Pronti per l'illuminazione intelligente 2.0?

Introduzione: l'illuminazione intelligente può diventare ancor più intelligente?

La natura sostanzialmente digitale dell'illuminazione a LED ha potenziato notevolmente la controllabilità, consentendo di ottenere un'ampia gamma di effetti luminosi, dal dimmeraggio ai cambiamenti cromatici e al comportamento basato sulla presenza. L'illuminazione è diventata intelligente e reattiva, ma abbinandola con l'Internet delle cose (IoT), una realtà ormai emergente, è potenzialmente in grado di supportare maggiori funzionalità, a condizione di introdurre ulteriori sensori. I lampioni dotati di videocamere e sensori di prossimità o della qualità dell'aria possono ad esempio contribuire alla gestione delle città intelligenti. I sensori integrati negli impianti di illuminazione domestici possono migliorare il rilevamento dei pericoli o le chiamate di emergenza.

Occorre pertanto affrontare la questione del modo di introdurre nelle reti esistenti nuove generazioni di luci più intelligenti in modo economicamente vantaggioso. IoT è un campo in rapida evoluzione, ma i proprietari che installano oggi una nuova illuminazione a LED si aspettano di utilizzare le loro luci per un lungo periodo prima di un eventuale aggiornamento, per massimizzare il ritorno sull'investimento. Potrebbe essere il momento giusto per introdurre nuove illuminazioni più intelligenti, con interfacce per sensori versatili e aggiornabili, predisposte per sfruttare il ritmo dell'innovazione nel cloud al fine di offrire agli utilizzatori un valore ancora maggiore.

Illuminazione e IoT

Con illuminazione intelligente si indica in senso lato l'automazione della risposta delle lampade, come il dimmeraggio e il controllo on/off per il miglioramento del comfort degli utenti e il risparmio energetico. È possibile utilizzare sensori di luce ambiente (ALS) per rivelare l'intensità della luce naturale disponibile, consentendo di regolare di conseguenza la potenza delle lampade. Per fornire un'indicazione pertinente delle condizioni ambiente, tali sensori devono trovarsi vicino alle lampade, ma essere anche disposti in modo da ridurre al minimo l'esposizione alla luce delle lampade stesse, per evitare effetti spuri di dimmeraggio e intensificazione della luminosità.

Come illustrato nella Figura 1, Maxim Integrated ha mostrato in che modo inserire da progetto un sensore ALS come il modello MAX44009 nelle lampade di un impianto di illuminazione per esterni. Il sistema si basa sul microcontroller PIC18LF4520 di Microchip. L'hardware è relativamente semplice, con un normale collegamento a due fili tra MCU e sensore. Per consentire un posizionamento ottimale del sensore ALS, il progetto di riferimento prevede l'installazione su una PCB distinta.

Figura 1: Integrazione di un ALS per la creazione di un impianto di illuminazione intelligente.

Come mostrato nel diagramma di flusso della Figura 2, il software del controller dell'illuminazione intelligente misura la luce ambiente, tiene traccia dell'ora e consente di programmare soglie in lux e tempi di accensione per il mattino e la sera tramite un'interfaccia utente semplice. Tale interfaccia include un pulsante con due display a 7 segmenti e alcuni LED di indicazione. Il software del controller è disponibile in formato esadecimale nella nota applicativa AN5320 di Maxim.

Figura 2: Diagramma di flusso per il controllo software dell'illuminazione potenziata con ALS

I sensori ALS sono preziosi per il monitoraggio dell'intensità della luce ambiente nelle vicinanze delle lampade che gestiscono. D'altro canto è possibile utilizzare il rilevamento della presenza mediante sensori PIR per attivare o disattivare lampade relativamente distanti in aree quali complessi di uffici, spazi di vendita al dettaglio, settori di fabbrica e abitazioni. Come nel caso di quelli ALS, è possibile collegare i sensori PIR direttamente alle rispettive lampade. In alternativa, una serie di sensori è in grado di supportare funzioni più avanzate, come illuminare i tratti di un corridoio che una persona sta percorrendo, oppure assicurare un'illuminazione selettiva di aree di un magazzino cui il personale accede per prelevare merci in punti specifici.

I sensori di prossimità come endpoint IoT connessi al cloud

Texas Instruments ha suggerito un modo per implementare i sensori PIR come endpoint IoT connessi al cloud allo scopo di inviare dati di presenza a un'applicazione in cloud.

Il progetto di riferimento TI si basa sul microcontroller wireless SimpleLink™ CC1310 sub-1 GHz a bassissima potenza. L'amplificatore operazionale doppio LPV802 e il doppio comparatore TLV3691 scelti per il condizionamento dei segnali analogici dei sensori PIR sono dispositivi in nanopotenza selezionati per ridurre al minimo il consumo energetico complessivo e consentire al sensore di funzionare per alcuni anni in modo autonomo con una batteria a bottone. I comparatori TLV3691, utilizzati come finestre, distinguono i movimenti dal rumore e generano un interrupt per la CPU quando viene rilevato un movimento. Ciò consente all'MCU di funzionare in modalità di risparmio energetico che prolungano la durata della batteria, riattivandosi soltanto quando occorre inviare messaggi a un host remoto. La Figura 3 mostra un diagramma a blocchi funzionali del nodo del sensore.

Il microcontroller CC1310 è un dispositivo multistandard in grado di supportare vari protocolli radio, e dispone di serie di stack IEEE 802.15.4g e wM-Bus. Il progetto di riferimento utilizza un'applicazione basata sullo stack IEEE 802.15.4 per gestire l'algoritmo di rilevamento e comunicazioni sub-1 GHz fra il gateway e il nodo del sensore.

Figura 3: Progetto di riferimento TI per un sensore di movimento implementato come endpoint IoT connesso al cloud.

Ottenere di più dall'illuminazione intelligente tramite IoT

Collegando i sensori al cloud, è possibile utilizzare i loro dati in modi che vanno oltre la semplice gestione dell'illuminazione o di altri servizi, come il riscaldamento o la ventilazione. Tali dati possono trovare impiego per il monitoraggio di schemi di utilizzo, ad esempio per identificare aree o momenti in cui determinate attività sono maggiori o minori del normale. Sono possibili anche sofisticate applicazioni di protezione. Benché sia possibile utilizzare i sensori PIR per attivare direttamente un allarme anti-intrusione, un'applicazione su cloud è in grado di coordinare risposte più complesse, come l'invio di SMS di allarme al personale chiave, la marcatura temporale e la registrazione dell'intrusione, seguiti dall'esecuzione di un blocco controllato.

Tale impiego potenziato dei dati associati a un'illuminazione intelligente è in grado di supportare un'ampia gamma di scenari di illuminazione. Gli alloggiamenti delle luci possono rappresentare un punto ideale in cui collocare i sensori, in quanto vengono di solito montati sopra l'area in cui si svolgono le attività e offrono un campo visivo ampio e senza ostacoli. I sensori di visione come le videocamere CMOS possono inoltre giovarsi della luce delle lampade per acquisire immagini di alta qualità.

Un'illuminazione ricca di sensori può trovare applicazioni al chiuso come all'aperto. In una città intelligente, i lampioni possono monitorare il flusso del traffico e l'uso delle strade. Le applicazioni su cloud sono in grado di estrarre informazioni preziose sull'effetto dei lavori stradali e le variazioni delle sequenze dei semafori, nonché coordinare lo spegnimento dei lampioni per ottimizzare i risparmi energetici senza compromettere la sicurezza dei cittadini. I lampioni sono inoltre un punto ideale in cui installare videocamere o sensori per il rilevamento dei veicoli allo scopo di monitorare le aree di parcheggio controllate e guidare il personale di sorveglianza. Le informazioni sui parcheggi possono a loro volta essere fornite come un servizio ai conducenti, aiutandoli a trovare gli spazi disponibili per ridurre la congestione ed evitare inutili emissioni di scarico.

Un'illuminazione intelligente e connessa può inoltre essere collegata con sensori situati in abitazioni e luoghi di lavoro per fornire indicazioni visive supplementari in caso di emergenza. Tale applicazione può rivelarsi utile per le persone con difficoltà uditive, oppure per segnalare a chi si trova all'esterno di un edificio l'eventuale necessità di un aiuto.

Uso dei dati

Nelle città intelligenti, la manutenzione delle lampade può risultare difficile da gestire e costosa da eseguire. Una volta connessa a IoT, una lampada equipaggiata in modo da poter rivelare le proprie eventuali avarie è in grado di informare immediatamente l'ente incaricato della manutenzione della necessità di un intervento di sostituzione o riparazione. È possibile progettare sensori che rivelino altri guasti, come la presenza di un'ottica spezzata o sporca che necessita di un intervento di sostituzione o di pulizia.

I dati raccolti tramite un'illuminazione intelligente possono fornire alle società che gestiscono reti di erogazione informazioni preziose a supporto della pianificazione dei servizi e dell'identificazione delle fasce orarie di picco della domanda. I dati relativi al consumo energetico possono inoltre essere utili agli enti pubblici per le analisi relative all'energia.

Tutti gli impianti di illuminazione dovrebbero essere predisposti per IoT?

Sono state suggerite numerose opportunità di integrazione di vari tipi di sensori in dispositivi di illuminazione avanzati, ed è possibile che in futuro ne emergano altre a seguito della costante espansione della potenza e della portata di IoT. È facile prevedere un futuro in cui potrebbe rendersi necessario l'aggiornamento con sensori supplementari di un numero molto elevato di lampade.

Secondo il gruppo IoT-Ready™ Alliance, i tempi sono maturi per la definizione di interfacce per sensori standardizzate che rendano l'aggiornamento il più agevole possibile. Tale gruppo sostiene che le lampade a LED attualmente in via di installazione sono progettate per offrire in media una durata di circa 15 anni, mentre la tecnologia IoT sta compiendo rapidi progressi e stimolerà la domanda di ripetuti aggiornamenti nel corso della vita utile tipica dei sistemi di illuminazione a LED. Il gruppo in questione afferma che sostituire interi impianti per aggiungere nuove funzioni connesse a IoT sarà antieconomico e comporterà spese inutili. Predisponendo le nuove lampade a LED per l'integrazione con l'IoT permetterà di evitare tali spese. L'obiettivo del gruppo IoT-Ready™ Alliance consiste nel definire mezzi economici e a basso impatto per la sostituzione dei sensori, che consentano di aggiungere o aggiornare questi ultimi con facilità. A tale scopo il gruppo intende definire interfacce elettriche, connettori e fattori di forma meccanici.

Resta da vedere se tale iniziativa troverà riscontro fra i principali fornitori e progettisti di sistemi di illuminazione. Alcune aziende, d'altro canto, potrebbero decidere di fare da sé, sviluppando una soluzione brevettata, e successivamente di esercitare pressioni per trasformare la propria specifica in uno standard di fatto. In entrambi i casi, qualora inizino a fare il loro ingresso nel mercato nuove lampade ricche di sensori e facilmente collegabili al cloud è possibile che sia imminente un aggiornamento del significato attribuito nel settore al termine "illuminazione intelligente".

Conclusione

Come molte novità e innovazioni, l'illuminazione intelligente offre vantaggi incredibili nell'immediato, ma le sue capacità potrebbero evolvere in misura considerevole, offrendo vantaggi ancora maggiori in futuro. Poiché la tecnologia IoT progredisce rapidamente, il settore dell'illuminazione deve agire senza indugi per tenere il passo.