Sensori Wireless IoT, cosa sono e come trasformano industria e cantieri

Sensori Wireless IoT: una soluzione per industria e cantieri che semplifica i monitoraggi

Una guida pratica: i modelli, gli ambiti applicativi, i vantaggi, gli incentivi. Ecco la seconda, attesa puntata di #SmartIndustry (qui la prima puntata dedicata al casco intelligente IOT) la preziosa rubrica di #SergenteLorusso in collaborazione con Digitalnology.

La guida che segue è un contributo originale ed esclusivo realizzato da Giuliano Faini, Ceo & Founder di Digitalnology in collaborazione con Federico Greco, Project Manager di Digitalnology

La tecnologia legata ai sensori sta vivendo una nuova ondata di innovazione legata alla miniaturizzazione della componentistica e ai nuovi protocolli e sistemi di comunicazione.  Grazie all’introduzione di una moltitudine di sensori, che si differenziano a seconda delle diverse caratteristiche e funzionalità per cui sono stati realizzati, gli oggetti quotidiani come quelli industriali diventano “smart” ossia “intelligenti”, poiché iniziano ad interconnettersi tra loro e a trasmettere dati e informazioni attraverso la rete.

COSA SI PUO’ MISURARE

Di tutto.

In ambito industriale i sensori IoT sono impiegati prevalentemente per strumentare macchinari e rilevarne parametri di lavoro in tempo reale. Ad esempio, si misura: peso, voltaggio, pressione, volume, vibrazioni, temperatura, umidità, movimento di persone, flussi e portate, ecc.

Così come, nella vita quotidiana, trovano un loro spazio nelle abitazioni e negli edifici, in particolare nel monitoraggio degli ambienti. Ad esempio, si misura: consumo d’acqua, temperatura, qualità dell’aria, accessi, consumi energetici, ecc.

WIRELESS VS CABLAGGIO: PRINCIPALI PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE

Ogni sensore è progettato per dialogare attraverso uno standard di comunicazione preciso. Generalmente la scelta dell’utilizzo di sensori wireless rispetto a sensori cablati è dovuta alla capacità di trasmettere in ambienti “difficili” da cablare e alla capacità di trasmettere dati a lunga distanza.

Tuttavia, le potenzialità si scontrano spesso con problematiche legate alla durata delle batterie, all’affidabilità di comunicazione e alla capacità del canale di trasmissione.

Di seguito sono elencati i principali canali di comunicazione wireless (esclusi Wi-Fi o reti cellulari):

• RFID (Radio Frequency IDentification): identificazione automatica in radiofrequenza su corte distanze con alti livelli di precisione nello scambio di informazioni. Disegnati per applicazioni industriali.
• ZIGBEE: specifica per protocolli di comunicazione di reti costruite da radio digitali di piccole dimensioni e a bassa potenza. ZigBee si basa su uno standard IEEE 802. Trasmissioni su lunghe distanze e a basso consumo energetico. Disegnato sia per ambienti domestici, sia per applicazioni industriali.
• DECT ULE (Digital Enhanced Cordless Telecommunications Ultra Low Energy): comunicazione a corto raggio a basso consumo e con alti livelli di sicurezza dello scambio di dati. Disegnato per ambienti domestici.
• Z-WAVE: specifica per protocolli di comunicazione basati su onde radio a bassa energia. Disegnato per ambienti domestici.
• LoRa (Long Range): Comunicazione a lungo raggio a bassa potenza e a basso consumo energetico. Disegnato per ambienti domestici, industriali ed urbani.
• Bluetooth: comunicazione unidirezionale economica e sicura per reti personali attraverso una frequenza a corto raggio.
• NFC (Near Field Communication): comunicazione bidirezionale a corto raggio. Disegnato in origine per sistemi di pagamento.
• Sigfox: comunicazione bidirezionale per scambio di informazioni semplici a basso consumo energetico.

TECNOLOGIA LORA: PERCHE’ E’ MOLTO INTERESSANTE

Prima di parlare delle caratteristiche e peculiarità dei sensori LoRa è bene introdurre la tecnologia LoRa in generale e come si struttura.

LoRa è una tecnologia wireless che consente la trasmissione di dati su lunghe distanze e a bassa potenza. Essa costituisce una valida alternativa alla comunicazione cellulare nel caso sia necessario avere una connettività coperta su un lungo raggio. LoRa utilizza bande di radiofrequenza sub-gigahertz libere come 433 MHz, 868 MHz (Europa) e 915 MHz (Nord America).

Inoltre, la tecnologia LoRa consente bassi consumi e si pone come soluzione di lungo periodo per tutti quei dispositivi IoT che vogliono garantire servizi duraturi negli anni (3-8 anni). La durata della batteria dipende comunque dalla frequenza di misurazione e dalla frequenza di trasmissione: per durare 5 anni si deve ragionare su frequenze intorno ai 15 minuti.

La distanza di trasmissione può raggiungere i 2 km per gli ambienti urbani ad alta densità e fino ai 15 – 20 kmper spazi senza ostacoli di connettività.

SISTEMI DI MONITORAGGIO LORA: L’ARCHITETTURA

Per strutturare una rete LoRa privata ed inserirla in un contesto concreto, vi è bisogno di 3 elementi fondamentali che compongono l’architettura della rete LoRa: uno o più nodi o sensori, un gateway LoRa ed un server di rete. Esistono anche reti Lora pubbliche a cui è possibile collegarsi pagando un canone annuo (generalmente da 1 a 8 dollari).

• Nodi o Sensori LoRa: sono gli elementi finali della rete LoRa che effettuano il rilevamento del dato e quindi il monitoraggio dell’oggetto che si desidera tenere sotto controllo. Questi sensori sono normalmente situati in prossimità dell’oggetto o direttamente a contatto con esso. Essi comunicano con il Gateway LoRa da remoto attraverso la rete a lunga distanza.
• Gateway LoRa: riceve le informazioni provenienti dai sensori LoRa e poi le trasferisce alla rete generale. Il gateway LoRa può trasferire il dato tramite Ethernet o attraverso qualsiasi altro collegamento di telecomunicazione. Infine, il o i gateway sono collegati al server di rete con connessioni IP per attribuire al dato un protocollo standard.
• Server di rete LoRa:gestisce la rete stessa. Il server di rete elimina i pacchetti duplicati, oltre a programmare e a regolare la velocità di acquisizione dei dati.

SENSORI LORA: CARATTERISTICHE E PECULIARITA’

I sensori LoRa offrono diverse caratteristiche e peculiarità a seconda della loro progettazione. In generale, le peculiarità più comuni sono: geolocalizzazione, connettività sicura, interoperabilità globale, bassi consumi, basso costo e lungo raggio. Va però sottolineato che ogni giorno la ricerca e lo sviluppo che tratta il tema Long Range sta facendo passi in avanti al fine di portare nel mercato una tecnologia sempre più moderna e innovativa con nuove funzionalità interessanti.

SENSRORI LORA: APPLICAZIONI PER INDUSTRIA, COSTRUZIONI ED INFRASTRUTTURE

Gli ambiti di applicazione della tecnologia LoRa sono molteplici ed in aumento, qui di seguito solo alcuni esempi:

• SMART CITY
  • controllo dell’illuminazione stradale in aree urbane e rurali;
  • smart parking (sensori di presenza auto)
  • gestione rifiuti (sensori nei cassonetti e nei cestini per segnalare quando sono pieni)
• INDUSTRIA
  • Rilevamento incendi
  • Rilevazione parametri di lavoro di macchinari ed attrezzature
  • Controllo degli accessi
• REAL ESTATE
  • Sicurezza domestica
  • Monitoraggio della qualità dell’aria nei luoghi chiusi
  • Videosorveglianza
  • Controllo dei consumi energetici
• COSTRUZIONI e INFRASTRUTTURE
  • Gestione degli accessi in cantiere
  • Monitoraggio del posizionamento e dei parametri di funzionamento dei macchinari
  • Monitoraggio delle sollecitazioni di ponti e cavalcavia
  • Monitoraggio presenza di acqua nei cementi armati
• AGRICOLTURA e ALLEVAMENTO
  • monitorare la maturazione dei prodotti
  • irrigazione intelligente
  • tracciabilità della filiera produttiva
  • condizioni di salute degli animali

La raccolta di tutti questi dati abilita 2 differenti modalità di utilizzo:

• in tempo reale, per poter attivare rapidamente interventi correttivi
• raccolta dati storici, per poter fare analisi più complesse a supporto di manutenzioni predittive, miglioramento della conoscenza di un determinato fenomeno, definizione di gare d’appalto future, creare documenti di tracciabilità di prodotto e processo, ecc.

Digitalnology ha testato in questi mesi l’introduzione di sensori LoRa in molti di questi ambiti ed i risultati sono estremamente validi. Alcuni esempi legati al settore delle costruzioni e delle infrastrutture:

• misurazione della temperatura dei calcestruzzi durante il processo di maturazione (in impianti di prefabbricazione fissi e a carosello);
• misurazione dei livelli di riempimento di silos e cisterne;
• geolocalizzazione di macchinari e attrezzature mobili.

Il tutto senza passare da costosi cablaggi fisici ma semplicemente posizionando correttamente i sensori, anche su oggetti in movimento. Inoltre, grazie alla loro interoperabilità, il sistema di monitoraggio è in grado di dialogare con i sistemi gestionali e applicativi già presenti in azienda, così da ridurre notevolmente i tempi di installazione dovuti ai protocolli di comunicazione e di sicurezza per la salvaguardia dei dati.