Il concetto di Smart City è uno dei pilastri portanti per un futuro più efficiente e sostenibile. Oggi, la maggior parte della popolazione mondiale vive nei grandi centri urbani e la percentuale è destinata a crescere. Tutto ciò contribuisce ad aumentare in modo significativo le emissioni di CO2 in atmosfera. La città intelligente richiede l’adozione di un modello urbano con consumi energetici efficienti, sostenibile, attento all’ambiente e in grado di migliorare la qualità delle persone che vi abitano. È una delle strategie emergenti per affrontare e risolvere il problema dei cambiamenti climatici senza diminuire il benessere tipico della vita moderna. Il modello emergente per la Smart City è basato su un ecosistema di tecnologie innovative, che comprendono sistemi intelligenti per l’illuminazione pubblica, contatori elettrici intelligenti, edifici intelligenti, parcheggi intelligenti, e E-Mobility. Il fattore abilitante di queste nuove tecnologie è la connettività, necessaria a garantire lo scambio bidirezionale e sicuro delle informazioni. ST è in grado di fornire dispositivi e soluzioni per tutti i sistemi di connettività richiesti: Wi-Fi, Bluetooth, RF SubGHz (< 1 GHz), e Power Line Communication (la trasmissione dei dati utilizzando le normali linee elettriche) in banda stretta e larga. Nel contesto della Smart City, il trasporto elettrico, pubblico e privato, è una delle applicazioni destinate ad avere grande diffusione nell’immediato futuro essendo uno dei fattori maggiormente inquinanti nelle città attuali basate sul modello classico.
Veicoli elettrici plug-in e stazioni di ricarica
La e-mobility “intelligente” ha un ruolo fondamentale nella Smart City. La mobilità urbana sostenibile deve, per forza di cose, integrare all’interno del tessuto della Smart City una infrastruttura per la ricarica di veicoli elettrici. I veicoli elettrici devono poter essere considerati una componente “flessibile” della Smart City e quindi devono essere in grado di supportare programmi di Active Demand Response (modifica in tempo reale dei consumi utente in risposta a una variazione di richiesta energetica). Soluzioni di e-mobility di questo tipo aiutano a convogliare la domanda di energia elettrica verso fasce temporali in cui vi è un’elevata disponibilità di fonti di energia rinnovabile, facendo assumere ai veicoli elettrici la funzione di “serbatoi di riserva” di surplus di energia rinnovabile. Quando si parla di veicoli elettrici di tipo plug-in, si fa riferimento a qualunque tipo di veicolo a motore che può essere ricaricato da una fonte esterna di elettricità. Esistono due diversi tipi di Pev (Plug-in Electric Vehicle):
- I veicoli elettrici a batteria o Bev (Battery Electric Vehicle) che sono completamente elettrici e ricavano tutta l’energia di cui hanno bisogno da una fonte esterna di elettricità e quindi non dispongono di motori a combustione interna;
- I veicoli elettrici ibridi o Phev (Plug-in hybrid vehicle), che dispongono di un sistema di propulsione basato su un motore convenzionale a combustione interna che coesiste con un sistema elettrico di propulsione. Per risolvere il problema del controllo della ricarica dei veicoli elettrici, si rende necessario un protocollo di comunicazione tra il veicolo elettrico e la stazione di alimentazione e ricarica del veicolo elettrico. È stato quindi definito un protocollo di basso livello che utilizza un segnale Pwm (Pulse Width Modulation) sulla linea pilota di controllo del cavo utilizzato per la ricarica e che offre le seguenti funzioni:
- permette alla stazione di ricarica di accorgersi di essere collegata a un veicolo elettrico plug-in;
- segnala al Pev che la stazione di ricarica è pronta a fornire energia;
- determina la necessità di ventilazione da parte del Pev;
- segnala al Pev la capacità di corrente del sistema di alimentazione.
Specifiche e norme
Queste specifiche tecniche sono state descritte per la prima volta nella versione 2001 delle norme Sae J1772 e successivamente nelle norme Iec61851. Secondo le Iec61851-1, l’Evse segnala la disponibilità della sua massima potenza di carica fissando a uno specifico valore il duty cycle del Pwm mentre l’EV segnala quattro diversi stati possibili forzando il valore della tensione. Tuttavia, l’efficacia di una reale integrazione all’interno della Smart Grid deve necessariamente passare per una comunicazione digitale più complessa e di più alto livello che permetta l’interazione tra rete di distribuzione e processo di ricarica. Questo tipo di comunicazione digitale per la parte di Vehicle-to-Grid Communication Interface è attualmente in fase di definizione nell’ambito delle specifiche Iso/Iec 15118. In questo contesto relativo alla carica conduttiva, la tecnologia Power Line Communication, applicata alla linea pilota di controllo del cavo di ricarica, è stata scelta per i layer 1 e 2 Iso/Osi. Lo standard Ieee P1901 (HomePlug AV/GP), pensato per la trasmissione in banda larga sfruttando le linee elettriche, è stato scelto per la trasmissione “IP over power line” da impiegare nella comunicazione tra il veicolo, la stazione di ricarica esterna e la Smart Grid. In questo contesto, la specifica HomePlug Green PHY è appositamente studiata per soddisfare le caratteristiche delle applicazioni Smart Grid in tema di Vehicle-to-Grid, e mantiene nel contempo l’interoperabilità con i prodotti HomePlug AV e lo standard Ieee 1901. È infatti stata sviluppata in collaborazione con le principali società di servizio elettrico con l’obiettivo di ridurre drasticamente i costi e i consumi di energia. La specifica HomePlug GP può essere considerata una versione limitata, a basso consumo e con una ridotta velocità di trasmissione rispetto all’HomePlug AV; facilita i produttori di silicio nella realizzazione di questa tipologia di dispositivi e, garantendo l’interoperabilità con gli attuali chip HomePlug AV, permette di realizzare in modo rapido prototipi e implementazioni già da adesso. In quest’ambito, STMicroelectronics propone il proprio System-on-Chip ST2100 STreamPlug come il nuovo dispositivo abilitante per applicazioni Smart-Home e Smart-Energy a livello globale. Perfettamente in linea con i requisiti di comunicazione V2GI, supporta le specifiche HomePlug Green Phy, rendendo possibili applicazioni Vehicle-to-Grid e scenari di tipo Active Demand Response.
Analisi di ST2100, STreamPlug
Il dispositivo StreamPlug, ST2100, integra un microprocessore ad alte prestazioni e una IP per la comunicazione powerline a banda larga. Integra inoltre una IP per la gestione di algoritmi di sicurezza e un ampio insieme di periferiche standard. Il dispositivo ST2100 è stato pensato per supportare la specifica Ieee 1905.1 facilitando la convergenza su un medesimo gateway o HUB di reti Ethernet, Wi-Fi assieme ad altre tipologie di networking. L’ST2100 StreamPlug supporta i più diffusi protocolli PLC tra cui HomePlug AV e HomePlug Green PHY, oltre alla connettività Ieee 1901 Broadband Powerline. Il SoC ST2100 STreamPlug è un application processor basato su core Arm26EJ-S, opera alla frequenza di 330 MHz ed è dotato di una interfaccia per la gestione della memoria esterna. Il SoC integra inoltre interfacce Usb 2.0, Ethernet, un controllore Lcd a colori e un motore crittografico hardware per algoritmi di sicurezza come Aes, Des/3Des e IPSecIl SoC STreamPlug ST2100 è disponibile in package Tfbga 373 di 12 x 12 mm. Dal punto di vista software, un virtualizzatore permette l’hosting di sistemi operativi come il Linux Kernel 2.6 già disponibile sul dispositivo. Il supporto per i protocolli PLC comprende le più recenti specifiche Ieee 1901 Broadband Powerline oltre agli standard HomePlug AV a 200 Mbps per il trasporto di traffico Hdtv e VoIP, e HomePlug Green Phy ottimizzato per applicazioni Smart Grid. Questa architettura hardware e software rende lo STreamPlug ST2100 un vero e proprio nodo intelligente HomePlug integrato in un solo chip, un elemento chiave per la realizzazione di applicazioni di tipo Smart Home e Smart Grid nel più generale contesto applicativo Internet of Things.
I moduli ST2100 STreamPlug
La collaborazione di STMicroelectronics con Tatung per gli sviluppi basati sul SoC ST2100 STreamPlug ha dato vita a sistemi innovativi come l’ home-networking Gateway One di Tatung, così come altri dispositivi per l’utilizzo intelligente dell’energia. Il sistema Gateway One permette agli utenti di realizzare una rete domestica multi-funzione che integra Ethernet, Wlan, Plc e dispositivi multimediali, arricchendo notevolmente la possibilità di migliorare efficienza energetica, sicurezza, multimedialità e comfort all’interno dell’ambiente domestico. Il Meter Bridge e l’Home-Area Network Bridge di Tatung permettono di realizzare applicazioni smart-energy per edifici e appartamenti, risolvendo problematiche di consumo e di tariffazione. Di particolare importanza sono i moduli M1i e M3 sviluppati per i mercati Oem. Sono stati pensati per ridurre il time-to-market a vantaggio degli sviluppatori e dei produttori di dispositivi intelligenti con funzioni di gestione dell’energia, oltre che per offrire connettività di rete ai dispositivi collegati alle normali linee di distribuzione elettrica. Il modulo M1i è ottimizzato per applicazioni industriali, mentre il modulo M3 è pensato per essere usato nella Smart Home o negli edifici, anche per applicazioni di carica di veicoli elettrici plug-in.
Il software per M1i e M3
Il software STreamPlug è composto da tre elementi principali: Il layer ST di interfaccia di basso livello che integra uno scheduler, il software di sistema STMicroelectronics e il kernel Linux che gira su un hypervisor sviluppato da Open Kernel Labs. Il layer ST di interfaccia di basso livello fornisce le Api necessarie a supportare i layers superiori: il layer del software di sistema e l’ hypervisor. Il software di sistema ST rappresenta il nucleo software e implementa il Mac HomePlug AV/1901/GP oltre ai moduli di supporto. Il kernel Linux è composto da un insieme di device driver Linux (2.6.35.0) che gestiscono le interfacce hardware disponibili sul SoC STreamPlug e sulla piattaforma hardware nella quale è inserito. L’utilizzo della tecnologia OKL per ospitare un OS Linux “guest” offre diversi vantaggi.
- le applicazioni Linux possono essere eseguite sullo stesso processore in parallelo ad applicazioni e sistemi operativi tradizionali;
- il supporto concorrente di due ambienti basati su sistema operativo elimina la necessità di un multiprocessore hardware e allo stesso tempo di trasferire i vecchi sistemi in ambiente Linux;
- tramite la tecnologia Secure HyperCell Technology, le cellule native OKL4 possono complementare la macchina virtuale Linux fornendo un ambiente di esecuzione con migliori caratteristiche in termini di real-time e security;
- le celle OKL4 sono particolarmente adatte per ospitare sistemi operativi real-time, semplificando l’implementazione di funzioni che richiedono una bassa latenza, senza sacrificare il ricco ecosistema di supporto disponibile per l’ambiente Linux.
Questa piattaforma software robusta e flessibile è un ambiente ideale in grado di ospitare applicazioni e stack di protocollo dedicati, realizzati da terze parti. La piattaforma garantisce una potenza di calcolo sufficiente per eseguire OpenAdr, Iso/Iec 15118, OCCP, e altre componenti software utili a implementare una stazione di ricarica Evse economica, compatta e in un singolo chip.
