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Smart object, come funzionano, a cosa servono, quanto consumano

Sempre più piccoli, con un’elevata autonomia e capacità computazionale, possono funzionare anche senza batterie, sfruttando l’energia meccanica o luminosa, oppure avere consumi bassissimi con una autonomia di oltre 10 anni

Tra le criticità dell’Internet of things vi è l’installazione e la gestione degli oggetti connessi. Pertanto la gestione della domanda/offerta del mercato sta sviluppando dispositivi sempre più piccoli con un consumo di energia minimo, al fine di consentire un’elevata durata della batteria. Esistono differenti tipologie di dispositivi: interessanti sono quelli che fanno a meno di batterie. Queste, infatti, anche se di lunga durata, costituiscono un elemento ostativo alla diffusione degli smart object. Ma come è possibile far funzionare dispositivi senza l’uso di batterie?

Oggetti connessi senza batteria (o quasi)

Richiedendo una potenza limitata, la poca energia richiesta può essere ricavata, ad esempio, dalle vibrazioni indotte da un movimento meccanico di un motore, oppure da piccolissimi pannelli fotovoltaici. In questo caso, i dispositivi, saranno dotati sempre di una batteria tampone che si ricarica in base alla disponibilità della fonte di energia. Esistono però altri dispositivi, di piccole dimensioni, che possono funzionare in mancanza di un accumulatore di energia: parliamo ad esempio della tecnologia RFID passiva. Questi sono dei piccoli TAG che si alimentano quando sono “investiti” dall’onda radio di un trasmettitore. Il segnale ricevuto dalle antenne del TAG è tale da alimentare il chip al proprio interno e ritrasmettere al ricevitore il proprio stato. Questa tecnologia è utilizzata molto nell’ambito della logistica per individuare le merci. Altra tecnologia simile è quella dei TAG NFC, in questo caso esistono dei veri e propri dispositivi che possono essere alimentati appoggiando lo smartphone, si parla di piccole potenze, in grado anche di fornire per pochi istanti fino a 20 mA di corrente. Tale energia è sufficiente ad alimentare un microcontrollore in grado di campionare il segnale di un sensore e di trasmetterne il valore letto a uno smartphone per un’ulteriore elaborazione.

Tra le tecnologie wireless più efficaci per la raccolta di energia (energy harvesting) vi è EnOcean Alliance. EnOcean è un ecosistema che produce sensori wireless esenti da manutenzione, che ottengono la loro energia dall’ambiente circostante: movimento, luce o temperatura. La combinazione di convertitori di energia miniaturizzati, elettronica a bassissima potenza e robusta tecnologia radio basata su standard aperti (EnOcean, Zigbee e Bluetooth) costituisce la base per edifici, servizi e processi di produzione digitalizzati nell’IoT. Le soluzioni autoalimentate vengono utilizzate nell’automazione degli edifici, nelle case intelligenti, nel controllo dell’illuminazione a Led e nelle applicazioni industriali.

Oggetti alimentati a batteria dal basso consumo

Finora ci siamo concentrati sugli smart object più “virtuosi” dal punto di vista del consumo energetico, detto ciò esistono poi una serie di dispositivi intelligenti, sempre a basso consumo, in grado di svolgere calcoli più complessi. Sistemi dotati di batteria con durata superiore a 10 anni che si attivano solo nel momento del bisogno e cioè quando occorre elaborare il dato e trasmetterlo. Nel restante tempo rimangono in uno stato “dormiente” il cui consumo è praticamente nullo. Questa modalità, unita alla necessità di fare un’elaborazione al giorno, ad esempio, porta a ottenere un’elevata durata della batteria, anche superiore ai 10 anni.

Quali sono le applicazioni in cui si possono applicare questi dispositivi? Ovviamente possono essere impiegati nello smart metering: i contatori del gas e dell’acqua sono stati i primi smart object prodotti con una durata della batteria superiore ai 10 anni e con una trasmissione al giorno dei dati. Altri smart object diffusi nell’ambiente ci permettono di monitorare le condizioni atmosferiche o il livello di inquinamento delle città e di controllarne l’illuminazione o la gestione dei parcheggi intelligenti.

I sistemi di comunicazione utilizzati

Al fine di avere dei consumi energetici ridotti, gli smart object utilizzano protocolli di comunicazioni che richiedono poca energia. Oltre al protocollo EnOcean, di cui abbiamo parlato precedentemente, tra i primi protocolli realizzati abbiamo sicuramente Sigfox e LoRa, che permettono di raggiungere in trasmissione distanze importanti, fino a un massimo di 15 km, con consumi limitati. Queste due tecnologie però hanno il problema della limitata disponibilità di banda che ne limita l’uso esclusivo ai soli sensori con un esiguo contenuto di informazioni. Altra tecnologia utilizzata in ambito gas è il wireless M-Bus, protocollo certificato per il gas metering, molto penetrante, ma come i precedenti presenta una banda molto limitata oltre che necessita di una gestione manuale dei canali.

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Negli ultimi anni abbiamo invece assistito a un’evoluzione dei protocolli standard come il Bluetooth low energy, che è utilizzato da tutti i wearable e più in generale da tutti i dispositivi che richiedono una comunicazione veloce a distanza ridotta. Da tenere in considerazione l’avvento del Wi-Fi 6.0, che a livello tecnico e tecnologico migliorerà le performance della rete, ma anche dei dispositivi connessi alla rete stessa. Con il Wi-Fi 6 ci sarà un notevole aumento nella velocità di connessione, ma anche una diminuzione dei consumi energetici e, quindi, una maggiore autonomia dei dispositivi che si connetteranno alla rete senza fili.

In ultimo, troviamo la tecnologia più utilizzata dagli smart object e cioè quella proposta dai gestori delle reti di telecomunicazioni: NB-IoT, che garantisce una discreta larghezza di banda e un consumo energetico molto contenuto, in attesa dell’avvento del 5G.

Quale sarà l’evoluzione degli smart object

Abbiamo analizzato come i dispositivi si stanno evolvendo dal punto di vista fisico e di comunicazione, ma l’evoluzione degli smart object sarà l’interconnessione tra gli oggetti trasformandoli in social object. I dispositivi possono individuare e interagire con altri dispositivi per risolvere problemi tecnici e farlo in maniera autonoma.

Un tipico esempio potrebbe trovare spazio nell’ambito del settore automotive, in cui le auto connesse possono autonomamente scambiarsi informazioni sul traffico, sullo stato delle strade e scegliere il percorso migliore comunicandolo al conducente. Stessa cosa potrebbe valere nell’ambito della logistica, in cui l’interconnessione delle informazioni ricevute dagli smart object consente di ottimizzare la gestione delle scorte, aspetto maggiormente evidenziato nei prodotti a breve scadenza, come i generi alimentari.

 

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