas Instruments — documentazione tecnica RS-232 e RS-485 Basics Series.
• Robert Bosch GmbH — specifiche e documentazione CAN, CAN FD e CAN XL.
• CAN in Automation — documentazione CANopen e tabelle bit rate / lunghezza della rete.
• IEEE Standards Association — famiglia IEEE 802.3 Ethernet e IEEE 802.11 Wireless LAN.
• USB Implementers Forum — specifiche USB 2.0, USB 3.x, USB Type-C e USB4.
• Bluetooth SIG — Bluetooth Core Specification e documentazione tecnica sulla portata radio.
• IETF — RFC 8200, Internet Protocol Version 6.
• IETF — RFC 9293, Transmission Control Protocol.
• IETF — RFC 768, User Datagram Protocol.
• IETF — RFC 9110, HTTP Semantics.
• OASIS — MQTT Version 5.0, OASIS Standard.
• Modbus Organization — Modbus Application Protocol Specification e Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide V1.02.
• PROFIBUS & PROFINET International — documentazione e linee guida di installazione PROFINET.
• ODVA — EtherNet/IP Technology Overview.
• EtherCAT Technology Group — documentazione EtherCAT, IEC 61158 e IEC 61784.
• OPC Foundation — specifiche OPC Unified Architecture.
• Thread Group — specifiche e documentazione Thread, IPv6 e IEEE 802.15.4.
• Connectivity Standards Alliance — specifiche Zigbee e Matter.
• LoRa Alliance — LoRaWAN Specification.
• 3GPP — specifiche LTE-M e NB-IoT.
• KNX Association — specifiche e documentazione KNX Twisted Pair.
• ASHRAE — BACnet, ANSI/ASHRAE Standard 135.
• DALI Alliance — specifiche IEC 62386 e documentazione sul cablaggio DALI.
• HMS Networks — Industrial Network Report 2026, distribuzione dei nuovi nodi nelle reti di automazione industriale.