Questo articolo esplora come LoRaWAN aiuta le aziende di servizi pubblici a espandersi utilizzando le applicazioni IoT per rendere le nostre città sempre più smart.
I dati sono al centro dell’automazione di processo, ma da dove provengono questi dati? La raccolta di dati accurati da remoto è sempre stata una sfida per le utility. Ciò ha portato a sistemi di raccolta dati frammentati che limitano l’uso dell’analisi dei dati alla scala necessaria per fare la differenza reale per l’azienda e per i consumatori.
È la natura distribuita dei requisiti di raccolta dei dati la sfida chiave. L’installazione di contatori intelligenti nelle case richiede un backhaul affidabile e sicuro, non basato sull’infrastruttura esistente che potrebbe essere disponibile o meno.
La tecnologia Low Power Wide Area Network (LPWAN) fornisce un modo per collegare milioni di contatori intelligenti in modo conveniente, affidabile e sicuro. Ciò offre alle utility il potenziale per espandere la propria attività con applicazioni Internet of Things (IoT) per città e comunità intelligenti, consentendo una facile connettività di dispositivi IoT intelligenti a una rete. Con i dati prontamente disponibili per fornire informazioni utili, LPWAN può aiutare i fornitori di servizi pubblici a ridurre i costi, migliorare la sicurezza, ridurre gli sprechi e migliorare la soddisfazione dei clienti.
I ricercatori della società di consulenza e ricerche di mercato IHS Markit prevedono che i contatori intelligenti e le applicazioni di utilità connesse tramite tecnologie LPWAN raggiungeranno un totale di oltre 300 milioni entro il 2023.
L’utilizzo di bande di frequenza senza licenza inferiori a 1 GHz consente collegamenti che possono raggiungere una distanza di molti chilometri, consente di collegare località remote e fornisce anche collegamenti a contatori collocati in luoghi difficilmente accessibili. Le frequenze sub-GHz sono in grado di affrontare anche una delle sfide più complesse dei contatori intelligenti: la posizione all’interno dell’edificio. Il contatore può infatti essere posizionato in diversi luoghi all’interno della casa, e assicurarsi che il segnale arrivi e provenga dal contatore è fondamentale. Le caratteristiche del segnale radio e della tecnologia utilizzata nelle reti LPWAN consente una connessione affidabile a contatori che possono trovarsi negli scantinati o nelle parti alte dei palazzi.
I segnali sono collegati da un gateway locale, sempre più gestito da provider di rete di terze parti, e inoltrati al cloud per essere inseriti nei sistemi di analisi dei dati. L’elevata portata e il notevole grado di penetrazione dei segnali radio riduce il numero di gateway necessari e consente l’implementazione di reti LPWAN in maniera economica e veloce ovunque.
Lo standard LoRaWAN, sviluppato nel 2015 specificamente per le reti di sensori a bassa potenza e basato sulla tecnologia di modulazione LoRa di Semtech, è sempre più utilizzato nelle sottostazioni per il rilevamento dei guasti e il monitoraggio delle reti intelligenti come sta facendo Elvexys SA per OIKEN in Svizzera e in aree remote, per monitorare le apparecchiature, fornendo dati sulle prestazioni del sistema. L’utilizzo di nodi di sensori wireless con batteria tampone può fornire dati vitali che possono persino prevedere quando le apparecchiature si guasteranno, consentendo di effettuare sostituzioni durante la manutenzione programmata piuttosto che rispondere a un guasto potenzialmente più dannoso. In questo caso, il basso consumo energetico della tecnologia LoRaWAN consente ai nodi sensore wireless alimentati a batteria di funzionare per molti anni, evitando il costo delle operazioni di sostituzione della batteria che possono essere molto gravose nel caso di sistemi con migliaia o decine di migliaia di sensori.
Sicurezza
Mantenere i dati degli utenti al sicuro è ovviamente un altro requisito fondamentale. La rete LoRaWAN include una sicurezza embedded a due livelli basata su chiavi di crittografia AES a 128 bit ottimizzata per reti di dati a bassa potenza. Ciò significa che i dati possono essere crittografati dal contatore intelligente fino ai sistemi dati aziendali. Poiché i pacchetti LoRa non utilizzano il protocollo IP, non è necessario convertire i dati che possono rimanere protetti in un’implementazione end-to-end.
Compatibilità
Una delle sfide per il settore è il supporto degli standard più importanti per i dati e le applicazioni di misurazione intelligente. Questo problema viene affrontato attraverso il supporto attivo di organizzazioni aperte come LoRa Alliance e le principali associazioni che definiscono standard di misurazione per consentire l’interoperabilità dei contatori e fornire la certificazione di compatibilità. Le utility possono quindi fare affidamento sugli standard delle applicazioni di misurazione con reti LoRaWAN. LoRaWAN è ora uno standard riconosciuto a livello internazionale come Y.4480 dell’ITU Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) ed è utilizzato da centinaia di aziende che aderiscono alla LoRa Alliance.
Per il mercato europeo, in particolare per la misurazione di acqua, gas e calore, LoRa Alliance ha un collegamento ufficiale con l’associazione del Gruppo OMS sull’uso standard del linguaggio di misurazione Open Metering System (OMS) utilizzando M-Bus su LoRaWAN per ridurre la complessità e il costo di integrazione per le utilities. In OMS su LoRaWAN, OMS funge da livello applicativo sopra il livello di adattamento M-Bus sul livello di rete LoRaWAN. Ciò consente un trasporto M-Bus standard su LoRaWAN. Semtech ha collaborato con OMS e LoRa Alliance per convalidare l’interoperabilità a tutti i livelli, dalla piattaforma dati fino a diversi dispositivi finali OMS collegati tramite la stessa o diverse reti LoRaWAN.
Il vantaggio principale per le utility con reti LoRaWAN rispetto alla connettività Mbus wireless è mantenere lo stesso formato di dati e lo stesso livello di applicazione OMS, pur avendo il vantaggio offerto da LoRaWAN, che fornisce un consumo energetico molto basso e una migliore penetrazione a lungo raggio e più profonda rispetto a W-Mbus. Tutto ciò è particolarmente indicato per contatori alimentati a batteria che sono spesso installati in profondità nel sottosuolo, in cantine e in altre aree difficili da raggiungere. Inoltre, c’è il vantaggio di possibili aggiornamenti del firmware via etere (FUOTA) come specificato da LoRa Alliance per LoRaWAN.
L’obiettivo della nuova specifica di OMS è garantire l’interoperabilità con i sistemi legacy basati su OMS e offrire alle utility una scelta aperta e flessibile per il modello di rete tra reti pubbliche, private o ibride. Le utilities possono adattare l’implementazione della rete alla loro attività e decidere di essere libere dal costoso onere dell’implementazione e della manutenzione dell’infrastruttura di rete radio utilizzando gli operatori disponibili che forniscono servizi di rete LoRaWAN.
Allo stesso modo, per il mercato globale e per il multi-metering e altro ancora, LoRa Alliance ha collaborato con l’associazione DLMS (Device Language Message Specification) su un nuovo profilo di comunicazione per supportare il DLMS standardizzato da ISO/IEC (standard IEC62056). DLMS definisce la semantica e la sintassi di un linguaggio per lo scambio di dati interoperabile con tutti i tipi di dispositivi intelligenti per le utilities.
Il DLMS è stato ampiamente adottato, principalmente per la misurazione dell’energia elettrica con il DLMS/Companion Specification for Energy Metering (COSEM). Il DLMS è utilizzato in centinaia di milioni di contatori elettrici in tutto il mondo. Anziché utilizzare un bridge per convertire i dati che risulteranno in un’installazione non standard, DLMS su LoRaWAN viene abilitato senza problemi utilizzando i protocolli Internet IPv6 e UDP end-to-end. Il trasporto di pacchetti UDP è reso possibile con la frammentazione e la compressione da un livello di adattamento standard definito da IETF (in RFC8724 e RFC 9011) utilizzando la tecnologia Static Context Header Compression (SCHC).
L’utilizzo di un unico standard applicativo come DLMS per più applicazioni rende inoltre molto più semplice l’integrazione dei dati provenienti da più contatori che prima erano in luoghi separati, ad esempio contatori elettrici intelligenti e contatori intelligenti dell’acqua.
Futuri sviluppi
Una tecnologia emergente che può avvantaggiare ulteriormente i servizi pubblici è la connessione satellitare diretta. Sono stati lanciati satelliti con payload in grado di gestire direttamente i messaggi LPWAN, trasmettendo i dati quasi in tempo reale da tutto il mondo. Gli operatori satellitari possono riutilizzare architetture gateway terrestri o sviluppare il proprio sistema Software Defined Radio (SDR) implementando la modulazione LPWAN target. Vengono avviate o sono in fase di avvio più reti LPWAN satellitari, il che offre agli utenti aziendali più opzioni per il tipo di rete e per i motori analitici. Tutto ciò aumenta il volume, aumenta la concorrenza e riduce i costi.
I progressi nel monitoraggio intelligente, nella raccolta e nell’analisi dei dati fanno tutti parte di un portafoglio in continua crescita di soluzioni di risparmio sui costi, per città e comunità intelligenti.
Per scoprire come le aziende utilizzano LoRaWAN per il monitoraggio delle utenze e in altre applicazioni per le città intelligenti, è disponibile l’apposito e-book.
