L’espansione di Bluetooth 5 nelle smart grid


Con l’avvento delle nuove versioni dello standard Bluetooth, il Bluetooth Low Energy sta passando da applicazioni storicamente incentrate sull’elettronica personale e sugli indossabili alle applicazioni industriali. Grazie alla spinta dovuta agli standard e all’esigenza di comunicazione wireless e monitoraggio in remoto per diversi anni in applicazioni come i contatori, le smart grid potrebbero trarre vantaggio da questo standard per vari casi d’uso in cui affidabilità, distanza, velocità di comunicazione e bassissima potenza sono fattori importanti.

Inoltre, tramite dispositivi come uno smartphone o un tablet, la tecnologia Bluetooth Low Energy può permettere a chiunque nel mondo (un consumatore o uno specialista di manutenzione, ad esempio) di interagire con un contatore intelligente, facendone un componente onnipresente nelle varie tecnologie wireless già utilizzate in questo ambito. Vale quindi la pena di dare un’occhiata a cosa sia Bluetooth 5, ai suoi potenziali casi d’uso nell’ambito delle smart grid e capire come le attuali proposte permettano di implementare rapidamente questo nuovo standard.

Il potenziale dello standard Bluetooth 5

Bluetooth è uno standard sostenuto dal Bluetooth Special Interest Group (SIG) e costituisce oggi la tecnologia di connettività leader in termini di forniture in volume e base installata. È una delle tecnologie wireless a più rapida crescita secondo ABI Research. Prima di Bluetooth 4.0, i prodotti accessori (dispositivi che si collegavano a telefoni o computer) erano per lo più limitati a cuffie audio o dispositivi a interfaccia umana (HID, Human Interface Device, come mouse, tastiere e altre applicazioni) che utilizzavano il classico Bluetooth per lo streaming audio o per il trasferimento di pacchetti di grandi dimensioni con elevata velocità di trasmissione dati. La principale limitazione del Bluetooth classico era il suo consumo di energia relativamente elevato, che lo rendeva limitato per applicazioni a bassa potenza che utilizzano batterie a bottone o altre batterie.

Bluetooth Low Energy ha risolto questo problema ed esiste oggi un’ampia gamma di soluzioni che utilizzano la tecnologia a bassa potenza in grado di aprire opportunità per nuovi profili applicativi. A partire dalle specifiche Bluetooth 4.0, la tecnologia Bluetooth Low Energy ha visto una crescita esponenziale in molte applicazioni, principalmente nell’elettronica personale e nei dispositivi indossabili, ossia apparecchiature terminali che circondano l’utente finale in una cosiddetta PAN (Personal Area Network).

Il prossimo caso d’uso per Bluetooth Low Energy sarà in ambito industriale, dove le problematiche principali vanno dall’affidabilità, alle velocità di comunicazione, alla portata, alla bassa potenza. Con il nuovo standard Bluetooth 5, che offre il doppio in termini di velocità in bit (fino a 2 Mbps) e quattro volte la distanza rispetto al Bluetooth 4.0, il Bluetooth Low Energy è pronto per passare dalla copertura della PAN a una più ampia copertura di case ed edifici o della rete locale (LAN).

Potenziali casi d’uso per smart grid

La LAN riguarda in genere i locali e i dintorni fino a centinaia di metri, mentre la rete WAN (Wide Area Network) copre piuttosto un raggio di diversi chilometri. Lo spazio della smart grid è un mosaico di diversi standard di comunicazione wireless sostenuti da enti locali e organismi regolatori, tra cui la banda industriale proprietaria Sub-1 GHz, la banda scientifica e medica (ISM), l’M-bus Wireless meter e il 2.4 GHz Zigbee, senza interoperabilità a livello mondiale e senza standard comune. Tuttavia, con Bluetooth qualsiasi contatore intelligente al mondo potrebbe connettersi a uno smartphone o tablet. 

Il Bluetooth 5 consente di coprire distanze più lunghe pur mantenendo una bassa potenza e offre un throughput più elevato, migliore immunità ai disturbi e può coesistere con altri dispositivi wireless. Stiamo quindi assistendo all’avvento di un gran numero di nuove applicazioni per Bluetooth nel campo delle smart grid? Gli enti normativi e gli istituti nel campo dell’energia avranno sicuramente voce in capitolo sulle nuove specifiche per la prossima generazione di contatori intelligenti, ma il Bluetooth 5 sta suscitando molto interesse.

Smart-Grid-Graphic600x600 L'espansione di Bluetooth 5 nelle smart grid

Figura 1: Bluetooth Low Energy nelle smart grid

Bluetooth Low Energy potrebbe essere il collegamento perfetto tra il contatore e l’utente. Ad esempio, utilizzando il telefono come un display è possibile interagire con un contatore intelligente in modo molto economico; non è necessario che un produttore di contatori sconvolga il suo intero progetto per aggiungere un display a cristalli liquidi (LCD) o uno schermo più avanzato, né serve che un utente installi un display in casa. Per la manutenzione e per la registrazione dati il Bluetooth Low Energy potrebbe sostituire la tecnologia a infrarossi o i protocolli proprietari nelle apparecchiature dell’operatore. Con la nuova modalità ad alta velocità (2 Mbps), il Bluetooth 5 consente una maggiore velocità di trasferimento dati: estrae i dati dalle applicazioni più velocemente, aprendo quindi opportunità per la diagnostica sul posto o per aggiornamenti del firmware più veloci. Il tempo di trasmissione è più breve, il che riduce il consumo energetico rispetto al Bluetooth 4 a parità di dati scambiati, rendendolo più affidabile.

Paesi come l’India, dove è diffuso il pagamento anticipato, stanno pensando di utilizzare il Bluetooth Low Energy per far dialogare telefoni e contatori e accettare il credito prepagato per accedere all’energia. Qualora la sicurezza fosse un problema, il Bluetooth 5 porta avanti i miglioramenti della sicurezza del Bluetooth Low Energy 4.2, come il pairing sicuro e la privacy, con tecniche di crittografia che possono aiutare gli sviluppatori a implementare le loro misure di sicurezza.

Il Bluetooth Low Energy può anche fungere da ponte standard perfetto per altri protocolli per aiutare i manutentori nella messa in funzione o per parlare tramite la rete Sigfox o altre reti con un telefono; alcuni produttori di moduli stanno producendo soluzioni ponte tra Bluetooth Low Energy e Sub-1 GHz a questo scopo.

L’accesso ai contatori è fondamentale ed è importante disporre di una copertura esterna o interna sufficiente a monitorare il contatore. La portata raggiungibile è una funzione di molti parametri specifici per ogni caso d’uso e situazione, ma Texas Instruments (TI) ha eseguito test con Bluetooth 5 sul proprio microcontroller wireless CC2640R2F SimpleLink Bluetooth Low Energy e ha raggiunto una portata in linea d’aria di 1,5 km mantenendo al tempo stesso bassa la potenza con una batteria a bottone o coprendo l’intero spazio di un edificio di 400 metri.

La domanda che sorge spontanea è: perché non aumentare la potenza di trasmissione per ottenere una portata maggiore? Benché l’aumento della potenza in uscita permetta di ottenere quasi sempre una portata maggiore, una maggiore potenza di trasmissione equivale a maggiori picchi di corrente nella batteria, il che degrada sostanzialmente la vita utile delle piccole batterie (a bottone) che alimentano gli odierni piccoli dispositivi integrati come i contatori intelligenti.

Per risolvere questo problema, la funzionalità a lunga portata del Bluetooth 5 prevede l’aggiunta di nuovi livelli fisici codificati (PHY), migliorando la sensibilità del ricevitore attraverso l’uso di tecniche di correzione FEC (Forward Error Correction) che proteggono i dati durante la trasmissione a costo di velocità di trasmissione dati inferiori.  Questa codifica con PHY codificati riduce le velocità di trasmissione dati fino a 128 kpbs partendo dalla velocità di trasmissione dati di 1 Mbps nelle specifiche di Bluetooth Low Energy 4. L’uso di PHY codificati aumenta la portata migliorando il budget di collegamento senza aumentare la potenza di trasmissione, consentendo in tal modo l’uso di batterie più piccole. I contatori intelligenti, che in genere scambiano dati per decine di kilobit al secondo, funzionano bene con la velocità di trasmissione di 128 kbps disponibile in Bluetooth 5. Pertanto, la modalità a lunga portata del Bluetooth 5 può sicuramente costituire una caratteristica interessante se si considera l’adozione di Bluetooth Low Energy nelle applicazioni per smart grid con budget a bassa potenza senza compromessi. 

Sfide tecniche e implementazione

L’aggiunta della connettività wireless a un’applicazione già esistente presenta numerose sfide e un progettista di contatori intelligenti dovrà esaminare attentamente l’hardware e il software per rendere questo processo il più fluido e lineare possibile. Come molte applicazioni industriali, il contatore intelligente contiene già un microcontroller host, completamente testato, a volte certificato o qualificato per determinati standard normativi, già collegato a un dispositivo metrologico ed eventualmente ad altre radio WAN. È abbastanza consueto che i progettisti adottino il Bluetooth 5 aggiungendo un chip Bluetooth Low Energy alla comunicazione dell’applicazione sull’MCU host principale. Questa soluzione viene adottata per un’implementazione più veloce o semplicemente perché alcuni modelli di contatori possono essere dotati o meno di Bluetooth e i progettisti cercano di mantenere flessibile il sistema. La ripartizione del software risultante e l’impatto sull’applicazione dovranno essere valutati e potranno essere adottate diverse tecniche. Partendo dalla semplicità di progettazione con i package QFN, fino ai moduli completamente certificati, all’implementazione del software per MCU wireless e processori di rete wireless, i progettisti hanno ora la possibilità di scegliere fra molte alternative di package per semplificare il processo di integrazione.

Conclusione

Lo standard Bluetooth 5 offre ora le condizioni necessarie per un’adozione in settori più ampi oltre all’elettronica di consumo e personale. Dal punto di vista tecnico, esso offre maggiore velocità, maggiore distanza e maggiore affidabilità, pur conservando un funzionamento a bassa potenza. Per la registrazione dei dati, la diagnostica e la messa in funzione, ad esempio, il Bluetooth 5 è un promettente ed economico compagno per la tecnologia wireless dedicata alle smart grid, con il potenziale per essere implementato in tutto il mondo e supportato da un’infrastruttura di dispositivi intelligenti esistenti.

Bibliografia

Olivier Monnier è Marketing Manager per Bluetooth Low Energy presso Texas Instruments.

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