Città sempre più intelligenti grazie ai semiconduttori

Succede ogni minuto, da qualche parte, in qualche modo. Un incidente in autostrada. Il traffico si ferma e si formano lunghe code. Le ambulanze e le auto della polizia passano lentamente fra colonne di auto ferme. Le automobili aspettano e la frustrazione dei conducenti aumenta. Ma cosa succederebbe se vi fossero delle telecamere sui lampioni lungo la strada o dei droni in volo sopra di essa, che potessero rilevare gli incidenti nel momento in cui accadono, trasmettendo immediatamente tali informazioni ai servizi di emergenza e ai centri di controllo del traffico? I veicoli di emergenza verrebbero mandati immediatamente. Nel frattempo, i cartelli stradali segnalerebbero le corsie chiuse e i percorsi alternativi su altre strade, sulle quali la temporizzazione dei semafori verrebbe modificata per gestire l’aumento del flusso di traffico. I sensori radar potrebbero rilevare le corsie con il traffico bloccato, mentre le auto, comunicando con l’infrastruttura stradale, verrebbero mandate automaticamente su nuovi percorsi per mantenere tutti in movimento. La polizia e l’assistenza medica arriverebbero rapidamente sulla scena dell’incidente per liberare la strada e assistere le vittime, risparmiando tempo prezioso che andrebbe perso se i tempi di risposta fossero più lenti. Questo scenario illustra solo una delle caratteristiche della città intelligente, un’area metropolitana che si basa su una rete di tecnologie elettroniche senza soluzione di continuità per renderla sicura, pulita ed efficiente. Le città dispongono già di reti per il controllo del traffico, per i servizi cittadini, per l’energia elettrica, per le comunicazioni e per diversi altri scopi. La visione della città intelligente è di integrare tali reti e potenziarle per aiutare la città a funzionare in modo fluido, risparmiando denaro ed energia. Oltre a controllare operazioni di servizio quotidiano come il flusso del traffico, il consumo di acqua e la gestione dei rifiuti, le reti delle città intelligenti regoleranno la produzione e lo stoccaggio di energia locale e acquisiranno dati in continuo per migliorare l’utilizzo dell’energia e la gestione di inquinamento, criminalità ed emergenze.
Oggi le città in alcune parti del mondo vengono progettate con funzioni della città intelligente. Le aree metropolitane già insediate, inoltre, stanno aggiungendo rapidamente maggiori funzionalità di rilevamento, comunicazione ed elaborazione alle reti già esistenti, estendendo questa intelligenza per includere nuovi servizi. Come le case, le fabbriche e le automobili intelligenti, anche le città intelligenti fanno la loro comparsa in modo incrementale e, nella pratica, aumenteranno le comunicazioni con edifici e veicoli intelligenti per raccogliere dati e funzionare in modo più efficace. Texas Instruments offre tecnologie innovative per favorire l’evoluzione delle città intelligenti, sostenendo ogni fase della catena del segnale, compresi il rilevamento, il condizionamento del segnale, l’elaborazione di controllo e le comunicazioni. A mano a mano che le città diventano sempre più intelligenti, queste tecnologie svolgono un ruolo prezioso nel soddisfare requisiti sempre più ricercati e per creare funzionalità precedentemente ritenute impossibili.

Servizi per città intelligenti

Il numero di applicazioni per agevolare i servizi comunali è potenzialmente senza fine, ma alcuni tipi di servizi sono spesso citati nelle discussioni sulle città intelligenti. Alcuni di questi sono la pianificazione, il controllo del traffico, i parcheggi, la produzione e la distribuzione di elettricità, l’utilizzo di energia, la manutenzione delle aree pubbliche, la gestione dell’acqua e dei rifiuti, nonché la pubblica sicurezza.

• Pianificazione - Secondo un rapporto delle Nazioni Unite, nel 2014 esistevano 28 megalopoli in tutto il mondo, ciascuna con più di 10 milioni di residenti. Entro il 2030, si prevede che il numero di megalopoli salga a 41. Con la continua crescita delle città, è fondamentale una pianificazione accurata. I dati raccolti da ciascuna delle aree sopra menzionate e altre ancora possono aiutare i cittadini e i loro rappresentanti a prepararsi alle esigenze future delle loro città.
• Traffico - Lo scenario sopra descritto illustra diversi usi della tecnologia per aiutare a mantenere il traffico in movimento: telecamere e sensori in posizioni chiave lungo le strade come lampioni, cartelli, ponti e droni per il traffico; reti cablate e wireless che trasmettono informazioni da questi nodi di ingresso ai gateway e da questi ai centri di controllo Internet su Cloud e comunali; comunicazione con servizi di emergenza, veicoli, segnali elettronici, semafori, barriere attive del traffico e così via. A mano a mano che le auto diventeranno più intelligenti e, in definitiva, autonome o a guida automatica, esse comunicheranno con la strada per conoscere le condizioni davanti ad esse e i percorsi alternativi. Le autostrade potranno alla fine assumere il controllo di veicoli automatizzati in modalità wireless per mantenere il traffico scorrevole e sicuro. In corrispondenza degli incroci e in aree affollate, i sistemi di monitoraggio del traffico potrebbero gestire i veicoli. Ad esempio, questi sistemi potrebbero fornire a un’auto le istruzioni per una deviazione o per fermarsi in modo da evitare un pedone disattento che stia attraversando la strada guardando il display del telefono.
• Parcheggio e ricarica - Uno dei principali grattacapi alla guida può essere trovare un parcheggio. I parcheggi intelligenti con sensori radar consentono di individuare i posti liberi e dirigere i veicoli in arrivo negli spazi non occupati, anche prenotando i posti via rete prima ancora che le auto arrivino nel parcheggio. A mano a mano che i veicoli elettrici diventeranno sempre più diffusi, alcuni parcheggi copriranno la ricarica della batteria di tipo plugin o wireless con la possibilità di prenotazione e pagamento via rete. Le foto di auto robotizzate, che passeranno la giornata a raccogliere e consegnare passeggeri, potranno tornare nei parcheggi con ricarica wireless tra un viaggio e l’altro per ricaricare le batterie.
• Energia elettrica - Con l’avvento delle fonti energetiche alternative, la produzione di elettricità sta diventando rapidamente sempre più distribuita. Case ed edifici commerciali con pannelli solari hanno spesso la possibilità di vendere alla rete elettrica la produzione in eccesso. Il costo delle batterie sta scendendo gradualmente, promuovendo lo stoccaggio locale sia di tipo stazionario sia mobile. Tutte queste fonti di raccolta e stoccaggio dell’energia richiedono la conversione e la gestione dell’energia elettrica. Al tempo stesso, la maggiore complessità del quadro complessivo di raccolta e distribuzione dell’energia richiede una gestione raffinata su un’area estesa. Alcuni vantaggi saranno un minor numero di blackout e brownout, poiché le fonti di energia locali possono aiutare a compensare le interruzioni nella fornitura di elettricità dalle centrali principali. Mentre le società elettriche saranno responsabili dell’installazione e del funzionamento della maggior parte di queste applicazioni, le autorità locali forniranno un contributo significativo in qualità di regolatori e clienti influenti.
• Efficienza energetica - Oltre alla produzione di energia elettrica, è necessario controllarne anche l’utilizzo. La rete elettrica esegue il monitoraggio dei dispositivi e acquisisce i dati per facilitare l’ottimizzazione dell’impiego di energia in modo continuo sull’intera area metropolitana. Gli edifici pubblici e privati ne trarranno beneficio, attraverso misure che includono non soltanto il riscaldamento, il raffrescamento e l’illuminazione efficienti degli edifici, ma anche altri tipi di applicazioni. I lampioni, ad esempio, potrebbero essere programmati per regolare l’illuminazione a seconda del tempo, del flusso del traffico, della luce ambientale e delle condizioni atmosferiche. Inoltre, potrebbero prevedere e segnalare problematiche di manutenzione, così come potrebbero farlo i semafori e altri tipi di sistemi elettrici.
• Manutenzione dell’infrastruttura - Le città in ogni parte del mondo devono provvedere alla manutenzione di grandi quantità di strutture pubbliche, come ponti, superfici stradali ed edifici. I sensori elettronici che eseguono il monitoraggio di vibrazioni e inviano rapporti in wireless alla rete cittadina possono aiutare i tecnici della manutenzione a prevedere i guasti per fatica e disporre riparazioni tempestive. Le telecamere in rete possono segnalare le condizioni degli spazi aperti come parchi e piazze, aiutando le autorità comunali a sfruttare il proprio budget per mantenere pulite e sicure le aree pubbliche e pianificarne l’utilizzo e l’espansione. Lo stesso tipo di monitoraggio può aiutare le verifiche di strutture private da parte delle autorità cittadine e fornire informazioni preziose in merito a normative costruttive necessarie oppure obsolete.
• Acqua, rifiuti, inquinamento - L’acqua dolce è sempre più scarsa in alcune aree, mentre al tempo stesso i rifiuti stanno diventando troppo abbondanti. L’uso obbligatorio di rilevatori per il monitoraggio e il controllo dell’uso dell’acqua da parte degli irroratori continuerà ad aumentare, con l’aiuto di intelligenze che decidano quanta acqua possa essere utilizzata, a seconda della disponibilità. I servizi di ritiro dei rifiuti potrebbero basarsi su sensori che segnalino il luogo e il momento in cui i rifiuti devono essere ritirati, sulla base del contenuto o del livello di riempimento dei cassonetti, contribuendo a rendere il processo più efficiente. Il rilevamento e il controllo dell’inquinamento, già a livelli critici, lo saranno sempre di più con la crescita dirompente delle aree metropolitane da milioni a decine di milioni di abitanti.
• Sicurezza - Praticamente tutti i servizi della città influenzano in qualche modo la sicurezza dei residenti e dei pendolari. Attraverso i controlli del traffico, l’illuminazione stradale, le telecamere di sicurezza nelle aree pubbliche, il monitoraggio delle infrastrutture per la manutenzione e anche il controllo di servizi come energia elettrica, acqua e rifiuti, la città intelligente utilizza la tecnologia per aumentare la sicurezza e il comfort di coloro che la abitano.

Requisiti tecnici delle città intelligenti

Sotto molti punti di vista, le città intelligenti dipendono dall’Internet of Things  applicato su una scala cittadina. In pratica, una quantità innumerevole di sensori e di piccoli sistemi comunica costantemente attraverso gateway e il Cloud su Internet con centri di controllo metropolitani per far funzionare correttamente i servizi della città. Come nel caso dell’IoT, la tecnologia richiesta per i singoli nodi di rilevamento delle città intelligenti deve essere miniaturizzata e conveniente, oltre a consumare pochissima energia durante il funzionamento. Ancora più a monte rispetto ai nodi, nei gateway e soprattutto nei centri di controllo e sul Cloud, diventano sempre più importanti la disponibilità di alte prestazioni, l’elevata larghezza di banda e il funzionamento multicanale. I produttori di apparecchiature per città intelligenti e le autorità municipali che sono i loro clienti dovranno cercare soluzioni elettroniche scalabili che soddisfino tali requisiti. I sensori in remoto hanno normalmente dimensioni ridotte e non possono essere sottoposti a manutenzione regolare per cambiarne la batteria. La complessità dei sensori è variabile, ma un dato sensore potrebbe combinare uno o più elementi di rilevamento della temperatura, luce solare, radar, lidar o rilevamento chimico, insieme alla conversione analogico-digitale e all’amplificazione del segnale, all’elaborazione locale, a un’interfaccia di comunicazione, alla trasmissione wireless e alla gestione di batteria e alimentazione. Queste funzioni devono rientrare nello spazio di un bottone da applicare a un palo, una trave, una parete o altre strutture in cui il sensore possa svolgere la sua funzione per anni senza interruzioni o guasti. Per raggiungere questi obiettivi, i sensori si basano su circuiti integrati a bassissima potenza che prolungano l’autonomia della batteria o consentono l’utilizzo di energia raccolta dalle condizioni ambientali, come la luce solare o le vibrazioni. Un sensore, ad esempio, potrebbe risvegliarsi per breve tempo per eseguire un rilevamento, digitalizzare gli input e comunicare i dati, per poi tornare dormiente per secondi oppure ore prima di ripetere il ciclo. Le comunicazioni potrebbero aver luogo a bit rate molto bassi per risparmiare energia. Poiché questi sensori si trovano spesso in posizioni poco accessibili, la comunicazione wireless svolge un ruolo fondamentale per consentire un’ampia diffusione della rete di sensori, sostenendo l’esigenza di tecnologie stabili con requisiti di alimentazione ridotti e ottimizzati. Le videocamere digitali producono un grande flusso di dati, rendendo particolarmente importanti le tecniche di riduzione della larghezza di banda e della potenza. Le telecamere possono svegliarsi a intervalli o solo quando viene rilevato un movimento. Le immagini possono essere scansionate all’interno dell’unità alla ricerca di oggetti interessanti, consentendo di selezionare solo le informazioni più essenziali per la trasmissione. Tecniche di compressione avanzate consentono di ridurre al minimo la larghezza di banda necessaria per la comunicazione. Il riconoscimento degli oggetti e la compressione sono resi possibili da processori video con accelerazione per l’elaborazione di segnali ad alta velocità. I gateway che aggregano i dati trasmessi da più nodi di sensori e fotocamere sono sottoposti a processi intensi. Queste unità richiedono microprocessori ad alte prestazioni per valutare i dati ricevuti dai nodi e stabilire se agire localmente. Ad esempio, un gateway che controlla parte di una superstrada potrebbe avere bisogno di cambiare le corsie di marcia, oltre a caricare i dati combinati attraverso il Cloud sul centro di controllo del traffico. Anche se i gateway sono normalmente alimentati da linea elettrica, essi continuano a beneficiare di un’elettronica a bassa potenza, che consente loro di eseguire più funzioni in uno spazio di minori dimensioni senza generare calore eccessivo. I gateway possono anche richiedere comunicazioni ad alta velocità e multicanali per tenersi in contatto con nodi e centri di controllo a livello superiore. I centri di controllo stessi richiedono comunicazioni ed elaborazioni ancora più intense dai dispositivi su circuito integrato più performanti. I centri di controllo, e il Cloud in generale, richiedono soluzioni facili da programmare e scalabili per supportare le mutevoli esigenze dei servizi della città. Tali soluzioni includono microprocessori multicore con hardware dedicati alle principali attività di elaborazione del segnale, interfacce di comunicazione flessibili e una gestione efficiente dell’energia. Infine, tutti i sistemi, dai sensori più piccoli alle strutture di produzione di energia solare di edifici, richiedono funzioni di gestione dell’energia per l’alimentazione dell’energia elettrica necessaria al funzionamento e per utilizzare efficacemente l’energia.

Soluzioni per le reti di città intelligenti

Data la grande varietà di requisiti tecnici delle città intelligenti, i fornitori di soluzioni devono disporre di una gamma di tecnologie di produzione e progettazione in grado di scalare in base alle esigenze di diverse applicazioni. Texas Instruments, con un’ampia gamma di prodotti analogici e a segnale misto, oltre ai dispositivi di elaborazione del segnale e ai microcontrollori ad alte prestazioni, offre proposte innovative su tutta la catena del segnale, inclusi rilevamento, condizionamento del segnale, elaborazione e comunicazioni. La tecnologia TI consente continui progressi nei settori del basso consumo energetico e delle prestazioni elevate, nonché l’integrazione di diverse funzioni per la miniaturizzazione e la convenienza. Alcune delle tecnologie chiave offerte da TI per le città intelligenti includono:

• Sensori - I sensori TI raccolgono dati che coprono un’ampia gamma di condizioni. I sensori contengono elementi di rilevamento, condizionamento del segnale e comunicazioni, a cui molti di essi aggiungono l’elaborazione, a seconda dei requisiti. Alcuni esempi altamente integrati sono le gamme di recente presentazione IWR1x e AWR1x di sensori radar a onde millimetriche, che forniscono un’accuratezza di rilevamento fino a tre volte maggiore rispetto alle precedenti soluzioni mmWave disponibili. I dispositivi a chip singolo combinano tecnologie di rilevamento, condizionamento del segnale e comunicazione dati: un esempio è il condizionatore di sensore programmabile PGA900. Il radar mmWave più i microcontrollori a core singolo o multiplo e i processori di segnali digitali consentono ai progettisti di implementare il rilevamento intelligente e senza contatto per aiutare i veicoli a interagire ed evitare altre auto, persone o oggetti sulla strada.
• Condizionamento del segnale - La competenza di TI nel campo analogico e la fabbricazione avanzata consentono di offrire una delle gamme più avanzate di funzioni di condizionamento a bassa potenza disponibili. Tra le soluzioni per il condizionamento del sensore si trova la famiglia LPV81x, il primo op amp nanopower di precisione per applicazioni a bassa potenza del settore.
• Rilevamento di controllo a bassa potenza - La piattaforma MSP430 offre progressi in termini di prestazioni, integrazione e facilità di progettazione, che ben si adattano ad applicazioni di rilevamento e misurazione per città intelligenti. L’esclusivo modulo Low-Energy Accelerator nelle Mcu MSP430FR5994 consente agli utenti di impiegare funzioni Dsp complesse senza programmazione Dsp, aumentando di 40 volte le prestazioni di questi algoritmi.
• Calcolo ad alte prestazioni - Per i sistemi avanzati come i gateway, i relè di protezione di reti intelligenti e il Cloud, TI offre la famiglia di processori Sitara per soddisfare una serie di requisiti per le città intelligenti. Basati su core Arm Cortex-A, questi processori scalabili offrono periferiche flessibili, connettività, supporto software unificato e opzioni di sicurezza.
• Video - Per tenere il passo con un elevato flusso di dati, le videocamere dipendono da un veloce condizionamento dei segnali e da processori video ad alte prestazioni. La leadership di TI nel campo delle funzioni analogiche e della tecnologia Dsp consente all’azienda di fornire soluzioni video avanzate.
• Protezione - TI offre opzioni per l’isolamento rinforzato integrato nella propria gamma per l’alimentazione e altro. I componenti utilizzati per l’implementazione di soluzioni protette e affidabili includono, ad esempio, il condizionatore di segnali ADC8688 a 8 canali, con risoluzione a 16 bit, un’elevata frequenza di campionamento e un’ampia gamma di input, che viene utilizzato in reti distribuite, tra le altre applicazioni.