Automazione e controllo remoto sono gli elementi alla base dell’evoluzione dei contatori delle utenze di acqua, gas ed elettricità. Uno sviluppo in tal senso è incoraggiato sia dai produttori di contatori sia dalle società che si occupano di distribuzione dell’energia e supportato dagli enti governativi che riconoscono i vantaggi della lettura e della gestione remota della rete di distribuzione. I nuovi contatori intelligenti devono avere un protocollo di comunicazione sicuro e affidabile al fine di gestire installazioni anche in ambienti ostili. Essi devono essere protetti contro l’umidità, disporre di tasti antivandalo, oltre a un display ed encoder per rilevare la posizione della valvola solenoide o dei sensori rotativi che forniscono la posizione angolare. Tasti, display ed encoder devono essere protetti contro fenomeni di manomissione. Spesso è richiesta la registrazione di eventi per alcuni mesi per garantire la copertura di periodi duranti cui non viene effettuata alcuna comunicazione con il punto di acceso. Un altro requisito riguarda il programma di misurazione, che deve continuare a funzionare anche mentre si sta procedendo all’aggiornamento del firmware e garantire un certo livello di sicurezza. Il consumo di energia complessivo deve essere molto ridotto anche in considerazione del fatto che, nel caso di contatori di gas infiammabili, è obbligatorio il ricorso all’alimentazione mediante batteria.
Il protocollo radio
In particolare, nel caso dei contatori per uso domestico, la soluzione più idonea dovrebbe usare la comunicazione a radiofrequenza. Tra i parametri più importanti si possono segnalare:
- efficienza energetica al fine di garantire una lunga durata delle batterie e limitare le uscite degli operatori;
- affidabilità e sicurezza dei dati, in quanto l’integrità delle informazioni è un requisito di fondamentale importanza;
- gli aspetti relativi alla sicurezza devono essere gestiti da algoritmi di cifratura complessi e, fatto questo ancora più importante, la gestione e la distribuzione delle chiavi di codifica deve essere conformi a requisiti definiti dalle aziende fornitrici di questi servizi;
- la rete deve essere configurarsi automaticamente e riconfigurarsi in base all’evoluzione dell’ambiente in cui si trova a operare. Ciò in relazione al fatto che col tempo le condizioni ambientali possono modificarsi. Si pensi ad esempio a due edifici in comunicazione radio tra di loro: nel momento in cui tra i due viene costruito un terzo edificio, il collegamento si blocca. Una rete flessibile in grado di evolvere e di auto configurarsi rappresenta la soluzione ideale per risolvere questo problema;
- le operazioni di installazione e manutenzione devono essere semplificate al massimo. Le reti Amr (Automatic Meter Reading) devono avere un gran numero di nodi, ragion per cui risultano piuttosto complesse. Gli “smart meter” della prossima generazione richiedono che la rete sia gestita dal protocollo, il quale deve essere in grado di prevedere tutti i possibili scenari garantendo nel contempo la massima flessibilità. All’operatore devono essere lasciate solamente le operazioni di posizionamento e di avviamento del nodo misuratore
- il protocollo non deve essere proprietario ma aperto, al fine di evitare le problematiche legate alla mancata competizione tra i potenziali fornitori; il protocollo deve essere certificabile e garantire l’interoperabilità tra i dispositivi dei vari produttori.
Il protocollo ZigBee
Un candidato ideale, in grado di soddisfare tutti i requisiti, è ZigBee, che negli Usa è già stato scelto come standard per le smart grid. ZigBee ha una struttura a stack ed è basato su Ieee 80215.4: esso opera nella banda a 2,4 GHz su scala mondiale, mentre sono previste altre bande (inferiori al GHz) in differenti aree geografiche. Nelle applicazioni di metering, specialmente quelle all’esterno, è consigliabile avere un ampio range di trasmissione e un certo grado di immunità nei confronti di possibili sorgenti di attenuazione (cemento armato, umidità, sovraccarico della banda radio). Per questa ragione, una soluzione che opera a una frequenza inferiore al GHz è la più idonea. La frequenza di 868 MHz è meno soggetta ai problemi di interferenza connessi alla presenza di percorsi multipli (le principali cause possono essere ricondotte alla diffrazione e alla riflessione). Tale frequenza, inoltre, non è soggetta, al contrario della frequenza di 2,4 GHz, all’attenuazione naturale provocata dall’acqua (sotto forma di neve, pioggia, nebbia) ed evidenzia un’attenuazione decisamente migliore nello spazio libero (l’attenuazione nello spazio libero decresce con il quadrato della lunghezza d’onda). La possibilità di utilizzare i transceiver delle ultime generazioni aumenta la possibilità di estendere la portata punto punto, con conseguente riduzione della complessità della rete, resa possibile dalla diminuzione dei nodi con funzioni di istradamento. Il transceiver AT86RF212 di Atmel è un dispositivo conforme a Ieee 802.15.4 caratterizzato da un “link budget” (bilancio di collegamento) massimo di 120 dBm. L’installazione di contatori elettrici in Paesi come Italia, Spagna, Gran Bretagna e è un’operazione complessa. Ciò è imputabile al fatto che tali dispositivi devono spesso essere ubicati in luoghi che non permettono di ottenere collegamenti punto-punto o di utilizzare bridge per aumentare la distanza. In situazione di questi tipo è importante utilizzare reti mesh. L’abbinamento tra un protocollo di meshing maturo e affidabile unitamente all’affidabilità di un collegamento operante a una frequenza inferiore al GHz rende questa soluzione ideale in un gran numero di applicazioni reali.
Transceiver ZigBee
al di sotto del GHz per sistemi ATMR
L’ampio catalogo Atmel comprendee sia transceiver a 2,4 GHz (AT86F231) sia transceiver operanti a frequenze inferiori al GHz (come appunto AT86RF212). Tutti questi componenti garantiscono, oltre a elevati livelli di sensibilità e di potenza di uscita, consumi molto ridotti. I package e i rispettivi pinout sono identici e non esistono differenze nel protocollo ZigBee. I transceiver richiedono una Mcu a basso consumo corredata da ampie risorse di memoria. Sono disponibili soluzioni embedded, anche se una coppia di transceiver abbinata a una Mcu esterna garantisce una maggiore flessibilità. AVR Xmega è una famiglia di microcontrollori formata da modelli perfettamente compatibili in termini di pinout e di software, disponibili con capacità di memoria comprese tra 16 e 384 kB di flash e 32 kB di Ram. La memoria di programma di Xmega dispone di una sessione di 8 Kb aggiuntivi che, oltre a essere usata come “bootloader” (ovvero per il caricamento del sistema operativo e l’avvio), può essere usata per far girare un programma di misurazione quando la macchina sta aggiornando il firmware. A ciò è possibile aggiungere le librerie ZigBee Pro e Smart Energy Profile, certificate e fornite a titolo gratuito. Si tratta di una soluzione ottimizzata in termini di consumi: il consumo di corrente media del sistema è dell’ordine delle centinaia di nanoAmpere nello stato di “polling” (interrogazione). Il link budget può raggiungere i 120 dBm senza ricorrere ad amplificatori esterni. In questo modo è possibile ottenere distanze di trasmissione soddisfacenti, limitando l’uso di router, che si traduce in una diminuzione dei costi, della manutenzione e dei consumi della batteria. La funzione di routing è necessaria per risolvere complesse problematiche di configurazione. Un’adeguata distanza di trasmissione punto-punto e un ridotto numero di router permettono di ottimizzare il rapporto di concentrazione. Se i nodi sono principalmente di tipo Rfd (Reduced Function Device) e la velocità di trasmissione è sufficientemente elevata – ad esempio 100 kbps – è possibile ampliare il rapporto di concentrazione alle dipendenze di un singolo punto di accesso. Per quanto riguarda le possibili configurazioni radio previste dallo standard Ieee 802.15.4, una delle più interessanti è quella relativa alla banda 868 MHz, che utilizza la modulazione O-Qpsk con una velocità di trasferimento dati di 100 kbps. Ciò permette di sfruttare i vantaggi in termini di portata e sensibilità garantita dalla lunghezza d’onda e, allo stesso tempo, ottimizzare la velocità di trasmissione, riducendo i consumi e incrementando il rapporto di concentrazione. A questo punto bisogna sottolineare che il protocollo è identico per le frequenze a 2,4 GHz e per quelle inferiori al GHz. In entrambi i casi, i meccanismi di ritrasmissione e di riconoscimento, come Csma-CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance), così come quello di sicurezza sono tutti presenti. Per le frequenze prese in considerazione (2,4 GHz e inferiori al GHz) viene utilizzata la modulazione Dsss (Direct Sequence Spread Spectrum). Grazie a essa, non si parla di un singolo canale a 868 MHz. Il canale da 0 a 868 MHz dispone di una banda sufficientemente larga da consentire l’invio di parecchi linee di frequenze ridondanti dal punto di vista spettrale: in pratica ciò equivale all’utilizzo di vari sottocanali e all’invio di dati ridondanti su questi sottocanali. In tal modo, un disturbo presente in un sottocanale con compromette la trasmissione. Non va comunque trascurato il fatto che a 86 MHz un limite sul duty cycle non permette l’uso di questa banda per i servizi di data streaming.
Il link budget è dato dalla somma della sensibilità in ricezione, della potenza di trasmissione e del guadagno d’antenna: esso stabilisce l’entità delle perdite di istradamento ammesse prima di perdere il collegamento tra due radio all’interno di un link punto-punto. Poiché le comunicazioni radio sono strettamente correlate all’ambiente di propagazione, un metodo oggettivo per parametrizzare e confrontare le radio è misurare la loro capacità di ricevere un segnale nell’aria libera, sfruttando la legge di Friis. Nella Fig. 1 viene riportata la simulazione di un ambiente reale. La linea blu rappresenta la trasmissione a 868 MHz, mentre quella rossa è relativa alla trasmissione a 2,4 GHz. La linea della parabola continua si riferisce all’attenuazione in spazio libero, mentre le altre curve sono le linee di potenza dei segnali remoti trasmessi che sono soggetti a interferenze dovuti a fenomeni di diffrazione, riflessione, attenuazione (che quindi richiedono il ricorso a instradamenti multipli). Si tenga presente che, alla frequenza di 2,4 GHz, al crescere della distanza si possono evidenziare spazi “vuoti” in cui il segnale è cancellato dalle interferenze. La banda a 868 MHz di ZigBee è immune da questo problema nelle prime decine o centinaia di metri. La frequenza a 2,4 GHz, infine, evidenzia un forte assorbimento in presenza di acqua, essendo questa una delle frequenze di risonanza di tale elemento. Nel momento in cui variano frequenza, velocità di trasmissione e modulazione, il medesimo transceiver Ieee 802.15.4 offre livelli di prestazioni molto differenti in termini di range in spazio libero. Una volta stabilito che la scelta della frequenza più idonea contribuisce a migliorare le prestazioni in condizioni di trasmissione difficili, la scelta del protocollo più appropriato è un criterio ancora più importante, in quanto è appunto il protocollo il responsabile della gestione della rete. Le caratteristiche intrinseche di un protocollo come ZigBee permettono la progettazione di reti di contatori o sensori complesse, l’installazione di un numero enorme di contatori intelligenti, la loro gestione mediante un unico concentratore, la possibilità di raggiungere quest’ultimo dalle località più difficili e di evolvere al variare delle condizioni ambientali. Poiché Zigbee è certificabile, viene garantita l’interoperabilità tra i prodotti di diversi costruttori.
La scelta del microcontrollore
Il catalogo di Atmel comprende oltre un centinaio di Mcu, da 8 a 32 bit, basati su core AVR, AVR32 e Arm. Per la creazione del contatore, è disponibile un Arm a basso consumo con controllore di Lcd a 400 segmenti (AT91SAM7L) o un core AVR Mega con tecnologia PicoPower e un controllore Lcd fino a 160 segmenti, oppure ancora AVR XMEGA. Per il concentratore, Atmel può offrire core Arm o AVR32 operanti a parecchie centinaia di MHz, come ad esempio AP7000. XMEGA, per esempio, è un Mcu a 8 bit a 32 MHz con potenza di elaborazione di 32 Mips di costo estremamente contenuto. Realizzato sfruttando la tecnologia PicoPower, integra un controllore Dma e un meccanismo di gestione dell’evento (generazione del trigger hardware). Tra le altre caratteristiche da segnalare la presenza di un Rtc (a 16/32 bit, un acceleratore dell’algoritmo di cifratura AES128 e T-DES e canali Pwm a 128 MHz.
La tecnologia picoPower
Questa tecnologia prevede la presenza di cinque modalità di risparmio energetico. È disponibile un pin Vbat per la batteria di backup che garantisce il funzionamento di un Rtc a 32 bit a bassissimo consumo e dell’oscillatore a quarzo a 32,768 MHz collegato esternamente. Questi dispositivi possono operare mantenendo la completa funzionalità con tensioni comprese tra 1,6 e 3,3 V, ottimizzando il consumo della potenza dinamica. Grazie a un’architettura ottimizzata, AVR è in grado di eseguire un’istruzione ogni ciclo di clock. In tal modo ZigBee può operare a frequenze molto basse, come ad esempio 4 o 8 MHz.
Di seguito il consumi dei dispositivi AVR in tecnologia picoPower:
- 100 nA in modalità power down con ritenzione dei contenuti della memoria Sram
- 500 nA in modalità power save, con Rtc e rilevazione di fenomeni di brownout (cali di tensione ) attivi
- 350 μA nel funzionamento a 1 Mips
- 3,6 mA nel funzionamento a 12 Mips (32 Mips max.)
Il tempo di risveglio dalla modalità sleep è di 2 μs. A questi consumi è necessario aggiungere quelli del transceiver radio. Se la rete opera in modalità “polling”, il consumo nella modalità “sleep” è importante. Esso è pari a 20 nA per la versione a 2,4 GHz e a 100 nA per quella operante a frequenza inferiore al GHz. Il consumo in ricezione del transceiver operante a una frequenza inferiore al GHz è pari a 9 mA.
Risoluzione dei problemi meccanici
mediante sensori capacitivi
Il contatore è solitamente fornito di display che fornisce alcuni messaggi di primo livello e informazioni per l’utente che vuole utilizzarle, mentre le informazioni più importanti come dati, diagnostica e controlli vengono inviate ai sistemi centralizzati di gestione dei dati. Il display è un dispositivo che consuma parecchia energia così esso deve essere tenuto spento e acceso utilizzando il tasto On/Off. Il tasto per un’applicazione di questo tipo deve soddisfare certi requisiti in termini di protezione contro umidità e fenomeni di vandalismo. Atmel mette a disposizione librerie che si integrano con l’applicazione al fine di consentire l’utilizzo di un’area di rame in qualità di tasto capacitivo. Una soluzione di questo tipo evita il ricorso a elementi meccanici e permette l’impiego di qualsiasi materiale dielettrico come rivestimento. L’aspetto più importante, comunque è il fatto che il costo è trascurabile. Il sensore/tasto viene creato sulla scheda Pcb ed è gestito dal software. Ovviamente vi sono sensori più complessi rispetto al semplice tasto capacitivo. I sensori con una risoluzione di 8 bit possono fornire la posizione del tocco con 256 livelli per la creazione di cursori o rotori. Attenendosi agli standard di progettazione di Atmel è possibile realizzare encoder di posizione angolari o lineari, utilizzati per identificare la posizione del rotore per la lettura del flusso di gas o liquidi, o per definire la posizione assoluta della valvola di apertura. Anche in questi casi gli algoritmi per l’interpolazione della posizione del sensore capacitivo sono implementati via software e le relative librerie sono fornite a titolo gratuito per i microcontrollori di Atmel. In ogni caso la lettura dei valori rilevati richiede operazioni di campionamento che, se condotte a una velocità adeguata, possono contenere i consumi a livelli dell’ordine di pochi microAmpere.
