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Reti IoT LoRaWAN: un’opportunità per le Smart City

Per i Comuni, la possibilità di farsi realizzare una rete LoRaWAN che utilizzi siti comunali contenendo molto i costi di realizzazione di una rete è un primo passo per l’abilitazione di molte applicazioni della “città intelligente"

Da qualche anno a questa parte il tema delle Smart City è certamente di moda. Parlando di città intelligenti si include la mobilità elettrica, che dovrebbe in realtà afferire al ben diverso tema dello smart grid di esclusivo interesse delle utility. Certo, se i mezzi elettrici dovessero essere dotati di sensoristica e essere collegati a internet, magari per valutare i flussi di traffico, i tempi di percorrenza, ecc., è chiaro che rientrerebbero a pieno titolo anche in ambito Smart City. Si tende anche ad attribuire alle lungaggini dei processi burocratici delle singole amministrazioni la lenta implementazione delle soluzioni di Smart City, ma la vastità e la complessità del tema ampliato da molti a piacimento per interessi o moda, sono probabilmente la vera causa di questa lentezza. Immaginiamo anche il disorientamento delle municipalità di fronte al bombardamento di informazioni che arrivano da innumerevoli aziende che cercano di far adottare altrettante innumerevoli soluzioni.

Le applicazioni IoT in ambito Smart City

L’aggettivo smart applicato a city dovrebbe essere sinonimo di insieme di applicazioni IoT utili per le città, cosa che avviene in tutti gli altri ambiti dove tale aggettivo viene applicato (Smart Home, Smart Building, Smart Metering, Smart Agricolture e via dicendo). Ma non volendo urtare la sensibilità di molti, ci limitiamo a dire che preferiamo circoscrivere il perimetro delle nostre considerazioni alle applicazioni IoT in ambito Smart City. All’interno di questo perimetro, inoltre, preferiamo distinguere le possibili fasi che portano a soluzioni complete e tecnologicamente molto complesse: monitoraggio – analisi – controllo. Gli anglosassoni amano dire che “Rome wasn’t built in a day”, ne hanno anche fatto una canzone. Ecco, tratteremo l’argomento con lo stesso spirito, proponendo solo un sottoinsieme di possibili applicazioni utili per i Comuni, come fossero mattoni, con la modularità, la semplicità e la sostenibilità che caratterizzano una delle tecnologie più innovative in ambito IoT: la tecnologia LoRaWAN®.

Come scritto in un altro articolo, il 5G anche in ambito Smart City avrà un ruolo da protagonista (audio, video, guida autonoma, ecc.). Ma per molti scenari l’uso del 5G sarebbe come sparare a una formica con un cannone. Senza considerare che il 5G non è ancora disponibile e non lo sarà per alcuni anni. È ragionevole supporre, però, che possa esserci in futuro una convergenza su tecnologie pienamente complementari come sono il 5G e LoRaWAN, sia per tempi che per costi. Dal punto di vista temporale infatti, molte applicazioni che non necessitano di tempi di risposta immediati e di una elevata larghezza di banda, possono essere implementate facilmente già oggi con la tecnologia LoRaWAN senza dovere aspettare il 5G. Ma questo sarebbe vero, per tali applicazioni, anche in presenza del 5G, in quanto i costi e la flessibilità che la tecnologia LoRaWAN riesce a offrire, non sono paragonabili.

I vantaggi di LoRaWAN per i Comuni

In generale la tecnologia LoRaWAN abilita la realizzazione di reti interamente dedicate all’IoT ed è supportata e diffusa in tutto il mondo. Rimandando il lettore agli opportuni approfondimenti trattati in un altro articolo, ci limitiamo a sintetizzare di seguito i vantaggi di questa tecnologia:

  • grande raggio di copertura (in campo aperto, riesce a trasmettere a distanze di oltre 20 km);
  • capacità di raggiungere luoghi «deep indoor» come, per esempio, i contatori che si trovano sotto i tombini o nei cavedi;
  • nativamente sicura perché i dati partono dai dispositivi periferici in modo criptato, con doppia chiave di criptazione;
  • dato che i dispositivi periferici trasmettono utilizzando una potenza molto bassa, la durata delle batterie è molto lunga e può arrivare a superare i 15 anni;
  • ecosistema enorme, con un numero di aziende che realizzano prodotti LoRa® / LoRaWAN® in continua crescita;
  • semplice implementazione e utilizzo;
  • rete flessibile (è possibile densificare la copertura per raggiungere tutti i dispositivi, perfino con gateway da interno);
  • standard de facto aperto e open source (nessun lock-in).

I Comuni più illuminati hanno compreso un elemento differenziante fondamentale: la possibilità di farsi realizzare una rete LoRaWAN che utilizzi siti comunali contenendo molto i costi di realizzazione di una rete IoT, primo passo per l’abilitazione di molte applicazioni Smart City. È addirittura possibile che un operatore di rete LoRaWAN realizzi una rete in collaborazione con un Comune, appoggiandosi ai siti comunali (municipi, scuole, pali della luce, ecc.), facendo entrare il Comune stesso in un modello di “revenue sharing” che consenta non solo l’abbattimento totale dei costi di realizzazione della rete, ma anche l’incasso (magari in un fondo destinato all’innovazione) di una parte dei proventi di utilizzo della stessa rete provenienti da tutte quelle applicazioni IoT che sfruttano la rete IoT LoRaWAN realizzata in collaborazione con il Comune. In questo modo, quindi, le municipalità non solo avranno iniziato un percorso di digitalizzazione a costo quasi zero, ma avranno generato una spirale positiva che permetterà loro di ampliare progressivamente e in modo totalmente sostenibile le applicazioni Smart City utili per i propri cittadini.

Applicazioni LoRaWAN per la città

La tecnologia LoRaWAN è stata progettata per rispondere a casi d’uso in cui i dispositivi periferici (sensori, contatori, attuatori, ecc.) comunicano piccole quantità di dati. I principali mercati verticali e casi d’uso sono sintetizzati nello schema seguente. Nel seguito, però, ci occuperemo solo delle applicazioni per la città.

Fig.1 – Mercati e casi d’uso della tecnologia LoRaWAN

Smart Water Metering

Una grande quantità di acqua oggi viene persa a causa di perdite nell’infrastruttura idrica e il problema principale è che non si conosce la quantità di acqua effettivamente erogata e fatturata alle utenze rispetto a quella totale immessa in rete, se non una volta l’anno a seguito del completamento delle letture dei contatori. Troppo tardi per intervenire in caso di perdite o furti d’acqua. Lettura dei contatori e perdite idriche rappresentano oggi due delle maggiori voci di spesa per l’erogazione dei servizi idrici. Implementando un’infrastruttura di rete IoT LoRaWAN come descritto in precedenza, insieme alla sostituzione dei contatori esistenti (che comunque devono essere sostituiti ogni 10 anni) con quelli dotati di modulo radio LoRaWAN, è possibile ottenere:

  • letture giornaliere dei consumi dai contatori
  • bilancio idrico in tempo quasi reale
  • individuazione delle perdite
  • rilievo immediato di eventuali manomissioni o malfunzionamenti
  • riduzione delle spese operative di lettura
  • riduzione delle perdite e recupero del mancato fatturato.

Estensioni successive a questa importantissima applicazione potrebbero essere legate alla possibilità di installare valvole intelligenti in punti strategici della rete idrica, capaci di gestire la pressione dell’acqua e quindi di prevenire possibili rotture delle tubazioni, ma anche mantenere elevati valori di qualità del servizio erogato. A questo si potrebbero aggiungere sistemi di monitoraggio degli idranti antincendio e sistemi automatici di chiusura delle valvole o impianti irrigui intelligenti di ville e giardini pubblici.

Fig.2 – Schema grafico dell’applicazione Smart Water Metering

Smart Parking

Gli automobilisti oggi sprecano in media 20 minuti per la ricerca di un parcheggio, contribuendo ad aumentare del 30% il traffico nelle strade delle città e significativamente l’inquinamento in città. In presenza di una rete IoT LoRaWAN, magari realizzata con i criteri indicati in precedenza per l’applicazione precedente, potremmo pensare di implementare dei parcheggi intelligenti solo con l’acquisto e l’installazione dei sensori di parcheggio e un semplice software applicativo tra i tanti a disposizione. I sensori di parcheggio LoRaWAN rendono facile e conveniente la trasformazione di spazi di parcheggio commerciali e municipali in “parcheggi intelligenti” gestiti da remoto, in grado di condividere lo stato di occupazione dei posti auto in tempo reale con altre applicazioni.

Per questo caso d’uso ogni posto auto viene dotato di un sensore di presenza alimentato a batteria in grado di rilevare l’assenza, l’arrivo, la presenza e la partenza di un veicolo. I sensori hanno un codice identificativo univoco e sono progettati per funzionare su consumi molto bassi. Ciascun sensore può funzionare fino a 10 anni, ed essendo completamente wireless, non richiede alcun cablaggio esterno.

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Le città e i proprietari dei parcheggi hanno quindi a disposizione un modo efficace per informare a distanza i conducenti di posti auto liberi, notificando loro lo stato.

Fig.3 – Schema grafico dell’applicazione Smart Parking

Gestione intelligente dei rifiuti

Normalmente, la raccolta dei rifiuti viene eseguita seguendo percorsi e programmi fissi. Tuttavia, la raccolta dei rifiuti programmata regolarmente non è ottimale in quanto non tiene conto di persone o imprese che riempiono i loro contenitori di rifiuti con frequenze diverse. Ciò significa che le navette di raccolta devono fermarsi in ogni punto della loro rotta per svuotare ogni contenitore di rifiuti, indipendentemente dal fatto che siano pieni o meno.

Installando i sensori integrati con tecnologia LoRa® in contenitori per rifiuti e utilizzando la rete IoT LoRaWAN, le città possono ridurre significativamente i costi operativi ottimizzando i percorsi di raccolta dei rifiuti.

Fig.4 – Schema grafico di gestione intelligente dei rifiuti

Smart Tracking

In presenza di una rete IoT LoRaWAN, i dispositivi di tracciamento disposti sugli autobus o altri mezzi comunali consentono di fornire in tempo reale la posizione dei mezzi. Nel caso degli autobus, sarebbe sufficiente un’app sul proprio cellulare per poter visualizzare la posizione del mezzo che interessa.

Se poi al monitoraggio si volesse aggiungere l’analisi dei dati, si potrebbero ottimizzare le corse sia in termini di percorsi che di frequenza, in funzione del numero dei passeggeri, delle fasce orarie ecc. un numero di variabili notevole che richiede importanti capacità di big data analytics e di artificial intelligence necessari per generare risultati validi.

Tralasciamo l’ulteriore possibile sviluppo, che vedrebbe in campo la guida autonoma, sia perché di pertinenza del 5G, sia perché le strade italiane differiscono molto da quelle americane, ideali per i test grazie alla loro regolarità, sia perché dal punto di vista sociale questa evoluzione invece che risolvere i problemi dei cittadini potrebbe generare un serio problema occupazionale accettabile solo in caso di un profondo cambiamento politico, sociale ed economico.

Il tracking realizzato con LoRaWAN ha una precisione superiore rispetto al GPS e viene utilizzato anche per il tracciamento di altri mezzi come biciclette, monopattini, ecc. Città italiane, come Ravenna, si stanno dotando di questo sistema per la semplicità e la convenienza economica che presenta.

Fig. 5 – Schema grafico di Smart Tracking

Monitoraggio di beni culturali e infrastrutture

Le città italiane sono ricche di monumenti, parchi archeologici e palazzi storici da mantenere sotto controllo, soprattutto ambientale e strutturale. A differenza di altre soluzioni, un monitoraggio basato sulla tecnologia LoRaWAN permette di installare in maniera semplice molti dispositivi (inclinometri, vibrometri, ecc.), che rimangono alimentati per anni grazie alla lunga durata delle batterie.

L’elaborazione in cloud dei dati raccolti consente un monitoraggio costante e la semplice implementazione di notifiche e allarmi in presenza di eventuali anomalie.

Stesso identico criterio può essere applicato a infrastrutture stradali e autostradali come ponti, viadotti, gallerie. I recenti accadimenti di Genova sono la prova di quanto importante possa essere l’implementazione di questa seppur semplice applicazione.

Se pensiamo poi ai numerosi alberi caduti negli ultimi anni e ai drammatici effetti causati, non sarebbe peregrina l’idea di estendere questo genere di monitoraggio anche agli alberi potenzialmente più pericolosi presenti in città.

Fig. 6 – Schema grafico di monitoraggio infrastrutture

Smart Lighting

La riduzione dei costi di energia elettrica consumata dall’illuminazione pubblica è avvenuta, in gran parte, con l’introduzione delle lampade Led. Tuttavia, l’illuminazione intelligente, aggiungendo appunto intelligenza e controllo alle luci stradali, può contribuire a ridurre ulteriormente i consumi. È possibile infatti regolare a distanza l’impianto, stabilendo il numero dei lampioni accesi secondo i modi e i tempi desiderati.

I pali della luce, inoltre, rappresentano potenzialmente un’infrastruttura formidabile per una rete IoT LoRaWAN e Wi-Fi, sia per distribuzione capillare che per altezza. Se da un lato, infatti, possono ospitare i gateway LoRaWAN/Wi-Fi (vi sono in commercio molti gateway che abilitano contemporaneamente la tecnologia LoRaWAN e quella tradizionale Wi-Fi) che raccolgono i dati dai dispositivi periferici della città (afferenti a tutte le possibili applicazioni Smart City, non solo allo Smart Lighting), possono anche ospitare strategicamente sensori fondamentali.

La qualità dell’aria delle città, per esempio, oggi viene monitorata tramite delle isole ingombranti e costosissime che potrebbero essere sostituite da sensori centinaia di volte più economici e dalle dimensioni di un libro da poter installare sui pali della luce. Sarebbe quindi possibile una capillarità inimmaginabile fino ad oggi per questo caso d’uso.

Gli stessi pali potrebbero, ancora, ospitare molti altri sensori come quelli meteo di temperatura, pressione, umidità o pluviometri, ma anche sensori acustici per il monitoraggio dell’inquinamento acustico, speciali telecamere per l’analisi dei flussi del traffico cittadino o per il controllo degli accessi o dei varchi ZTL.

Fig. 7 – Schema grafico di Smart Lighting

Conclusioni

Dal punto di vista tecnologico, solo la fantasia è il vero limite alle possibili applicazioni IoT. Come abbiamo visto, la tecnologia LoRaWAN abilita un numero rilevante dei possibili casi d’uso ma, soprattutto, consente alle municipalità di avviare un percorso sostenibile sia dal punto di vista economico che sociale che ambientale. Iniziare mettendo a disposizione i propri siti per la realizzazione di una rete LoRaWAN per l’applicazione di più immediato ritorno, ossia lo Smart Water Metering, sarebbe la scelta più “smart” per innescare un circolo virtuoso a tutto vantaggio dei propri cittadini e delle stesse amministrazioni locali.

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