Illuminazione e reti intelligenti

SMART GRID –

L’avvento della smart city abilita la diffusione di soluzioni innovative per ridurre il consumo di energia, rendendo l’illuminazione pubblica intelligente e multifunzionale, pur garantendo la massima sicurezza stradale per pedoni e automobilisti.

La sfida di una società più efficiente e sostenibile coinvolge necessariamente le città, poiché più del 50% della popolazione mondiale vive nei centri urbani (in prospettiva circa il 70% nel 2050) e consuma l'80% dell'energia primaria, contribuendo così in modo incisivo alle emissioni di CO2 in atmosfera. Rendere intelligenti le città adottando un modello urbano efficiente dal punto di vista energetico, sostenibile dal punto di vista economico, attento all'ambiente e in grado di migliorare la qualità della vita delle persone che vi abitano, è una delle strategie emergenti per la soluzione al problema dei cambiamenti climatici. In tale contesto, uno dei riferimenti più significativi è lo “Strategic Energy Technology Plan” dell'unione europea, la cui tabella di marcia pone la smart city tra le otto misure prioritarie, la terza in ordine di investimento complessivo (pari a circa 11 miliardi di euro), per affrontare la problematica energetico-ambientale. Il modello emergente della smart city è un ecosistema con tecnologie innovative, dotato d'interconnessioni nei suoi principali sottosistemi (rete dell'illuminazione pubblica, rete dell'energia, rete dei trasporti, ecc.) e ovviamente intelligente, in grado di intraprendere in modo automatico eventuali azioni di monitoraggio e di controllo. Tale modello permette di abbattere i consumi energetici e contemporaneamente di ridurre i costi di gestione e di manutenzione delle relative infrastrutture e patrimoni. Nel contesto della smart city, l'illuminazione pubblica, assieme alla mobilità (elettrica, pubblica e info mobilità) e alla gestione energetica di edifici, è tra le applicazioni che nell'immediato futuro saranno interessate dagli sviluppi più affascinanti. Il primo passo verso la smart city è la sostituzione delle tradizionali lampade al sodio ad alta pressione e a ioduri metallici con la tecnologia Led, con un notevole incremento dell'efficienza energetica oltre ad un miglioramento delle prestazioni in termini di qualità della luce e di affidabilità. Il risparmio energetico rispetto alle lampade tradizionali varia dal 50% al 70%, secondo la tecnologia sostituita utilizzata.

Controllare l'illuminazione
STMicroelectronics è oggi al primo posto fra i fornitori di componenti elettronici per i sistemi di pilotaggio e di controllo dell'illuminazione a Led. ST offre un portafoglio prodotti innovativo e a largo spettro che comprende discreti di potenza quali i Power Mosfet MDMesh II Plus e MDMesh V con la migliore resistenza di stato “on” al mondo, circuiti integrati analogici quali i controllori Pfc in grado di soddisfare le normative energetiche più avanzate ed esigenti, e innovativi controllori digitali quali il nuovo STLUX385 che combinano capacità di calcolo spinte, con periferiche e interfacce di comunicazione dedicate. Grazie all'esperienza acquisita sui componenti elettronici combinata con la conoscenza di sistema, ST è in grado di indirizzare con soluzioni a elevata efficienza qualunque topologia circuitale, Ac-Dc o Dc-Dc, elettricamente isolata o non isolata, per il pilotaggio e il controllo di stringhe di Led singole o multiple, in modo da soddisfare la domanda sempre più esigente dei propri clienti. Il consumo elettrico nell'illuminazione pubblica stradale è particolarmente rilevante, pari al 40% del consumo dell'intera città, per tale motivo il risparmio energetico è il fattore trainante per l'integrazione sempre maggiore di tecnologie intelligenti, onnipresenti nei lampioni e interconnesse attraverso sistemi di comunicazione e di monitoraggio, che rendono l'illuminazione stradale intelligente. A differenza dei tradizionali lampioni autonomi, un sistema d'illuminazione pubblica intelligente abilita una comunicazione bidirezionale. I lampioni intelligenti possono essere controllati da remoto garantendo una regolazione adattativa e in tempo reale dell'intensità luminosa punto-punto, in base al profilo di attività della strada e alle relative condizioni ambientali (pioggia, nebbia, ecc.). Inoltre, informazioni di monitoraggio sullo stato operativo della lampada, sull'energia consumata da ciascun punto luce, sull'inclinazione del singolo lampione possono essere inviate al gestore della rete o dei servizi garantendo un notevole risparmio sui costi di manutenzione e minimizzando i tempi di sostituzione di eventuali lampade guaste. Nella smart city del futuro i lampioni, oltre che intelligenti, saranno anche multifunzionali, giocando un ruolo rilevante nella gestione di una serie di servizi urbani che vanno oltre la stessa illuminazione pubblica. Equipaggiata con sensori di varia natura e attraverso sistemi di comunicazione avanzata, la rete d'illuminazione pubblica potrà essere abilitata a servizi intelligenti quale monitoraggio del traffico, info mobilità, sicurezza stradale, monitoraggio della qualità dell'aria, stazioni meteo, gestione della mobilità elettrica, ecc.

Comunicazione intelligente
Oltre ai circuiti e alle tecnologie a elevata efficienza per il controllo e pilotaggio delle lampade, i sensori e i sistemi di comunicazione giocheranno un ruolo chiave. STMicroelectronics è leader nelle tecnologie dei sensori intelligenti, con un ampio portafoglio prodotti che include sensori Mems avanzati, quali l'accelerometro con microcontrollore integrato, oltre ai microfoni, sensori di pressione, di umidità e di temperatura. Anche per la comunicazione, la ST offre tecnologie innovative e flessibili per indirizzare le esigenze progettuali dei sistemi cablati basati su Power Line Communication e di quelli senza fili basati sulla radio frequenza in questo tipo di applicazioni. Lo SPIRIT1 è un ricetrasmettitore RF, ad alte prestazioni e bassissimo consumo di corrente, con sensibilità fino a -120dBm, progettato per funzionare a diverse frequenze selezionabili inferiori a 1GHz e supportare varie modulazioni digitali. SPIRIT1 ha una velocità di trasmissione programmabile, in base alla modulazione selezionata, fino a 500kbps. Inoltre il dispositivo supporta il frequency hopping, l'antenna diversity e la crittografia AES-128. Per il Plm (Power line modem) esistono diverse possibilità in funzione delle specifiche di bit-rate (velocità di trasmissione) e delle specifiche riguardanti il protocollo di comunicazione. Per basse velocità di trasmissione fino a 4800bps e per comunicazioni di tipo B-FSK, è disponibile il dispositivo ST7540; esso è particolarmente utile quando si vuole una personalizzazione completa di tutti i livelli del protocollo grazie alla caratteristica che il framing dei messaggi è completamente gestibile dal microcontrollore host. Restando nell'ambito delle basse velocità è disponibile il dispositivo ST7570 (membro della famiglia STarGRID) il quale offre una soluzione compatibile con lo standard IEC 61334-5-1 fino al livello Mac del protocollo di comunicazione; i livelli superiori, come la gestione di oggetti Dlms/Cosem sono lasciati all'implementazione nell'Mcu host. Per velocità di trasmissione fino a 28.8kbps è disponibile il dispositivo ST7580, il quale offre la maggiore versatilità nell'ambito della famiglia STarGRID giacché supporta sia modulazione S-FSK sia B-PSK, Q-PSK e 8-PSK; allo stesso tempo nonostante il framing di livello fisico sia definito e implementato dal dispositivo stesso i livelli superiori sono aperti a personalizzazioni. È disponibile anche una soluzione, ST7590, su Ofdm fino a 128.8 kbps, compatibile con le specifiche Prime, ma è utilizzata principalmente per applicazione di tipo contatore elettronico. In una tipica implementazione d'illuminazione stradale “intelligente”, la rete è composta di diversi nodi, ogni nodo è rappresentato da un lampione che include un trasmettitore RF o un modem Plm e, naturalmente, contiene la lampada con il circuito di pilotaggio. I nodi comunicano con un concentratore di dati, normalmente situato nella camera di alimentazione (distribuisce la potenza a un certo gruppo di lampioni) e operano in una linea trifase. Ogni dispositivo può utilizzare una delle tre fasi come canale di comunicazione dati.
Per soluzioni future e ampliamento dell'offerta Plm, ST sta sviluppando un modem a banda larga in grado di supportare anche la comunicazione d'informazioni acquisite con videocamere, in modo da abilitare il lampione intelligente al monitoraggio del traffico e a un'elevata sicurezza stradale.

Il dimostratore Steval
Uno fra i recenti dimostratori di sistema, Steval-IHP005V1, sviluppato da ST è basato sul dispositivo STM32F103CB, un Mcu 32 bit Arm Cortex M e sul PLM ST7540 (B-FSK). Il dimostratore utilizza la tipologia di rete di tipo master-slave, dove normalmente il master è considerato il concentratore e ogni nodo è considerato slave. Nel concentratore sono collezionate tutte le informazioni sulle lampade, come i consumi, lo stato e gli errori, così come informazioni sul lampione stesso (temperatura ambiente e lo stato d'interruttori). Inoltre sono implementati esempi di azioni a distanza quali accensione, spegnimento, variazione d'intensità luminosa, programmati o manuali. Comunque, la tipologia di rete utilizzata può essere implementata su altre modulazioni Plm o su diversi mezzi di comunicazione, come per esempio sistemi RF basati su SPIRIT1. In una tipica rete di tipo master-slave, qualsiasi dispositivo può avviare la comunicazione in ogni momento, diventando così un master, mentre il nodo di destinazione, ciascuno con un proprio ID univoco d'indirizzo, diventa il dispositivo slave. Ogni nodo, in automatico, può anche agire come un ripetitore dati, aumentando l'affidabilità della rete e la probabilità statistica che l'informazione dal master allo slave è consegnata anche in condizioni di rumore elettrico nella rete. Tuttavia, la coesistenza di più master e più ripetitori introducono la necessità della gestione della collisione dei dati. Infatti, se uno o più dispositivi possono avviare una comunicazione dati, in qualsiasi momento si può creare un problema di collisione, generando la perdita di tutti i dati trasmessi durante questo periodo e riducendo drasticamente le prestazioni complessive. Questa situazione può essere gestita e migliorata utilizzando due tecniche note in letteratura: Csma/CD (Carrier Sense Multiple with Collision Detect), ovvero accesso multiplo tramite rilevamento della portante con rilevamento delle collisioni), utilizzata quando il trasmettitore è in grado di rilevare eventuali collisioni prima e durante la trasmissione dei dati; Csma/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), ovvero accesso multiplo tramite rilevamento della portante che evita collisioni, utilizzata quando il trasmettitore non è in grado di rilevare collisioni durante la trasmissione dei dati, per tale motivo le collisioni dovranno essere in qualche modo il più possibile evitate. La seconda tecnica è utilizzata nel dimostratore ST e per tale motivo sarà descritta in seguito. Il meccanismo utilizzato per evitare il conflitto dei dati nella Csma/CA è implementato utilizzando un tempo di back-off e il segnale di "banda in uso". Per tale motivo, prima di iniziare ogni comunicazione, ogni dispositivo attende fino a quando la banda è libera controllando il proprio segnale di BU. Non appena la banda è libera, un periodo casuale, back-off time, è calcolato. Una volta che il tempo di back-off è trascorso, se la banda è ancora libera, la trasmissione è avviata, altrimenti si attendono un nuovo BU e calcolo back-off. Lo scambio di dati tra tutti i nodi collegati utilizza un meccanismo di conferma ad Ack (acknowledge), in questo modo, ogni master sa se i propri dati trasmessi sono stati correttamente consegnati al nodo di destinazione.

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