Soluzioni di Illuminazione per la Smart City.

Soluzioni di Illuminazione per la Smart City

Negli ultimi anni, le soluzioni di illuminazione hanno svolto un ruolo essenziale nella trasformazione delle città in ‘smart cities’, ovvero in città intelligenti. Questo processo continuerà nei prossimi anni, supportato dalla disponibilità sempre più ampia di sistemi di connessione wireless e dispositivi industriali di Internet of Things (IIoT), due elementi chiave nella maggior parte delle strategie di smart city in tutto il mondo.

Le opportunità che le città possono cogliere con l’installazione di soluzioni di illuminazione intelligente non si limitano al risparmio energetico, ma includono una riduzione degli interventi di manutenzione (con conseguente riduzione significativa dei costi), miglioramento dell’impatto ambientale e maggiore sicurezza per i cittadini.

L’illuminazione pubblica delle strade ha un effetto determinante sulla sicurezza, sull’economia e sul modo in cui i cittadini vivono la propria città. Tuttavia, l’energia richiesta per l’illuminazione stradale rappresenta una spesa importante, mentre la domanda di illuminazione sta crescendo in modo significativo a causa della rapida urbanizzazione. Da qui la necessità di adottare soluzioni più intelligenti ed efficienti per ridurre i costi.

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L’illuminazione intelligente

L’installazione di soluzioni di illuminazione intelligenti svolge un ruolo chiave nella strategia per la smart city, in cui i sistemi di illuminazione per esterno, come l’illuminazione stradale, costituiscono la spina dorsale di una rete in cui i servizi vengono forniti a vantaggio dei cittadini, delle imprese e della municipalità.

In tutto il mondo, un numero sempre crescente di città ha scelto di installare sistemi di illuminazione intelligenti, oppure di aggiornare gli apparecchi esistenti, per sfruttare i molteplici vantaggi offerti delle applicazioni IoT.

Le moderne soluzioni di illuminazione intelligente consentono infatti di monitorare l’ambiente, aumentare la sicurezza pubblica e del traffico, aggiornare la connettività (come, ad esempio, gli hotspot WiFi), oppure fornire ai cittadini dei servizi basati sulla posizione, come il parcheggio intelligente e la navigazione intelligente.

L’illuminazione intelligente combina dispositivi dotati di led ad alta efficienza energetica e lunga durata con sensori e connettività wireless. Le città sono così in grado di gestire, monitorare e controllare da remoto l’illuminazione di strade, parchi e piazze tramite un unico pannello di controllo.

I lampioni stradali possono accendersi e spegnersi in modo automatico, oppure attenuare la propria luminosità adeguandosi all’intensità della luce ambientale. Inoltre, i dispositivi di illuminazione equipaggiati con sensori di movimento possono accendersi automaticamente all’avvicinarsi di una persona o di un veicolo.

In genere, l’illuminazione stradale intelligente copre grandi aree urbane attraverso una fitta rete di dispositivi. Ciò fornisce un’infrastruttura affidabile anche per altre funzionalità IoT, come cestini dei rifiuti intelligenti, parchimetri e sensori di qualità dell’aria.

Smart lighting: i vantaggi

I sistemi di illuminazione stradale intelligente offrono alle città diversi vantaggi:

  • L’elevata efficienza dei led riduce il consumo energetico fino al 70% rispetto agli apparecchi tradizionali. Utilizzando un controllo automatizzato dell’illuminazione intelligente, è possibile raggiungere un risparmio energetico totale fino all’80%. Ciò consente alle città di ridurre i costi operativi, l’impatto ambientale e l’impronta di carbonio. Inoltre, Basta i led permettono un risparmio fino al 90% rispetto alle lampade tradizionali e hanno una durata di vita fino a 20 volte maggiore;
  • Ottimizzazione degli interventi di manutenzione attraverso la notifica automatica dei malfunzionamenti o guasti rilevati sui dispositivi di illuminazione;
  • Controllo remoto automatizzato e programmazione dello stato ON/OFF dei sistemi di illuminazione. Ciò consente di fornire sempre il giusto livello di luminosità in base all’intensità della luce ambientale, alla presenza di veicoli o pedoni nell’area, o all’ora del giorno;
  • Miglioramento della sicurezza. Le soluzioni di illuminazione innovative possono dare un contributo decisivo alla sicurezza, sia nelle aree urbane che in quelle rurali. Strade e piazze ben illuminate assicurano che i pedoni o i ciclisti abbiano una buona visibilità e, cosa ancor più importante, siano visibili dagli altri.

Altre potenziali funzionalità addizionali offerte dalle soluzioni di smart lighting sono le seguenti:

  • Connettività mobile a banda larga;
  • Controllo dell’illuminazione semaforica;
  • Smart parking;
  • Gestione del traffico;
  • Ricarica dei veicoli elettrici (EV);
  • Monitoraggio ambientale (qualità dell’aria, intensità del rumore, ecc.);
  • Sicurezza pubblica attraverso videocamere.

In Figura 1 è visibile un esempio di lampione intelligente, dotato di led ad alta luminosità, controllo remoto, telecamera di videosorveglianza e pannello solare per la ricarica delle batterie.

Figura 1: Esempio di lampione intelligente dotato di funzionalità aggiuntive (Fonte: Philips).
Figura 1: Esempio di lampione intelligente dotato di funzionalità aggiuntive (Fonte: Philips)

Aspetti progettuali

In questo paragrafo verranno esposte alcune considerazioni utili per la progettazione di sistemi di illuminazione intelligenti.

Un primo aspetto riguarda la rete di illuminazione intelligente, la quale deve adattarsi ad aree urbane in continua espansione. A questo proposito, uno standard open a cui si può fare riferimento è sicuramente il Wi-SUN, il quale supporta l’interoperabilità, la gestione di servizi multipli e la connettività wireless sicura su reti mesh. Lo standard, gestito dalla Wi-SUN Alliance a cui hanno aderito oltre 300 aziende, può essere utilizzato per creare reti di comunicazione wireless con un elevato numero di dispositivi IoT outdoor. La rete mesh Wi-SUN offre la tecnologia di connettività wireless più scalabile per le applicazioni smart city, inclusa l’illuminazione stradale, consentendo alle città di installare e scalare fino a qualche centinaio di migliaia di sistemi di illuminazione, contenendo al minimo i costi.

L’interoperabilità è un secondo fattore cruciale da considerare in ottica smart city. Per gestire correttamente e in modo uniforme le esigenze di illuminazione su un territorio molto ampio (ad esempio, un’intera regione italiana), occorre l’interoperabilità tra dispositivi offerti da fornitori diversi. Ciascuna municipalità potrebbe così essere in grado di scegliere la soluzione hardware che ritiene più opportuna alle proprie esigenze e al budget disponibile, senza doversi preoccupare di possibili problemi di compatibilità. Inoltre, ciò consente una maggiore concorrenza tra i fornitori, maggiore trasparenza e riduzione del costo totale di proprietà. L’interoperabilità è uno dei punti cardine dello standard Wi-SUN.

Come per ogni sistema ‘smart’ connesso in rete, anche nell’illuminazione stradale intelligente la sicurezza è un aspetto progettuale dal quale non si può prescindere. Qualsiasi dispositivo collegato alla rete cittadina può potenzialmente esporre l’infrastruttura stessa agli attacchi di hacker o malintenzionati. Ciò richiede l’utilizzo di sistemi hardware e protocolli di comunicazione in grado di assicurare l’integrità e la sicurezza dei dati, oltre ad impedire infiltrazioni non autorizzate dall’esterno. Lo standard Wi-SUN, ad esempio, offre un’infrastruttura a chiave pubblica integrata per consentire solo ai nodi autenticati di accedere alla rete.

Direttamente collegato al tema della sicurezza è la videosorveglianza, una funzionalità opzionale dei sistemi di illuminazione intelligente molto utile in ambito cittadino. L’integrazione dei sistemi di videosorveglianza (come le telecamere dome) nei lampioni intelligenti è relativamente semplice e fornisce ai dispositivi illuminazione pubblica un vantaggio rilevante per la sicurezza. I livelli di luminosità e la temperatura di colore della luce possono essere controllati in base all’ora del giorno e alla stagione. In alcuni modelli, gli intervalli possono anche essere regolati da sensori in modo che reagiscano in modo flessibile al volume del traffico.

Affinché un sistema di illuminazione possa ritenersi ‘smart’, occorre non solo che sia connesso a una infrastruttura di rete, ma dovrà anche essere equipaggiato con opportuni dispositivi elettronici, noti come ‘smart node’, o nodi di telecontrollo. Il telecontrollo è una soluzione combinata hardware/software che consente di monitorare, controllare e gestire l’impianto di illuminazione pubblica da remoto. Pertanto, ciò presuppone il trasferimento di informazioni bidirezionale tra l’impianto e il centro di controllo.

Le informazioni da e verso i sistemi di illuminazione smart sono veicolate verso opportuni gateway di rete, ovvero dei concentratori posizionati tipicamente nei quadri elettrici o in punti dotati di buona ricezione del segnale wireless. Tali gateway, a loro volta, inviano i dati ricevuti dai nodi verso la piattaforma software di elaborazione centrale.

La tipica struttura di un sistema di illuminazione intelligente, visibile in Figura 2, comprende:

  1. Sorgente luminosa. Grazie ai significativi vantaggi offerti (elevata durata e consumo energetico ridotto), i led hanno progressivamente sostituito le vecchie lampade HID in tutto il mondo;
  2. Portalampada (opzionale, utilizzato soprattutto per le lampade HID). Questo componente supporta i collegamenti elettrici e consente di sostituire la lampada in modo comodo e sicuro;
  3. Circuito ballast o driver: ha la funzione di ridurre la tensione e regolare la corrente elettrica in modo tale da produrre un’emissione luminosa costante;
  4. Controller: è il vero e proprio cuore del dispositivo di illuminazione intelligente. Esso consente il controllo individuale della lampada, l’accensione, lo spegnimento e la regolazione, il funzionamento autonomo, la programmazione intelligente, il controllo remoto, la misurazione dei parametri ambientali, le notifiche di malfunzionamento, e altro ancora.
Figura 2: Struttura di un lampione intelligente per smart city (Fonte: Intelilight).
Figura 2: Struttura di un lampione intelligente per smart city (Fonte: Intelilight)

Poiché il controller è una parte essenziale di ogni dispositivo smart lighting, negli ultimi anni investimenti e iniziative significativi sono stati compiuti nell’ottica di standardizzare i connettori delle lampade. Il motivo principale è facilitare l’aggiornamento regolare delle lampade e l’installazione rapida del controller. Attualmente, i due principali standard utilizzati per la connessione, NEMA (Stati Uniti) e Zhaga (Europa), offrono opzioni per il montaggio ‘plug and play’ che consentono l’installazione del controller in pochi secondi, riducendo al minimo i costi di implementazione.

L’utilizzo di connettori standard permette l’installazione dei controller su qualsiasi lampada, purché lo stesso sia compatibile con il porta-lampada. L’utilizzo di connettori offre tutti i vantaggi del controllo intelligente dell’illuminazione nella smart city e facilita eventuali aggiornamenti futuri.

Stefano Lovati
Dopo aver conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica al Politecnico di Milano, Stefano ha iniziato a lavorare, inizialmente, come progettista digitale e sviluppatore firmware. Negli anni ha maturato una solida esperienza nella progettazione di sistemi embedded, anche con prestazioni real-time, con applicazioni nei settori avionico, trasporti e telecomunicazioni. Stefano ha una profonda passione per tutto ciò che riguarda le tecnologie elettroniche e l'innovazione in generale, curando nel tempo libero la stesura di alcuni articoli tecnici inerenti il mondo dell'elettronica.