Negli ultimi venti anni abbiamo avuto, a partire dal concetto di Smart Grid, una proliferazione dell'uso della definizione “smart”. In ambito di “Energy Efficiency” è ormai eccezione comune definire smart tutti i componenti che siano in grado di adattare dinamicamente il loro funzionamento con lo scopo ultimo di migliorare l'utilizzo delle risorse energetiche. Ecco quindi che le Smart Grid nascono dall'esigenza di armonizzare i flussi di energia elettrica prodotti dalle tradizionali utility con i flussi di energia prodotti molto spesso da nuovi operatori nell'ambito delle energie rinnovabili. Il paradigma delle reti di distribuzione intelligenti è di spostarsi da una logica di produzione remota dell'energia elettrica a una produzione locale, vicino agli utilizzatori finali. Un impatto immediato di questa trasformazione risiede nell'ottimizzazione degli investimenti in infrastruttura delle reti elettriche. Non essendo più necessario trasportare energia ad altissimo voltaggio per migliaia di chilometri ecco che anche reti meno costose possono brillantemente continuare a operare nel futuro. Un ruolo fondamentale all'interno delle logiche Smart Grid è ricoperto dalle Smart City e più in piccolo dalle Smart Home, abitazioni intelligenti in grado di prevedere i consumi di energia all'interno dell'ambiente domestico e, tramite un colloquio real-time con la Smart Grid, adattare il proprio funzionamento in armonia con le esigenze di domanda di energia della rete. Questo obiettivo è raggiunto con evidenti vantaggi di ottimizzazione dell'uso delle risorse e vantaggi economici (risparmio in bolletta) per l'utente finale. Le case intelligenti permettono inoltre di raggiungere obiettivi di comfort significativi, adattando il loro funzionamento ai comportamenti e agli stili di vita di chi vive in casa. Gli Smart Appliance rappresentanto probabilmente uno degli ultimi stadi all'interno della “catena” degli utilizzatori di energia elettrica. La definizione “smart” ne sottolinea la loro natura “intelligente”; si tratta infatti di elettrodomestici in grado di operare e interagire all'interno di un sistema di utilizzatori e produttori di energia elettrica e di assecondare le esigenze di utilizzo efficiente dell'intera rete senza per questo pregiudicare il loro normale funzionamento.
Competenze nelle reti intelligenti
Negli ultimi 10 anni Freescale ha dedicato una parte importante del budget di ricerca & sviluppo alle soluzioni per le Smart Grid. Sicuramente l'azienda ha potuto beneficiare della posizione di leadership occupata nei mercati automotive, networking e industrial che ha permesso di sviluppare competenze fondamentali richieste da chi opera nel mercato delle reti intelligenti. Un esempio immediato viene dalla necessità di gestire flussi di dati elevati (trasmissione ed elaborazione) all'interno di una rete. Questa è una caratteristica tipica dei server che operano nel settore del networking e delle telecomunicazioni. All'interno delle Smart Grid e di tutto quello che vi è connesso si pongono però anche problemi enormi di Safety e Security. Un Cyber-Attack di hacker che parta da una Smart Home potrebbe infatti causare un black-out a livello nazionale. Al riguardo la Difesa degli Stati Uniti richiede specifiche sicurezze nella trasmissione dei dati a partire dalle Smart House. Problemi ben noti e con cui Freescale, grazie alla collaborazione con clienti leader nel settore del networking, ha sviluppato competenze che oggi si trovano all'interno delle sue soluzioni per le Smart Grid.
L'Han, spina dorsale della casa intelligente
La casa intelligente rappresenta la più piccola rete di comunicazione all'interno della Smart Grid. Questa Han (Home Area Network) è connessa alla rete più a monte tramite gateway e concentratori. L'Han rappresenta la vera spina dorsale di una casa intelligente. Tra i problemi risolti all'interno di una Han domestica c'è quello del costo dei nodi di trasmissione, necessari per connettere in una rete domestica dispositivi diversi. I transceiver wireless delle ultime generazioni permettono infatti trasmissioni efficienti e robuste con necessità limitate di glue logic esterne. Il tutto a costi contenuti. Al riguardo, l'offerta di Freescale prevede una gamma completa di transceiver RF, disponibili sia stand-alone che in soluzioni Pip (Package-In-Package) con processori Arm Cortex M0+ e M4 con frequenze in banda Ism (<1Ghz) o a 2.4 GHz. Un problema tuttora importante risiede nel fatto che i dispositivi connessi tra di loro all'interno di una rete domestica non sono omogenei. Almeno, non lo sono in maniera nativa. Nasce così il problema dell'interoperabilità, necessaria a connettere in modo semplice e “plug and play” utenze provenienti da produttori diversi all'interno di una Han. Solamente qualche anno fa era impossibile pensare a una lavatrice Indesit che potesse comunicare con una A&G (Electrolux). Oggi questo è possibile. Negli ultimi anni i progressi in questo settore sono stati notevoli, molto spesso raggiunti tramite l'associazione in consorzio di aziende leader nei loro settori.
Consorzi per l'interoperabilità
In Europa sono di rilievo l'esperienza francese di Agora e quella italiana di Energy@Home. Entrambe hanno l'obiettivo di aumentare l'efficienza dell'utilizzo dell'energia in ambito domestico, con benefici impatti all'interno dell'intera Smart Grid. Freescale è partner tecnologico di entrambi i consorzi. Agora è un consorzio nato con lo scopo di dimostrare che è possibile connettere in una rete domestica prodotti provenienti da differenti costruttori. Questo avviene tramite l'utilizzo di bridge che permettono di realizzare un'interoperabilità indiretta tra elettrodomestici e dispositivi domestici che normalmente non sarebbero in grado di comunicare tra loro. Energy@Home, consorzio partito nel 2009 con l'associazione di Enel, Telecom Italia, Indesit ed Electrolux, permette invece di avere una interoperabilità nativa tra i dispositivi connessi all'interno della Han con vantaggi notevoli di industrializzazione, costi e di connessione Plug&Play per l'utente finale. Energy@Home ha infatti utilizzato il profile Zigbee HA (Home Automation) come base del protocollo di comunicazione all'interno della Han. Ma in questi 4 anni l'alleanza Energy@Home ha sviluppato dei nuovi cluster con lo scopo di adattare il profilo HA di ZigBee e permettere, ad esempio, anche la connessione con contatori intelligenti. Il risultato è stato il recepimento dei cluster sviluppati da Energy@Home nel nuovo profilo HA 1.2 di ZigBee. Di fatto uno standard, con tutti I benefici in fatto di intereporabilità che ne conseguono. Oggi Energy@Home conta 16 membri, inclusi i 4 fondatori. Per Freescale la partnership tecnologica con Energy@Home è molto importante perchè le problematiche tecnologiche che si sono affrontate e superate riflettono quelle di una moderna Smart House.
Il contributo Freescale alla casa intelligente
Al riguardo è utile un'analisi dei vari blocchi in cui è costituita la rete Han e il contributo tecnologico che Freescale fornisce a livello di macroblocchi.
• Home Gateway - L'Home Gateway, o Energy Gateway, è il cuore della Smart Residence e ha due funzioni principali. Da un lato è il coordinatore della rete Han ZigBee. Comunica con tutti i dispositivi connessi in rete, ne effettua il joining e ne tiene sotto controllo lo stato di funzionamento in real-time, permettendo un controllo puntuale dei consumi energetici a livello in casa. La seconda funzione importante dell'Home Gateway è quella di fare da bridge tra la Han domestica e la rete esterna. Il flusso di informazioni con la Smart Grid avviene infatti in modalità cloud passando dal Gateway di casa. L'Home Gateway è un dispositivo normalmente gestito dagli operatori telefonici. Telecom Italia ha avuto il ruolo fondamentale di sviluppare l'Energy Gateway utilizzato all'interno dell'associazione Energy@Home. Dal punto di vista del contenuto di semiconduttori troviamo nel gateway processori con caratteristiche di computazioni elevate ma con basso consume, come la famiglia i.MX Freescale. Questi processori hanno la capacità di calcolo necessaria a ospitare sistemi operativi come Linux in ambiente Osgi (Open Service Gateway Initiative). All'interno di un Home Gateway c'è poi il transceiver ZigBee che è l'elemento abilitante dell'hardware layer nella Han domestica. Freescale ha una gamma completa di dispositivi ZigBee, sia stand-alone che integrati in un package con microcontrollore.
• Contatori Intelligenti - Fondamentale nella gestione del consumo della casa è l'informazione sull'assorbimento totale in essere in un determinato momento. Questa informazione arriva tramite i contatori intelligenti. Nel caso di Energy@Home tramite lo Smart Info di Enel che è connesso all'Home Gateway tramite la Han ZigBee. Il transceiver Zigbee rappresenta l'elemento fondamentale che permette la comunicazione del contatore con l'Home Gateway.
• Smart Plug - Sono delle prese intelligenti, che permettono di misurare l'assorbimento di energia dell'elettrodomestico che è a loro collegato e di trasmetterne l'informazione tramite Han all'Home Gateway. Gli Smart Plug sono inoltre dotati di relay per lo stacco/riattacco dell'utenza che alimentano. Sono fondamentali nel caso un elettrodomestico non sia nativo “Smart” e debba essere connesso in rete. Il transceiver Zigbee rappresenta l'elemento fondamentale che permette la comunicazione degli Smart Plug con l'Home Gateway.
• Elettrodomestici - Nel mondo degli elettrodomestici è in corso una vera e propria rivoluzione. Gli elettrodomestici di nuova generazione saranno progettati per comunicare e interagire all'interno di una rete domestica con lo scopo di migliorare l'efficienza totale di gestione dell'energia in casa. Avranno la possibilità di mettersi in stand-by e di accendersi automaticamente nel momento in cui l'energia è disponibile in modo efficiente (logiche di “demand/respond”). Permettendo riduzioni significative del consumo energetico in casa e dei conseguenti costi. Gli Smart Appliance sono connessi all'Home Gateway tramite transceiver Zigbee. Importante anche il microcontrollore che gestisce la comunicazione tra la main board dell'elettrodomestico e il modulo radio Zigbee. Una caratteristica fondamentale del software di questi dispositivi è di permettere la riprogrammazione Ota (Over The Air) degli elettrodomestici tramite aggiornamenti provenienti dalla Han. Tale procedura deve essere estremamente robusta e in grado di non creare problemi neanche in situazioni di mancanza di alimentazione.
• Interfacce utente - Un ruolo importante all'interno della casa intelligente è costituito infine dal dispositivo che permette la visualizzazione dello stato dei consumi. Di fatto è l'elemento che permette all'utente di vedere visualizzata la situazione real-time e storica dei suoi consumi, facendogli scoprire quanto è il consumo reale di un dispositivo in stand-by o rivelandogli che il frigorifero ha un consumo enorme magari per una perdita di cui non era a conoscenza. Inoltre tramite la user interface l'utente può interagire in maniera attiva con la Smart Residence programmando settaggi e preferenze sul funzionamento degli Smart Appliance configurando diversi scenari di utilizzo. È possibile quindi fare in modo che il boiler si accenda solamente 30 minuti prima del rientro in casa dei residenti o che in caso di elevata domanda di energia la lavatrice si metta in stand-by durante determinati cicli del lavaggio. Inoltre l'utente può settare soglie di allarme che permettano la segnalazione immediata (sonora e visive) e l'eventuale distacco preventivo di alcuni elettrodomestici quando il consumo energetico all'interno della casa diventa troppo elevato. Il tutto in modo trasparente e senza che l'utente se ne accorga. In materia di interfacce utente di visualizzazione ci sono diverse soluzioni che si stanno affacciando sul mercato. Si va dalle APPs e dalle applicazioni Android, passando da interfacce web e televisori smart, connessi in modalità WiFi con l'Home Gateway. Particolare interesse stanno riscuotendo anche gli Ihd (In House Display). Questi terminali sono connessi all'Home Gateway (tramite la Han) e permettono all'utente di avere sotto controllo in real-time la situazione domestica. I trial che si stanno svolgendo a livello mondiale hanno evidenziato una risposta estremamente positiva (in termini di miglioramento nell'uso dell'energia) nelle abitazioni in cui l'utente aveva un Hid che mostrava i dati di consumo costantemente. I processori Arm della famiglia i.MX di Freescale si sposano bene ad essere utilizzati all'interno degli Hid sia per le capacità di calcolo, che per i consumi ridotti. Sono supportati inoltre dall'ambiente di sviluppo per applicativi Android.
