Come implementare la connettività wireless sicura e robusta per l'energia intelligente e i servizi di pubblica utilità

Le comunicazioni wireless, comprese la connettività di rete locale e la connettività cloud, sono un aspetto essenziale di molti sistemi intelligenti per l'energia intelligente e le utenze, tra cui i contatori di energia, le infrastrutture critiche, i sistemi di energia pulita, i veicoli elettrici, la modernizzazione della rete, la smart grid e le città intelligenti. Queste applicazioni spesso coinvolgono la connettività edge e richiedono comunicazioni a bassa latenza, prevedibili e sicure, che possono essere supportate da IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth e altri protocolli. In alcuni casi, possono trarre vantaggio da un protocollo wireless a bassa potenza e alta velocità di trasmissione, come lo standard IEEE 802.11 g/n, che fornisce un accesso alla rete ad alta velocità di trasmissione dei dati entro circa 300 metri all'aperto.

Inoltre, questi dispositivi wireless devono soddisfare gli standard della Federal Communications Commission (FCC) negli Stati Uniti, i requisiti dell'European Telecommunications Standards Institute (ETSI), le norme EN 300 328 e EN 62368-1 in Europa, dell'Innovation, Science and Economic Development (ISED) in Canada, del Ministry of Internal Affairs and Communications (MIC) in Giappone e altri ancora. Progettare la connettività wireless e ottenere le certificazioni necessarie può richiedere molto tempo, con conseguente aumento dei costi e allungamento del time-to-market. I progettisti possono invece rivolgersi a moduli di comunicazione wireless pre-ingegnerizzati e certificati e a piattaforme di sviluppo facilmente integrabili nei dispositivi intelligenti per l'energia e i servizi di pubblica utilità.

Questo articolo inizia con una rassegna di diverse opzioni e architetture di comunicazione per le reti locali e la connettività cloud, comprese le opzioni di rete cablata e wireless. Offre poi diverse piattaforme wireless di Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon e STMicroelectronics per l'implementazione della connettività wireless sicura e robusta per l'energia intelligente e i servizi di pubblica utilità, compresi gli ambienti di sviluppo per accelerare la progettazione.

Grandi opportunità e grandi sfide

Le grandi sfide spesso accompagnano le grandi opportunità. Questo vale anche per l'implementazione di energia intelligente e di servizi di pubblica utilità nelle infrastrutture delle città intelligenti. In primo luogo, c'è la necessità di integrare efficacemente le infrastrutture esistenti e quelle che stanno invecchiando. Inoltre, è necessario implementare reti geograficamente disperse e tecnologicamente eterogenee che siano efficienti e robuste. Infine, queste reti dovranno fornire la flessibilità necessaria per affrontare gli sviluppi tecnologici futuri, come l'emergere di veicoli intelligenti e connessi.

Ad esempio, i sistemi avanzati di gestione automatizzata del traffico possono aumentare la sicurezza, migliorare l'uso dell'energia e ridurre l'impatto ambientale di automobili, autobus e altri veicoli. In questo caso, il sistema di gestione del traffico centralizzato è collegato alla rete attraverso comunicazioni in fibra ad alta larghezza di banda e backhaul wireless. Altri elementi del sistema possono includere (Figura 1):

• Router Ethernet e cellulari che supportano dispositivi IP a livello locale. In alcuni casi, viene aggiunta la tecnologia PoE (Power over Ethernet) per estendere l'utilità della rete e controllare i costi.
• Le apparecchiature legacy possono essere integrate attraverso connessioni e porte seriali dedicate.
• I dispositivi Wi-Fi e Bluetooth locali possono monitorare la densità del traffico e dei pedoni con dati anonimizzati. I dati risultanti possono essere analizzati localmente e inviati al sistema centrale di gestione del traffico per le decisioni e le funzioni di controllo di livello superiore.
• Una combinazione di telecamere per il traffico, sensori radar o lidar e altre fonti di dati viene utilizzata dai controller del traffico avanzati a stato solido (ASTC) locali e trasferita al centro di gestione per l'ottimizzazione in tempo reale dei flussi di traffico.

Figura 1: La gestione automatizzata del traffico in una città intelligente va dal rilevamento Wi-Fi di pedoni e veicoli alle telecamere per il traffico, ai controller ASTC e a un centro di gestione e controllo del traffico. (Immagine per gentile concessione di Digi)

L'efficienza energetica complessiva, la sicurezza pubblica e la riduzione dell'impatto ambientale delle strade urbane possono essere migliorate con una serie di tecniche:

• Rilevare e ridurre al minimo la congestione modificando i flussi di traffico e la tempistica dei segnali in tempo quasi reale con una combinazione di controlli locali e centralizzati.
• Regolare la tempistica dei segnali per supportare il funzionamento efficiente e puntuale degli autobus e di altre forme di trasporto di massa.
• Fornire ai primi soccorritori un percorso ottimizzato in tempo reale per accelerare il loro arrivo e ridurre al minimo l'impatto complessivo sulla sicurezza pubblica.

Le città intelligenti del futuro

Le città intelligenti di oggi sono ancora per lo più un lavoro in corso. Ci sono ampie opportunità di miglioramento e avanzamento. Le future città intelligenti si concentreranno sempre più sull'efficienza energetica integrata e sul miglioramento della qualità della vita. I veicoli elettrici e i veicoli intelligenti o autonomi diventeranno la norma. Saranno integrati in abitazioni intelligenti, infrastrutture di ricarica intelligenti, sistemi di consegna intelligenti e sistemi di trasporto end-to-end, tra cui treni, metropolitane leggere e autobus, nonché robotaxi elettrici per la mobilità dell'ultimo chilometro.

I residenti utilizzeranno gli smartphone per una gamma sempre maggiore di finalità, tra cui l'acquisto di biglietti per autobus e treni, velocizzando il processo e riducendo ulteriormente l'impatto ambientale dei trasporti. Il trasporto continuerà a essere l'uso principale dei veicoli elettrici, ma non l'unico.

Secondo Infineon, i veicoli commerciali come camion, autobus, furgoni per il trasporto e le consegne e le attrezzature edili sono responsabili di circa un quarto delle emissioni di CO₂ in una città e di circa il 5% delle emissioni complessive di gas serra. Sarà necessario sviluppare un'infrastruttura di ricarica integrata per ospitare le batterie più grandi di questi veicoli commerciali, oltre a ricaricare i veicoli passeggeri e le biciclette elettriche. L'infrastruttura di ricarica dovrà essere interconnessa e controllata a livello centrale per massimizzare la velocità di ricarica per i diversi tipi di veicoli e i loro casi d'uso.

Per sostenere la riduzione dell'impatto ambientale, il miglioramento della qualità della vita e l'uso efficiente dell'energia, saranno necessarie complesse reti wireless in tempo reale in grado di monitorare il funzionamento delle fonti di energia rinnovabile disperse, di microreti e immagazzinaggio dell'energia, di ottimizzare l'utilizzo dell'energia, di gestire l'acqua e le acque reflue e di gestire un'ampia gamma di sistemi di trasporto e di altro tipo. Queste reti in tempo reale devono essere robuste e avere latenze minime (Figura 2). Per supportare le infrastrutture delle città intelligenti, i progettisti hanno bisogno di strumenti che consentano di sviluppare, implementare e aggiornare rapidamente reti di comunicazione complesse e dispositivi connessi.

Figura 2: I servizi per le città intelligenti si baseranno su reti wireless robuste e in tempo reale per connettere applicazioni diverse. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Rete sicura con moduli wireless

Per implementare rapidamente una rete sicura, i progettisti possono rivolgersi ai moduli wireless XBee RR di Digi, basati sul SoC (System-on-Chip) wireless EFR32MG21B020F1024IM32-BR di Silicon Labs che include un core ARM Cortex-M33 da 80 MHz e un sottosistema di sicurezza. I moduli XBee sfruttano diversi protocolli wireless e bande di frequenza come Zigbee, 802.15.4 e DigiMesh, nonché Bluetooth: Low Energy (BLE) per supportare un'ampia gamma di architetture di rete. DigiMesh è un Il protocollo di rete a maglie peer-to-peer che riduce la complessità del protocollo Zigbee per configurazioni punto-multipunto. Questi moduli supportano BLE e la connessione a un altro dispositivo BLE.

Le connessioni degli smartphone possono essere utilizzate per configurare e programmare i moduli utilizzando l'applicazione mobile XBee. Inoltre, gli sviluppatori possono utilizzare la piattaforma di configurazione XCTU compatibile con Windows, MacOS e Linux. XCTU utilizza una vista di rete grafica per semplificare la configurazione della rete wireless e uno strumento di sviluppo per la creazione di frame API per costruire rapidamente frame API XBee. Altre caratteristiche e opzioni dei moduli includono:

• Le opzioni di confezionamento includono dispositivi a micro-montaggio da 13 x 19 mm come il modello XBRR-24Z8UM, moduli a montaggio superficiale come il modello XBRR-24Z8PS-J e configurazioni a foro passante come il modello XBRR-24Z8ST-J (Figura 3).
• La versione PRO è certificata FCC per l'uso in Nord America, mentre la versione standard è conforme agli standard ETSI per l'uso in Europa.
• Configurazioni di moduli a bassa e alta potenza
• Portata interna/urbana fino a 90 metri, a seconda delle condizioni
• A seconda delle condizioni, la portata in linea di vista all'aperto può raggiungere 3,2 km.
• L'applicazione integrata per la sicurezza IoT semplifica l'integrazione della sicurezza dei dispositivi, dell'identità dei dispositivi e della privacy dei dati.

Figura 3: Le opzioni di confezionamento dei moduli wireless XBee di Digi includono il micro-montaggio (a sinistra), il montaggio superficiale (al centro) e il foro passante (a destra). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Gateway intelligenti

I moduli Sterling LWB+ di Laird Connectivity, come 453-00084R, sono moduli combinati WLAN e Bluetooth a 2,4 GHz ad alte prestazioni progettati per dispositivi IoT wireless e gateway intelligenti. Sono basati sul CI radio a chip singolo AIROC CYW43439 di Infineon e offrono un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +85 °C che li rende adatti a una serie di applicazioni per servizi di pubblica utilità, città intelligenti ed energia. I moduli Sterling LWB+ hanno certificazioni globali, tra cui FCC, ISED, EU, MIC e AS/NZS.

I moduli Sterling LWB+ includono Medium Access Controller (MAC), banda base e radio, oltre a un UART indipendente ad alta velocità per interfacce Bluetooth. Laird Connectivity e Infineon supportano i più recenti driver per Android e Linux. L'antenna in chip integrata è resistente alla de-sintonizzazione e semplifica la progettazione e la produzione del sistema. La serie Sterling LWB+ è un System-in-Package (SiP) disponibile con pin di traccia, antenna in chip integrata o connettore MHF4. I dispositivi includono anche la crittografia WPA/WPA2/WPA3. Questi moduli sono disponibili in quattro tipi di contenitore per soddisfare le esigenze di diversi progetti di sistema e requisiti applicativi (Figura 4).

Figura 4: SiP Sterling LWB+ di base (sinistra), modulo con connettore MHF (secondo da sinistra), modulo con antenna integrata (terzo da sinistra) e connettore bordo scheda (destra). (Immagine per gentile concessione di Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ include un ingresso e un'uscita digitali sicuri e ad alte prestazioni (SDIO) che supportano l'integrazione con qualsiasi sistema basato su Linux o Android. Per accelerare lo sviluppo di dispositivi IoT wireless e gateway intelligenti, i progettisti possono rivolgersi al kit di sviluppo 453-00084-K1, che include il modulo 453-00084R con connettore MHF integrato (Figura 5).

Figura 5: Questa scheda di sviluppo include il modulo Sterling LWB+ 453-00084R di Laird con un connettore MHF integrato (Immagine per gentile concessione di Laird Connectivity)

Nodi sensore wireless di livello industriale

I nodi sensore wireless sono una parte importante dell'energia intelligente e dei servizi di pubblica utilità nelle città intelligenti. Per aiutare i progettisti a gestire la complessità della progettazione, della prototipazione e del collaudo di nodi di sensori wireless avanzati, STMicroelectronics offre il kit di sviluppo e il progetto di riferimento SensorTile STEVAL-STWINKT1B. Include una scheda di espansione X-NUCLEO-SAFEA1A che supporta l'autenticazione dei dispositivi IoT e la gestione sicura dei dati, un modulo transceiver Bluetooth BLUENRG-M2SA e un microfono MEMS IMP23ABSUTR. Il microfono MEMS è destinato all'uso con il microcontroller su scheda a bassissimo consumo per l'analisi delle vibrazioni di dati di rilevamento del movimento a 9 gradi di libertà (DoF) in un ampio campo di frequenze di vibrazione da 35 Hz fino agli ultrasuoni. Include anche un accelerometro, un giroscopio, un sensore di umidità, un magnetometro e sensori di pressione e temperatura.

Il kit di sviluppo SensorTile include l'accesso a una serie di pacchetti software, librerie firmware e applicazioni cloud per accelerare lo sviluppo di sistemi completi di sensori IoT. Un modulo integrato fornisce la connettività BLE, il transceiver RS484 supporta le connessioni cablate e la scheda di espansione STEVAL-STWINWFV1 offre la connettività Wi-Fi. La scheda principale include un connettore STMod+ per l'aggiunta di schede figlie a fattore di forma compatto basate sulla famiglia di microcontroller STM32. Infine, il kit di sviluppo è composto da una batteria al litio-polimero da 480 mAh, una sonda di debug e programmazione standalone STLINK-V3MINI e una scatola di plastica (Figura 6).

Figura 6: Il kit di sviluppo SensorTile STEVAL-STWINKT1B e il progetto di riferimento includono una suite completa di sensori ambientali e il supporto di diverse opzioni di connettività. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Conclusione

È necessaria una serie di protocolli di connettività wireless per supportare le esigenze dei sistemi di energia intelligente e servizi di pubblica utilità nelle città intelligenti. Questi sistemi possono aumentare l'efficienza energetica, migliorare la sicurezza pubblica, favorire un uso più efficiente dell'acqua e dell'energia e ridurre le emissioni di CO₂ e di gas serra. Come illustrato, esiste una varietà di moduli wireless e di ambienti di sviluppo per i protocolli wireless Wi-Fi, Zigbee e Bluetooth Low Energy che possono fornire la connettività sicura e robusta necessaria per l'energia intelligente e i servizi di pubblica utilità nelle infrastrutture delle città intelligenti.