I lampioni come hub di sensori intelligenti

I controlli integrati anche nei più sofisticati lampioni oggi in funzione hanno un campo d’azione abbastanza limitato: possono essere usati per regolare l’intensità luminosa in base a una pianificazione o in risposta a una valutazione della luce ambientale, accendere o spegnere la luce, supportare le operazioni di manutenzione e riparazione, fornire report circa lo stato del sistema e segnalare eventuali guasti. Si tratta senza dubbio di funzioni utili, ma esistono tutti i presupposti per fare molto di più e fornire un significativo valore aggiunto ai proprietari e agli operatori dei lampioni, ai pedoni e agli utenti della strada e a tutte le organizzazioni che hanno interessi di natura commerciale o di altro tipo nelle città. Questo perché è ora possibile collegare i lampioni in modo molto semplice ed economico a un gateway Internet.

Le proprietà immobiliari di maggior pregio

Per molte persone che vivono nelle società economicamente avanzate, gli immobili di pregio sono una fonte continua di attrazione. In alcuni Paesi, interi programmi televisivi sono dedicati alle località, alle motivazioni e alle modalità di acquisto della casa dei sogni. Quando il pubblico televisivo pensa ai prezzi degli immobili, solitamente si riferisce al costo legato all’acquisto di una casa o di altre tipologie di edifici. Ovviamente, più è ambita la posizione, maggiore sarà il prezzo dell’immobile. Forse le aree immobiliari più preziose in qualsiasi città, centimetro quadrato per centimetro quadrato, sono i piccoli appezzamento di terreno in cui sono piantati i pali che sorreggono i lampioni. Seppur a livello puramente teorico, sarebbe interessante immaginare come potrebbe agire un’entità commerciale per acquisire il diritto di erigere pali alti 8 metri e distanziati di 25 metri gli uni dagli altri lungo le strade e i marciapiedi di un’intera città e quanto dovrebbe pagare per acquistare i relativi appezzamenti di terreno. Senza dubbio il costo sarebbe astronomico. Oggigiorno questi pali ubicati in sicuramente posizioni invidiabili esistono ma le loro potenzialità sono ampiamente sotto-utilizzate. I pali dei lampioni in una qualsiasi città si trovano in posizioni privilegiate e si affacciano su strade brulicanti di pedoni e veicoli. Grazie alla loro posizione elevata, forniscono la visibilità all’intera rete di strade e marciapiedi di una città. Inoltre sono esposti a differenti condizioni  atmosferiche, metereologiche, di illuminazione e ambientali, in migliaia di ubicazioni note con estrema precisione. Questo spazio immobiliare può avere migliaia di utilizzi potenziali nel caso venisse reso accessibile a enti commerciali o di che si occupano di analisi ambientali. Utilizzando componenti elettronici disponibili e che possono essere integrati nel progetto degli apparecchi di illuminazione, un lampione potrebbe essere in grado di rilevare fenomeni atmosferici come qualità dell’aria e concentrazione degli agenti inquinanti, concentrazione di polline; livelli di luce ambientale, temperatura, umidità, pressione dell’aria, rumore e molti altri parametri; la densità e il flusso del traffico; la densità e la velocità di movimento dei pedoni.

Potenzialità applicative

Queste misure possono essere complete e granulari, evidenziando differenze presenti anche da un’estremità all’altra della strada. Ciascun sensore presente sul lampione ha una panoramica entro un raggio dell’ordine di 10 o 15 metri. Il campo visivo di ciascun palo è contiguo al successivo e, insieme, tutti i campi visivi potrebbero coprire l’intera area di una città. Ciò significa, per esempio, che i servizi sanitari locali potrebbero analizzare le correlazioni esistenti tra le misure della qualità dell’aria e i ricoveri in ospedale imputabili a gravi problemi respiratori. Sarebbe così possibile verificare in maniera dettagliata se, in presenza di determinati livelli di qualità dell’aria o di una particolare concentrazione di un agente inquinante nell’aria, corrisponde un aumento significativo del numero di ricoveri. Un altro potenziale utilizzo è la misura della quantità e della velocità di movimento del traffico pedonale. Per i negozianti, ad esempio, tutte quelle aree in cui un grande quantità di pedoni si muove lentamente rivestono una particolare importanza. Le informazioni ricavate da sensori piroelettrici o da radar ad alta frequenza, in grado di rilevare la presenza e il movimento di corpi, possono essere analizzate in modo da fornire dati relativi al traffico pedonale in tutte le vie di una città, producendo una classifica o un punteggio delle locazioni di ciascun palo che risultano più appetibili per operatori dei punti di vendita al dettaglio. Quelli appena menzionati sono solo due esempi delle potenzialità che potrebbero derivare dall’integrazione di sensori nei lampioni collegati a Internet. La tipologia di dati che è possibile acquisire e il loro utilizzo è limitata solo dall’immaginazione dei potenziali utilizzatori.

Lampioni connessi con le tecnologie wireless

La visione fin qui presentata relativa al ruolo che i lampioni potrebbero essere in grado di svolgere è senza dubbio ambiziosa. A questo punto è utile chiedersi quali cambiamenti devono essere apportati per tradurre questa visione in realtà. Il requisito chiave dei nuovi lampioni è, ovviamente, il collegamento a Internet: quest’ultima è la rete aperta universale che utilizza un protocollo standard grazie al quale qualsiasi computer, indipendentemente dalla sua ubicazione fisica, può interfacciarsi a qualunque nodo Internet indirizzabile. Nel caso specifico dei lampioni, ogni operatore di sistema abilitato su scala globale potrebbe essere in grado di raccogliere i dati da ciascun lampione connesso a Internet al quale il proprietario ha consentito l’accesso. La pietra miliare che ha consentito oggigiorno di connettere le migliaia di lampioni sparsi in una città a Internet è la disponibilità su larga scala della tecnologia Lpwan (Low-power wide-area networking). In questo ambito sono due le principali tecnologie in lotta per la supremazia. La tecnologia LoRa di Semtech, che prevede l’integrazione di transceiver in sensori e gateway e permette di acquisire e trasmettere dati su lunghe distanze a fronte di consumi di potenza estremamente ridotti. Oltre a ciò, il consorzio LoRa Alliance ha sviluppato un protocollo aperto basato sulla tecnologia LoRa denominato LoRaWan che rappresenta un valido aiuto per garantire l’interoperabilità di tutti i dispositivi e delle diverse componenti (programmi) software su reti sia pubbliche sia private (Fig. 1). SigFox, un protocollo di rete, implementato in un’infrastruttura di rete pubblica. La vera novità è rappresentata dalla possibilità, offerta sia da LoRa sia da SigFox, di garantire una copertura in modalità wireless di vaste aree caratterizzata da costi estremamente contenuti, consumi ridotti e bassa velocità di trasferimento dati. Per esempio il range di trasmissione/ricezione in campo aperto di un singolo link LoRa può arrivare a 15 km con una velocità di trasmissione non elevata ma adeguata agli obiettivi prefissati. Un solo gateway può fornire un’interfaccia a un numero estremamente elevato di nodi che può arrivare a 10.000. Ciò in pratica significa che tutti i lampioni di una città di medie dimensioni potrebbero essere connessi mediante un solo gateway LoRa centralizzato. La tecnologia LoRa può essere implementata in una rete privata basata su LoRa, destinata unicamente ai lampioni: ciò significa che l’operatore che gestisce i lampioni si assumerà l’onere di pagare i costi dell’installazione dei gateway e dei sensori basati sulla tecnologia LoRa, dell’avviamento e del mantenimento della rete. Grazie agli sforzi della LoRa Alliance, le reti LoRaWan pubbliche si stanno diffondendo in molte città e alcuni operatori che gestiscono i lampioni potranno agganciarsi all’infrastruttura esistente, con conseguente ulteriore riduzione dei costi di connessione. SigFox è accessibile agli utenti solamente sotto forma di rete pubblica, utilizzando le infrastrutture installate da SigFox in alcuni Paesi, e dagli operatori di rete partner della società in altri. Per entrambe le tecnologie, LoRa e SigFox, il costo da sostenere per connettere un nodo e inviare e ricevere segnali sulla rete è estremamente contenuto. Rispetto ai costi della Bom e dell’assemblaggio della scheda Pcb e agli oneri legati all’installazione e al commissioning (messa in servizio e collaudo) di un nuovo lampione a Led, il costo aggiuntivo della connessione a Internet attraverso una rete LoRa o SigFox è quasi trascurabile. In sintesi, il rapporto tra costi e benefici è estremamente favorevole. Questo non solo nei casi in cui è richiesta la raccolta dei dati come nei due esempi menzionati in precedenza. Il collegamento a Internet assicura numerosi altri vantaggi operativi per i possessori dei lampioni. Prima di tutto la connessione a Internet permette a ogni lampione di caricare informazioni relative allo stato più dettagliate, tempestive e processabili in modo semplice rispetto a una rete di controllo dell’illuminazione di tipo chiuso. Ciò consente di effettuare in maniera più efficace la manutenzione preventiva e ridurre la necessità di un intervento diretto sul campo. In secondo luogo la comunicazione attraverso Internet supporta tecniche di controllo più sofisticate, come ad esempio l’illuminazione attivata mediante il movimento oppure l’illuminazione su richiesta. Schemi di controllo di questo tipo, innescati da sensori di movimento installati su più pali contigui, richiedono complesse interazioni tra i lampioni e il sistema di controllo: interazioni di questo tipo, solitamente non supportate dalle reti di controllo dell’illuminazione di tipo legacy, sono attivabili senza problemi su una connessione Internet.

Nuovi requisiti per i componenti

Le autorità municipali e le organizzazioni commerciali potrebbero richiedere una nuova generazione di lampioni a Led intelligenti connessi a Internet. A questo punto è utile chiedersi quale sarà l’impatto di questa richiesta sull’architettura dei prodotti dei costruttori di lampioni. L’effetto più immediato è l’aumento del numero e della tipologia di componenti presenti su una scheda. I tradizionali componenti degli odierni lampioni a Led sono un engine luminoso, le ottiche e un driver. I lampioni intelligenti di nuova generazione richiederanno altri tipi di dispositivi, tra cui: sensori per acquisire dati relativi a parametri quali temperatura, gas, umidità, luce ambiente e così via; un microcontrollore ad alte prestazioni in grado di elaborare le informazioni provenienti da molteplici sensori e gestire le transazioni in conformità al protocollo Internet; un sistema in radiofrequenza. I moduli per nodi terminali per reti LoRa o SigFox sono disponibili da vari produttori, tra cui Microchip e MultiTech, e si propongono come una soluzione completa e certificata per la connettività wireless (Fig. 2). L’interpretazione delle specifiche di questi componenti e la loro integrazione nel progetto sono operazioni spesso non familiari per i costruttori di apparecchiature di illuminazione. Questo non significa che i produttori non potranno ottenere supporto o disporre di roadmap che permettano loro di orientarsi e semplificare il loro lavoro. L’enorme diffusione di Internet of Things ha indotto un gran numero di produttori di dispositivi ad aggiungere funzionalità di rilevamento e di connessione in rete in modalità wireless a prodotti un tempo isolati, che cioè in precedenza non erano collegati ad alcun tipo di rete. Questi produttori e i loro partner industriali hanno maturato una significativa esperienza nel settore e tutte queste competenze sono ora disponibili attraverso terze parti, come ad esempio Future Electronics, azienda di primo piano nella distribuzione di componentistica elettronica e di soluzioni per applicazioni di illuminazione. La struttura di Future, che prevede tre divisioni specialistiche - Connectivity Solutions, Lighting Solutions e Sensor Solutions - è stata ideata esplicitamente per soddisfare le esigenze dei produttori di apparecchiature in grado di supportare le tecnologie IoT delle prossime generazioni.

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