Internet delle cose sta cambiando il modo in cui i sistemi basati su sensori vengono progettati e implementati.

La pressione verso l'eliminazione dei combustibili fossili può assomigliare alla lotta dei salmoni contro la corrente nella loro risalita dei fiumi. Motivazioni di carattere economico, ad esempio il costo dei pannelli solari, i controller di ricarica e le batterie, hanno tenuto molti lontano dalla decisione di uscire dalla rete, o almeno di ridurre quanto più possibile l'impronta ecologica. Tuttavia, la tecnologia potrebbe ben presto soccorrere chi tenta di risalire la corrente. L'uso di inverter collegati alla rete ad esempio consente a un pannello solare di riversare l'energia prodotta nella griglia senza passare per le batterie, i controller di ricarica o dover ricablare gli impianti. Inoltre, lo sviluppo di Internet delle cose (IoT) oggi permette di monitorare le prestazioni dei pannelli solari da qualsiasi ubicazione del mondo.

In questo articolo esamineremo la modalità con cui Internet delle cose sta cambiando la progettazione e l'implementazione di sensori e sistemi che si affidano ai sensori. La capacità di implementare e condividere sensori distribuiti a basso costo permette un livello più granulare di controllo e può diventare parte di una soluzione della società per migliorare l'efficienza energetica. Tutte le tecnologie e le parti citate in questo articolo sono reperibili online nel sito Web DigiKey.

Connettività cloud

Per molti decenni i produttori e distributori di energia si sono avvalsi di sistemi chiusi per monitorare lo stato e controllare gli impianti. Attraverso collegamenti wireless dedicati, linee telefoniche o cablaggio infrastrutturale, i centri nodali e le stazioni di commutazione e rilevazione remote erano reti o sistemi chiusi. Il lato positivo era che qualsiasi tentativo di effrazione o pirateria doveva essere effettuato sul posto, collegandosi o interrompendo fisicamente un cablaggio o i collegamenti di comunicazione.

Ma oggi, Internet delle cose e la connettività cloud stanno cambiando questa realtà molto rapidamente. Le raffinerie di petrolio, di gas naturale e liquido, i siti di stoccaggio, i sistemi di conferimento e le stazioni di commutazione (così come le rispettive funzioni di monitoraggio e controllo) si stanno tutte spostando verso una connettività totale in ambiente cloud. In modo simile, i sistemi domestici basati su cloud possono offrire vantaggi come il controllo remoto. Ora, attraverso l'uso di uno smartphone o di un tablet, è possibile accedere ai sistemi chiave domestici o degli impianti per la lettura di informazioni dei sensori, risparmiare energia, preparare l'ambiente per l'arrivo della presenza umana, o spegnere i servizi quando non servono.

L'esempio più diffuso è il termostato controllato da lontano. Un semplice sensore di temperatura collegato a un microcontroller e a una rete di comunicazione ha il potenziale di ridurre l'energia consumata per il riscaldamento e il condizionamento, che sono due delle utenze più energivore a livello domestico.

Mentre gli algoritmi di apprendimento possono tentare di anticipare le impostazioni per creare un funzionamento più autonomo, il beneficio reale è dato dalla possibilità di controllare la temperatura da qualsiasi posto. Ad esempio, il comportamento appreso può indicare che in questa fine settimana, a questa ora, la temperatura dovrebbe essere aumentata da 16 a 18 gradi, in previsione dell'arrivo di persone, ma si sa già che questa settimana non si andrà nella casa di vacanza, quindi un semplice comando di esclusione può mantenere la temperatura a 16 gradi, risparmiando più energia in una notte che grazie a tutte le lampadine a basso consumo della casa.

Esempio di soluzione progettuale

Uno dei principali vantaggi della connettività in stile IoT è la capacità di collegare sensori e sistemi diversi o ridondanti per condividere funzionalità. Ad esempio, i sistemi di sicurezza possono usare sensori a infrarossi piroelettrici (PIR) e/o rilevatori di movimento basati su microonde per far scattare un allarme quando si verifica un movimento. Tipicamente un sistema di allarme è un anello chiuso e una zona chiusa in se stessa (Figura 1).

Figura 1: I sistemi indipendenti offrono una funzionalità limitata e spesso comportano costi supplementari per l'hardware ridondante.

Tuttavia, quando i sensori chiave possono essere condivisi per mezzo della connettività con altri sistemi che possono avere funzioni primarie completamente diverse, si può ottenere un livello superiore di autonomia e risparmio energetico senza sacrificare prestazioni o funzionalità. Due o più sistemi indipendenti possono condividere un sensore eliminando di fatto la ridondanza e riducendo i costi di conseguenza. Vediamo ad esempio un sistema che consente la condivisione di un singolo sensore con altri sistemi (Figura 2).

Figura 2: La connettività tra sistemi non correlati offre un nuovo livello di capacità che nessuno dei singoli sistemi poteva dare prima. Ciò può cambiare l'approccio di architettura ai progetti di controllo e all'IoT distribuito dei sensori.

Nel nostro esempio, un rilevatore di movimento per una luce di sicurezza non si occupa più di pilotare e controllare la luce stessa, il cui comportamento è invece monitorato da un microcontroller. Il collegamento on/off della luce non è più solo un "acceso-spento". La luce viene controllata da un dimmer basato su microcontroller.

Una tecnica di programmazione basata su un algoritmo stile IA lega le funzioni di questa soluzione. Come parte di un livello superiore di consapevolezza, l'installazione "conosce" certe cose. Sa se è giorno o notte. Sa se l'ambiente è scuro o illuminato. Sa se la stanza è occupata o meno. Ci sono due altri stati importanti: la casa sa se è in modalità sicurezza o meno (ovvero se l'allarme è armato) e sa se le persone sono sveglie o stanno dormendo.

Un approccio di tipo simile alla tavola della verità può determinare quale azione intraprendere (Figura 3). Ciò evita il consumo di energia in modo inefficiente durante il giorno e permette di risparmiarne anche in altri modi.

Figura 3: Come per i problemi di logica progettuale, la soluzione multiuscita verso una serie di sensori distribuiti e condivisi può essere ridotta alla funzionalità basata su una tavola della verità. Un sistema può conoscere le ore diurne e notturne come parte di un algoritmo programmato, di conseguenza le asserzioni basate su regole richiedono informazioni su giorno e notte per poter agire appropriatamente.

Anche se una lampada di sicurezza può consumare 150 watt, non è un buon motivo per farglielo fare. Il funzionamento al 30% di intensità, ad esempio, può comunque illuminare un'area a sufficienza a fini di sicurezza. Se la modalità sicurezza è attiva, un passaggio al 60% è sufficiente a far capire a un intruso che è stato individuato. Il sistema di allarme può essere messo anche in stato di allerta superiore e magari avviare un registratore video per un certo lasso di tempo. La condivisione dei dati del sensore permette un risparmio energetico cumulativo oltre che la capacità di migliorare le prestazioni di altri sistemi.

È importante, quando parliamo di IoT e connettività cloud. Consente al sistema di "pensare" a un livello più alto e si farà notare dall'interessato solo se vi è qualcosa di reale da affrontare. Questo approccio inoltre consente a un residente di interagire con il suo ambiente a un livello più alto, pur confidando in una tecnologia incapsulata che riduce la domanda generale di energia.

È interessante notare che l'aspettativa intuitiva può essere superata dai dati del sensore. Ad esempio, se un edificio sa l'ora dell'alba e quella del tramonto grazie a un algoritmo di alternanza giorno/notte programmato, ciò non significa che può usare questi dati per risparmiare energia in modo più efficiente. Invece, sensori di luce ambiente come APDS-9008-020 di Avago possono individuare in modo più preciso la soglia di oscurità per evitare di accendere le luci se non sono effettivamente necessarie. Abbinato a preamplificatori PIR come BD9251FV-E2 di ROHM e a chip controller PIR come NCS36000DRG di ON Semiconductor, praticamente qualsiasi microcontroller RF a basso costo, come CC3200R1M1RGCR di TI può essere una soluzione ideale per la nuova generazione di sensori di gestione energetica basati su IoT.

Come per le fabbriche, anche case e appartamenti un giorno potrebbero funzionare con incentivi per non superare mai i carichi della domanda di picco. Ciò consente alle utility che generano e distribuiscono energia di avere carichi più prevedibili dato che i clienti si prendono la responsabilità del controllo del carico in tempo reale; quando in un qualsiasi momento le industrie, gli edifici pubblici o anche le case usano più energia della soglia prestabilita, le tariffe energetiche aumentano.

La possibilità di accedere a informazioni chiave come il consumo di corrente in tempo reale permette ai controlli di spegnere i carichi e lavorare con altri sistemi per risparmiare energia senza sacrificare servizi e prestazioni. Come abbiamo visto in questo articolo, la metodologia di progettazione, i sensori e la tecnologia di comunicazione sono tutti già disponibili per i progettisti che vogliono implementarli.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.