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Smart water metering con LoRaWAN: un caso concreto

Per le sue caratteristiche questa tecnologia è oggi considerata dalla maggior parte delle utility dell’acqua come elettiva per lo smart water metering. La lettura dei contatori e il relativo bilancio idrico, infatti, divengono semplici, come dimostra una realizzazione nell’alessandrino

I contatori dell’acqua si trovano in genere in luoghi “nascosti” come le cantine o i cavedi, molti sono interrati o sotto spessi tombini di ghisa. Sono quindi poco raggiungibili in quanto richiedono una capacità “deep indoor” alla tecnologia wireless chiamata a trasmetterne i dati. D’altra parte, è impensabile avvicinare il contatore alla rete trasmissiva come facciamo normalmente con i nostri cellulari quando siamo alla ricerca di campo laddove non vi è una copertura adeguata. La capacità di penetrare “deep indoor” è una delle caratteristiche peculiari della tecnologia LoRaWAN che la contraddistingue dalle altre tecnologie tradizionali che non possiedono questa capacità. LoRaWAN ha, infatti, una elevata immunità al rumore, riuscendo a raccogliere i dati provenienti dai contatori anche se nascosti in profondità o a grande distanza.

Le qualità della tecnologia LoRaWAN

L’ampio raggio di copertura, che consente di minimizzare il numero dei gateway per chilometro quadrato, riduce notevolmente i costi di realizzazione dell’infrastruttura di rete necessaria per raccogliere i dati provenienti dai contatori o da altri dispositivi periferici. Questi costi possono essere ulteriormente ridotti in un modello di business collaborativo come quello realizzato a Gavi che vedremo tra poco. Questo elemento, insieme all’estrema flessibilità di realizzazione della rete stessa, abilita un “avvicinamento” della rete ai contatori che garantisce livelli di raggiungibilità dei contatori (ossia il numero dei contatori dai quali si ricevono i dati rispetto al totale di quelli installati) di gran lunga superiore rispetto alle altre tecnologie. Trattandosi inoltre di utility pubbliche, diventa particolarmente rilevante il fatto che il protocollo di comunicazione LoRaWAN sia uno standard aperto e open source, in quanto questo garantisce la possibilità che l’operatore che offre la connettività possa essere liberamente sostituito da un altro operatore, così come può avvenire analogamente con i produttori dei contatori.

Un terzo elemento determinante che incorona la tecnologia LoRaWAN come quella elettiva per lo smart metering, è la durata delle batterie. I contatori idrici, per garantire la veridicità della misura, devono ormai per legge essere sostituiti ogni 10 anni o, nel caso di contatori statici, ogni 13. È chiaro, quindi, che il gestore pretenda una durata delle batterie dei contatori idrici come minimo analoga. Ciò con LoRaWAN viene garantito con trasmissioni quotidiane di letture orarie che abilitano anche la ricerca delle perdite. Altre tecnologie non riescono ad andare oltre una lettura mensile per poter garantire questa durata delle batterie, e la lettura mensile non può certamente essere utilizzata per la ricerca delle perdite.

Gavi, telelettura per 2800 utenze idriche

Circa due anni e mezzo fa, di concerto con l’ATO6 Alessandrino, Gestione Acqua SpA (azienda piemontese che gestisce il servizio idrico integrato di settanta comuni, principalmente in provincia di Alessandria) scelse di avviare un progetto pilota per la misurazione in telelettura di tutte le tipologie di utenze nel territorio del Comune di Gavi. La scelta del comune era motivata dalla rappresentatività del territorio circostante particolarmente impervio e sfidante: circa 2800 utenze (contatori) per poco più di 5000 abitanti, distribuiti su un territorio di 45 km2 che presenta delle caratteristiche idrografiche severe con una elevata variabilità altimetrica e delle serie problematiche legate all’approvvigionamento idrico e alle perdite in rete.

L’obiettivo del progetto pilota era quello di abilitare la telelettura efficace dei contatori, inclusi quelli domestici da ½”, per una successiva automatizzazione della fatturazione, ma anche quello di confermare la tecnologia LoRaWAN come ideale infrastruttura tecnologica per la valutazione di un bilancio idrico affidabile che consentisse una gestione efficiente della rete idrica.

Dopo alcuni test preliminari sul campo per verificare l’efficacia delle soluzioni proposte da diversi operatori, è stata scelta la soluzione che prevedeva l’installazione dei contatori idrici Itron dotati di modulo LoRaWAN e la realizzazione dell’infrastruttura di rete wireless LoRaWAN da parte di Unidata.

L’architettura della soluzione implementata

Secondo il più classico degli schemi architetturali della tecnologia LoRaWAN, i dati di misura dei consumi idrici vengono mandati dai contatori dell’acqua (mediante i relativi moduli di trasmissione radio LoRaWAN integrati), raccolti dai gateway della rete LoRaWAN realizzata per il gestore del servizio idrico, inviati in cloud alla piattaforma di connettività UniOrchestra (Network Server) che li gestisce e li rende fruibili al cliente finale tramite il software Temetra (Application Server).

I circa 2800 contatori trasmettono le letture orarie due volte al giorno, mentre per alcuni grandi contatori di ingresso alla rete idrica si è resa necessaria, per un corretto bilancio idrico, una strumentazione GPRS con una risoluzione di 15 minuti in modo da valutare l’acqua immessa in rete rispetto a quella prelevata in periferia.

Come anticipato, l’infrastruttura di rete LoRaWAN è stata realizzata seguendo un modello di business sostenibile sia dal punto di vista ambientale che economico. I gateway chiamati a raccogliere i dati trasmessi dai contatori, infatti, sono stati installati su siti messi a disposizione dalla stessa Gestione Acqua (torrini, vasche di rilancio, ecc.) consentendo un ulteriore abbattimento dei costi della connettività.

Radio planning del territorio di Gavi realizzato con UniOrchestra

I risultati ottenuti

Nella fase iniziale, che ha visto la sostituzione di circa il 40% dei contatori prevalentemente nel centro cittadino, i valori di raggiungibilità dei contatori erano incredibilmente alti: sono stati infatti anche superati valori del 96% di raggiungibilità giornaliera.

Oggi è stata completata l’installazione dell’80% dei contatori sul totale dei circa 2800. Molti contatori sono stati installati consapevolmente anche in zone dove il radio planning, in fase di progetto, indicava chiaramente come scoperte. Ovviamente questi ultimi non vengono “sentiti” dalla rete, quindi il valore di raggiungibilità giornaliera si è abbassato al 75%, mantenendo comunque molto alto il valore di raggiungibilità mensile che supera l’85%. Se pensiamo che lo scorso settembre 2019 in ARERA sono stati presentati i risultati di alcune sperimentazioni realizzate con altre tecnologie ben più complesse e costose con raggiungibilità mensili tra il 40% e il 50%, possiamo dire senza dubbio alcuno che la tecnologia LoRaWAN applicata anche nelle zone più impervie è certamente la tecnologia ideale per lo smart water metering.

La tecnologia LoRaWAN, peraltro, ha un ulteriore grande vantaggio: la flessibilità della rete. È infatti possibile pensare a una densificazione della rete (ossia un aumento del numero dei gateway disposti sul territorio) che possa elevare ulteriormente i valori di raggiungibilità. Si stanno valutando, infatti, alcune ipotesi di densificazione della rete sempre con il modello di business collaborativo descritto in precedenza, che sarebbe impossibile da realizzare con altre tecnologie come per esempio quella NB-IoT, dato che difficilmente un operatore telefonico tradizionale offre la possibilità di “avvicinare” la rete a dei contatori. Certamente la densificazione della rete è strettamente connessa ai necessari investimenti relativi all’acquisto, l’installazione e la gestione dei gateway, che diventano sempre meno giustificabili man mano che il numero dei dispositivi in più che vengono raggiunti si riduce con il procedere della densificazione. Occorre tener presente, tuttavia, che nel tempo lo scenario potrebbe cambiare, per esempio in presenza di applicazioni Smart City o di sub-metering che utilizzano la tecnologia LoRaWAN, di fronte alle quali eventuali ulteriori densificazioni potrebbero essere economicamente giustificabili. In ogni caso, i contatori residuali che non vengono raggiunti nemmeno una volta l’anno potranno essere letti in modalità walk-by (ossia con il letturista che si avvicina al contatore non rilevato dalla rete LoRaWAN), essendo presente nel modulo radio del contatore anche la tecnologia Wireless M-Bus.

Vale la pena sottolineare che il sistema ha superato a pieni voti anche le gravi condizioni derivanti dalle due alluvioni che hanno colpito severamente il territorio di Gavi nell’ottobre e nel novembre 2019. È stato inoltre possibile rilevare allacci abusivi, palazzine completamente sprovviste di contatori e situazioni di anomali posizionamenti dei contatori. Grazie a questo sistema, infine, si sono potuti segnalare consumi anomali di acqua ad alcuni utenti distratti, che avevano inavvertitamente lasciato aperti dei rubinetti…

Di certo, il gestore ha potuto constatare la necessità di una profonda e radicale razionalizzazione dell’intera rete idrica.

I prossimi passi

Oltre al completamento della sostituzione di tutto il parco contatori di Gavi e all’eventuale densificazione della rete, il prossimo passo sarà quello di integrare il sistema di smart water metering a una rete idrica riorganizzata ed efficientata mediante software analitici dedicati, al fine di realizzare in maniera automatica i bilanci idrici per suggerire le azioni necessarie a fronteggiare perdite e inefficienze.

 

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