Efficienza energetica e benessere nella Smart Home

DOMOTICA –

La riduzione del consumo di energia elettrica è una delle sfide più importanti che il mondo di oggi deve affrontare insieme al diffondersi di approcci “smart” tra le mura di casa e alla centralità dell’utente

Una delle sfide più importanti da affrontare a livello mondiale, è la riduzione del consumo di energia elettrica. L'elettricità, in particolare, negli ultimi decenni è stata, e continua a essere, il tipo di energia il cui consumo cresce più rapidamente presso gli utenti finali. Inoltre, il maggiore utilizzo di tecnologie avanzate e l'aumento del numero di dispositivi elettronici sempre più energivori a nostra disposizione, richiedono un cambiamento sostanziale del modo di affrontare le problematiche energetiche a livello mondiale. Per tale motivo, negli ultimi anni è cresciuta notevolmente l'attenzione verso un uso razionale delle risorse energetiche.
La rete elettrica (grid), così come siamo stati abituati a conoscerla, ovvero come sistema passivo che produce corrente e la immette in rete indipendentemente dagli utilizzatori siano esse abitazioni, industrie o altro, necessita di una profondo cambiamento. Tale innovazione del sistema elettrico passa attraverso un processo d'informatizzazione che consenta alle reti passive di diventare attive e intelligenti, o come comunemente detto smart, da qui il concetto della Smart Grid.
L'esigenza di migliorare l'affidabilità e l'efficienza delle reti e allo stesso tempo consentire l'utilizzo di diverse sorgenti di energia, ad es. quelle rinnovabili, ha reso indispensabile l'introduzione di funzioni di monitoraggio, analisi, controllo e comunicazione della rete stessa. Queste innovazioni, oltre a ottimizzare il processo di generazione e trasporto dell'energia elettrica, hanno avuto anche un impatto diretto sull'utilizzatore finale, portando alla partecipazione attiva e consapevole del consumatore nella determinazione della domanda di energia elettrica. In altre parole, l'innovazione della Smart Grid non si è fermata al contatore elettronico dell'utente (e in questo l'Italia è stata pioniera nel mondo con il progetto Telegestore di Enel) ma sta entrando nelle nostre case per trasformarle in Smart Home. Nella casa intelligente tutte le utenze saranno connesse in rete per accedere a dati e informazioni, in modo sicuro, che oltre a fare risparmiare energia consentiranno una migliore qualità della vita grazie ai vari servizi dedicati alla persona di cui si potrà usufruire.

Efficienza e risparmio energetico
Nelle nostre case è cresciuta la diffusione degli elettrodomestici, computer e videogiochi sono sempre più utilizzati, così come i sistemi di condizionamento e ventilazione. Tutto ciò ha provocato un aumento sproporzionato dei consumi di energia elettrica. Due sono le strade maestre per minimizzare i consumi: un'attenzione crescente all'efficienza energetica di tutte le applicazioni elettriche ed elettroniche;
favorire un cambiamento delle abitudini di utilizzo dell'energia da parte dei consumatori. Le tecnologie attuali permettono di ottenere fino a un 30% di risparmio sui consumi di energia. Ad esempio, con la semplice applicazione di variatori di velocità ai motori, si può arrivare fino al 40% di potenziale risparmio. Con un sistema di controllo dell'impianto d'illuminazione si arriva a risparmiare fino al 30%.
Un risparmio energetico rilevante e sostenibile è possibile grazie a soluzioni automatizzate che permettano agli utenti di misurare, comandare, controllare e analizzare i consumi energetici dell'impianto. L'automazione degli edifici prevede case e uffici intelligenti, in cui le apparecchiature di vario tipo comunicano con gli utenti e con il fornitore di energia per minimizzare i consumi. Per rendere praticabile questo concetto di gestione energetica, STMicroelectronics propone un'architettura di un sistema domestico completamente automatizzato basato su una rete di comunicazione in tempo reale tra sensori, punti di prelievo dell'energia elettrica, interruttori e il controllore domestico. La rete utilizza il contatore intelligente come elemento di collegamento tra le fonti energetiche esterne e la domanda interna. La gestione energetica ottimizzata, basata su una tariffazione dinamica che tenga conto dei periodi di picco e dei consumi energetici in tempo reale, permetterà di ottenere importanti risparmi energetici garantendo all'utente il minimo disagio.
Anche se è vero che sempre più nelle case sono presenti sistemi avanzati per la sicurezza, domotica e sensori vari oltre ai sistemi Ict e intrattenimento di nuova generazione, è indispensabile l'interconnessione di tutti questi oggetti e la standardizzazione dei protocolli di comunicazione. Se da una parte i leader del settore propongono soluzioni basate su sistemi chiusi e proprietari, in parallelo si moltiplicano le iniziative di associazioni, consorzi e progetti vari che portano avanti attività di standardizzazione e sviluppo dei concetti propri dell'efficienza energetica. Tra le varie iniziative presenti sia a livello nazionale che europeo non si può non annoverare quanto fatto dal progetto energy@home che, nato come consorzio tra Telecom Italia, Indesit, Enel ed Electrolux si è adesso trasformato in un'associazione no-profit che ha la missione di sviluppare e promuovere tecnologie e servizi per migliorare l'efficienza energica dell'intero ecosistema domestico, basandosi sull'interazione tra utenti, dispositivi e infrastrutture energetiche. STMicroelectronics, dal 2011 partecipa attivamente alle attività dell'associazione contribuendo ai vari gruppi di lavoro sulle standardizzazioni. Nel 2011 Energy@home ha iniziato una collaborazione con la ZigBee Alliance per integrare le proprie specifiche tecniche all'interno dello ZigBee Home Automation Profile.

Le Smart Home

Per abilitare le potenzialità e le nuove funzionalità di una rete intelligente appare evidente che, oltre a chi è richiesta la generazione e distribuzione dell'energia elettrica, anche all'utilizzatore finale è richiesto un nuovo ruolo. Dal punto di vista dei consumi un grosso passo avanti è stato compiuto con la diffusione delle Ami (Advanced Metering Infrastructure) che ha abilitato funzioni quali le tariffe multi orarie, la previsione dei consumi e la possibilità di interagire con i sistemi di gestione domestici Hms (Home Management System). In quest'ottica il ruolo degli Smart Meter è di grande utilità laddove l'utente non è più solo un consumatore ma anche un produttore (basti pensare alla diffusione dei pannelli fotovoltaici sui nostri tetti e delle energie rinnovabili in generale) e la cui generazione elettrica può essere reimmessa in rete introducendo, di fatto, la figura del prosumer, ossia del produttore-consumatore.
Il contatore intelligente è sostanzialmente un contatore elettronico per l'energia elettrica associato a un sistema completo per il controllo remoto, la diagnostica, l'analisi dei consumi e della potenza di picco, con meccanismi anticontraffazione, segnalazione di guasti, tariffe variabili in base alle fasce orarie e molte altre funzioni possibili. La tecnologia Power Line Communication, trasmissione dei dati lungo le linee per la distribuzione dell'energia elettrica, permette di collegare il contatore al fornitore del servizio per implementare tutte le funzioni citate e renderle compatibili con i futuri protocolli per la Smart Grid. Oltre a circuiti integrati particolarmente sofisticati per la misura, STMicroelectronics offre una piattaforma System-on-Chip, STarGRID, per la comunicazione Plc unica, innovativa e flessibile, scalabile che risponde in modo efficiente alle esigenze delle applicazioni più avanzate per contatori intelligenti e per la Smart Grid. La piattaforma STarGRID riunisce in un solo chip un nucleo centrale Dsp ad alte prestazioni, un motore programmabile per il protocollo, tutto il necessario front-end analogico e gli elementi per il pilotaggio della linea elettrica. Poiché ottimizza il consumo di energia e i costi di sistema, la piattaforma STarGRID è ideale anche per altre applicazioni "verdi" tra cui i controllori intelligenti per l'energia generata dai pannelli fotovoltaici, le reti per la ricarica delle batterie dei veicoli elettrici, le reti domestiche e la gestione dell'illuminazione stradale. Anche i contatori del gas stanno migrando dalle soluzioni convenzionali meccaniche a quelle elettroniche con funzioni di telelettura e controllo remoto. L'interoperabilità tra reti elettriche e quelle del gas sembra essere un requisito essenziale per un'evoluzione equilibrata del sistema. In questo campo è stato introdotto lo Spirit1, un ricetrasmettitore Rf ad alte prestazioni e bassissimo consumo di corrente, con sensibilità fino a -120dBm, progettato per funzionare alle frequenze sub GigaHz e supportare varie modulazioni digitali. STMicroelectronics e Omron stanno collaborando per un sensore di flusso, basato su tecnologia Mems per applicazioni smart gas meter. Questo sensore di gas ha un basso consumo e una elevata precisone e affidabilità se comparato con i sensori tradizionali e, inoltre, incorpora un meccanismo brevettato di compensazione automatica che dà informazioni sulla qualità del gas. Mentre per gli Smart Meter si ha già una chiara posizione nell'architettura di una Smart Home, per gli altri oggetti che dovrebbero avere un ruolo chiave nel rendere più intelligenti le nostre case, l'immagine è più sfocata. Poiché l'architettura di una Smart Home non è univocamente definita e può essere variamente interpretata, allo scopo di dare una visione generale degli oggetti che la compongono, riporteremo un elenco di oggetti presenti nelle topologie più comuni e le loro rispettive funzionalità.

• Home gateway: con questo nome si indica solitamente l'oggetto che mette in comunicazione la rete domestica o Han (Home Area Network) con internet o Wan (Wide Area Network). Tipicamente, oltre ad assolvere la funzione di gateway, esso ricopre anche il ruolo di concentratore dati (data concentrator), nel senso che è capace di interfacciarsi a tutti i dispositivi smart presenti nella casa tramite un opportuno protocollo (ed esempio ZigBee) per collezionare i vari dati di consumo o modi di funzionamento. Altre funzioni che possono essere svolte dall'home gateway sono il controllo delle Smart Appliance, visualizzazione dei dati collezionati, l'esecuzione di una web user interface o l'esecuzione di applicazioni specifiche.
• Smart Meter: sebbene lo Smart Meter sia usualmente posizionato fuori dalle mura domestiche, all'interno della casa si stanno diffondendo degli oggetti chiamati smart info (o similari) capaci di colloquiare con lo Smart Meter e fare da “bridge” verso la rete Han dei dati di consumo rilevati.

• Smart Appliance: rappresentano un'evoluzione degli elettrodomestici che hanno una capacità computazionale propria e a cui si è aggiunta una connettività verso la casa e verso la Smart Grid. In tal modo è possibile mostrare all'utente i relativi consumi elettrici, spedire tali informazioni alla rete domestica (Han) affinché si possano decidere (localmente sull'elettrodomestico o remotamente dall'home gateway) le politiche di utilizzo ottimali.

• Smart Plug: laddove non sia possibile dotare d'intelligenza le utenze domestiche (ad esempio l'illuminazione) si può continuare a monitorare e controllare tali carichi tramite gli Smart Plug, i quali frapponendosi tra la presa elettrica e l'utenza consentono di acquisirne i dati di consumo elettrico e di controllarli. Ovviamente tali oggetti saranno dotati di connettività che tipicamente è wireless o wired tramite Power Line Modem.

• E-mobility: settore in piena espansione, la mobilità elettrica delle auto sta avendo un impatto sulla Smart Grid soprattutto per gli aspetti della ricarica (tramite le opportune colonnine negli spazi pubblici o mediante apposito punto di ricarica nel proprio box) ed il potenziale di immagazzinamento energetico rappresentato dal pacco batterie di ciascun veicolo.

• Smart Inverter: in maniera analoga alle Smart Appliance, gli Smart Inverter sono derivati da quelli tradizionali, cui si aggiunge capacità di calcolo tramite microcontrollori e connettività opportuna. Con tale upgrade lo Smart Inverter è in grado di collezionare ed elaborare tutti i dati provenienti dall'impianto fotovoltaico e/o eolico cui è connesso e, in congiunzione con l'home gateway, stabilire le opportune politiche di gestione dell'impianto stesso.

Un ruolo fondamentale nell'architettura delle smart home è costituito dalla cosiddetta Han, che rappresenta la rete di comunicazione dentro la casa per l'interconnessione delle utenze domestiche, che offre un'apertura anche verso reti preesistenti (rete Tlc, per esempio) e che permette una gestione gerarchica di regole e priorità secondo delle politiche di gestione (ad esempio a scalare dalle necessità dell'utente a quelle del fornitore a quelle del produttore). Nell'Han si evidenziano differenti canali di comunicazione e che a secondo delle esigenze meglio si prestano ad assolvere il compito di trasportare le informazioni attraverso la casa.

Benessere e Smart Home

L'idea di una casa intelligente che usi la tecnologia per migliorare la vita dei suoi occupanti risale a parecchio tempo fa e, in effetti, è stata uno dei temi principali dell'Esposizione Mondiale di Chicago del 1933. Ma se per gran parte degli ultimi vent'anni l'obiettivo principale è stato la crescita nella qualità e nella quantità delle informazioni e dell'intrattenimento disponibile nella casa grazie all'introduzione e ai continui progressi nel mondo dei Set-Top-Box, broadband Internet e dispositivi mobili, oggi stiamo entrando nell'era delle Smart Home. Partendo dalla necessità di utilizzare l'energia in modo più efficiente, sia per minimizzare i costi dell'energia, sia per contribuire all'esigenza a livello mondiale di sviluppare una strategia energetica sostenibile, l'infrastruttura creata per la Smart Home si presterà anche a fornire accesso a una gamma sempre crescente di contenuti di intrattenimento, informazioni e servizi di comunicazione, ma al tempo stesso giocherà un ruolo molto più ampio in molti altri aspetti delle nostre vite, comprendenti la salute e il benessere della persona e la sicurezza domestica. Il concetto di “Smart Home” mette insieme diverse funzioni per creare tramite l'home gateway una rete che collega televisore, computer o dispositivo mobile ad apparecchiature come contatori intelligenti, impianti d'illuminazione, elettrodomestici, prese e sensori all'interno della casa o a servizi esterni. Non è più un'utopia poter pensare un sistema che tramite appositi sensori, potrà monitorare, utilizzando ad esempio una rete IPv6 wireless, alcuni parametri dell'ambiente domestico come la temperatura, il livello di anidride carbonica, o il movimento di persone. I dati saranno quindi inviati tramite la rete domestica Han a uno smartphone o a un tablet. In questo modo, il proprietario dell'abitazione potrà fare gran parte della gestione dell'ambiente domestico tramite cloud (nuvola) e interagire con il sistema per pianificare diverse attività personali come la verifica del consumo energetico della propria abitazione, il controllo dei sistemi di sicurezza, riscaldamento e illuminazione, l'attivazione di elettrodomestici, il monitoraggio di condizioni di salute o di strumenti di supporto per una migliore vivibilità o l'accesso al commercio elettronico. Una persona con mobilità ridotta potrà, per esempio, con un semplice gesto verso lo schermo del televisore aprire la porta d'ingresso, accendere il riscaldamento o verificare i propri parametri vitali. In questa direzione si colloca la collaborazione tra STMicroelectronics e Preventice per lo sviluppo del sistema di monitoraggio remoto BodyGuardian. Il sistema BodyGuardian di Preventice permetterà ai medici di monitorare una serie di parametri biometrici rilevanti al di fuori della struttura ospedaliera, nei luoghi in cui i pazienti svolgono le proprie attività quotidiane, creando così un collegamento continuo tra pazienti e personale medico. Il sensore raccoglie un insieme di dati importanti come l'Ecg, la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria e il livello di attività del paziente e li trasmette ai medici attraverso una tecnologia basata sulla rete di telefonia mobile, consentendo ai medici di monitorare i pazienti dal proprio tablet, smartphone o dal proprio computer. Pertanto gli utenti che possono trarre beneficio dalle nuove tecnologie presenti nella Smart Home sono le persone che vivono da sole e che non sono in grado di richiedere aiuto in condizioni di emergenza; persone anziane o disabili che soffrono di disfunzioni cognitive o fisiche; persone che soffrono di malattie croniche e hanno bisogno di un monitoraggio continuo. Il sensore indossabile dell'Rms BodyGuardian è basato su una tecnologia hardware e software che utilizza Mems, microcontrollori STM32 a basso consumo e componenti analogici con complessi algoritmi di cui la STMicroelectronics è proprietaria.

Una realtà concreta
La Smart Home è un elemento chiave di un mondo sempre più intelligente per affrontare sfide globali importanti come i risparmi energetici, o sistemi di assistenza sanitaria più accessibili ed economici. La diffusione delle case intelligenti è già iniziata in modo graduale ma non ha lo stesso ritmo in ogni parte del mondo, e la velocità per diventare una pratica comune in tutte le famiglie dipende da tanti fattori tecnologici, economici e normativi. Per accelerare questo sviluppo appare evidente che bisogna mettere insieme diverse tecnologie e differenti competenze; STMicroelectronics, grazie alle sue soluzioni, il suo ampio spettro di prodotti e tecnologie che vanno dai sensori, microcontrollori a basso consumo, dispositivi di comunicazione ai gateway per la casa, può dare un grande contributo, affinché la casa intelligente diventi una realtà concreta e fondamentale per vincere la sfida energetica mondiale.

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