Un approccio nuovo alla rete elettrica domestica: rete ad 'intelligenza distribuita'.

In Fig. 1 è mostrata una tipica rete domestica di distribuzione dell'energia elettrica, con n prese P ed m punti luce L, ognuno dei quali controllato da interruttori I o deviatori D.

Fig. 1

Come si vede, è un sistema rigido, non facilmente modificabile se non a prezzo lavori di muratura e/o di inserimento di nuovi conduttori nelle canaline predisposte. Inoltre non è facilmente adattabile per introdurre sistemi economici di controllo dei consumi energetici. In Fig. 2 è mostrata una rete elettrica di nuova concezione: al posto di prese, interruttori e deviatori sono predisposti k 'punti di accesso' A, nei quali con attacchi 'a baionetta' (resi tutto sicuri dal punto di vista antinfortunistico) possono essere inseriti dei 'frutti' (come nelle linee attuali di componentistica elettrica) che possono essere 'punti di prelievo' (simili alle prese) e punti di controllo (simili ad interruttori, deviatori, ma anche tutta una serie di dispositivi di nuova concezione).

Fig. 2

Il sistema è altamente riconfigurabile, nel senso che tali 'frutti' possono essere estratti e spostati da un punto all'altro punto della rete, conservando perfettamente la loro funzione. I punti luce rimangono più o meno inalterati, ma sono tutti collegati in parallelo rispetto alla rete e senza le complicazioni circuitali per prevedere interruttori di accensione e spegnimento. L'unica accortezza è di inserire nel portalampada (o nel lampadario) un dispositivo ricevitore R.

I costi di produzione della componentistica base di tale nuova rete (punti di accesso, punti di controllo semplici cioè facenti funzione di interruttori/deviatori e ricevitori per punti di luce) devono essere solo del 10-20% maggiori della componentistica attualmente in uso. Questa condizione, per la quale si dovranno sviluppare tecniche di ingegnerizzazione sofisticate per ottenere prestazioni affidabili a costi bassissimi, insieme alla condizione di ingombro pari alla componentistica attuale, rendono il progetto particolarmente ambizioso. La vera scommessa è però che l'insieme di tali dispositivi abbia un consumo energetico trascurabile o almeno molto inferiore ai risparmi che potrà fornire.

Funzionamento della nuova rete elettrica domestica

I punti di accesso possono ospitare uno più dispositivi dalle seguenti funzioni:

- punto di controllo semplice: posto in un qualunque punto della rete elettrica domestica (non è necessaria alcuna forma di contiguità spaziale), consente di inviare un comando specifico di accensione/spegnimento ad un punto luce gemello (attraverso un modulo ricevitore) o ad un punto di prelievo. Si possono inserire quanti si vuole punti di controllo semplice per uno stesso punto luce/punto di prelievo. Viceversa di può controllare con un punto di controllo semplice più punti luce/di prelievo contemporaneamente. Il loro aspetto non dovrà essere molto diverso da un normale pulsante interruttore.

- punto di controllo multiplo: posto in un qualunque punto della rete elettrica domestica (non è necessaria alcuna forma di contiguità spaziale), consente di inviare un comando generale di accensione/spegnimento a tutti i punti luce/punti di prelievo abilitati a tale comando. Questi punti di controllo multiplo possono inviare il comando sulla base di elaborazione di dispositivi in essi incorporati (a loro volta programmabili e/o impostabili) con funzioni di timer (per eseguire comandi di accensione/spegnimento in determinati intervalli di tempo impostabili), controllo di temperatura, livello di luce naturale, movimento, semplice consenso manuale, ecc. Particolare menzione va riservata per un punto di controllo multiplo che ha anche un punto di prelievo, di cui misura la corrente passante: può essere programmato ad inviare un comando ai punti luce/punti di prelievo ad essi collegati di spegnimento se la corrente attraverso il punto di prelievo associato si abbassa sotto una soglia impostabile: in questo modo per esempio spegnendo un televisore con il relativo telecomando si provoca, senza alcun altro collegamento, lo spegnimento di tutti i dispositivi di contorno (DVD, VCR, decoder SAT e DTV, home theather, hifi, ecc.) se alimentati da punti di prelievo opportunamente predisposti.

- punto luce: in un qualunque punto della rete elettrica domestica è possibile connettere un ricevitore per punto luce: esso renderà possibile ad una lampada o ad un lampadario ad esso collegato la ricezione e l'esecuzione di un comando di accensione/spegnimento provenienti da punti di controllo. Potrà essere integrato nel portalampada o essere un dispositivo frapposto alle linee di alimentazione del lampadario. -punto di prelievo: in un qualunque punto della rete elettrica domestica si può inserire un punto di prelievo (compatibile con le attuali spine degli elettrodomestici); questi punti di prelievo sono accendibili o spegnibili (nel senso che permettono o meno il passaggio di corrente per l'elettrodomestico ad esso collegato), attraverso comandi provenienti da punti di controllo semplici o multipli.

- transcodificatori: sono particolari punti di controllo che ricevono l'abilitazione all'invio di comandi verso i punti luce/punti di prelievo della rete da altri dispositivi: si possono menzionare ad esempio telecomandi accoppiati in modo infrarosso o bluetooth, ma anche connessioni USB che permettono l'interfaccia dei dispositivi di rete con un PC. Con quest'ultimo transcodificatore, si possono eseguire vere e proprie azioni di controllo automatico di casa (domotica) a costi irrisori. Inoltre, sul PC possono essere installati dei software che esplorano la rete, ne identificano i componenti, ne rilevano i guasti e ne riprogrammano il funzionamento (anche in modo remoto con connessioni TCP/IP). Un singolo telecomando, con i tasti assegnati a funzioni di controllo semplice o multiplo, può quindi controllare tutte le connessioni elettriche di casa.

Tecnologia impiegata

L'invio di comandi fra i dispositivi trasmettitori (punti di controllo) ed i dispositivi ricevitori (punti luce/punti di prelievo) avviene utilizzando la ben nota tecnologia delle onde convogliate sulla linea elettrica. La frequenza scelta è 120/130 kHz, che è facilmente discriminabile dalla componente di potenza a 50Hz presente in rete. La generazione/ricezione dei comandi è realizzata da microcontrollori a bassissimo costo alimentati direttamente dalla rete elettrica. L'attuazione delle accensioni/spegnimento è realizzata da relè bifase, che realizzano alternativamente l'apertura o la chiusura di un contatto ad ogni impulso sul proprio circuito di eccitazione e non sono alimentati in condizioni normali (per garantire il minimo consumo energetico). Solo nel caso di funzioni complesse (come per i descritti transcodificatori ed alcune tipologie di punti di controllo multiplo) è previsto l'impiego di componentistica più costosa, quali sensoristica e microcontrollori più complessi.

Il protocollo di trasmissione

Esistono già sul mercato protocollo (coperti da brevetto) di trasmissione di onde convogliate su linea elettrica: fra questi il protocollo X10. Questo protocollo ha il vantaggio di rendere compatibili dispositivi di produttori diversi con uno standard comune di comunicazione. Ma ha alcuni svantaggi che ne hanno sconsigliato l'adozione:

- la necessità di dover pagare per esso delle royalty

- la non rilevanza di una compatibilità con altri componenti sul mercato

- la non ottimizzazione del protocollo allo scopo del presente progetto

Di tale standard si conservano le seguenti caratteristiche:

- sincronizzazione dei dispositivi sullo zero tensione della 50 Hz di rete

- presenza di una sequenza di start

- codifica binaria dei comandi come parole di una certa lunghezza (10-16 bit), realizzata con la presenza o l'assenza di carrier dell'onda convogliata nel range dei 120/130kHz

Le analogie si fermano qui: Non essendo critica la velocità di trasmissione del comando (il limite è che sia comunque più veloce dei tempi di reazione dell'uomo) si adottano tempi di trasmissione dell'ordine di quelli dei telecomandi ad infrarossi dei nostri comuni elettrodomestici: cioè da 100 a 200 millisecondi (intorno al decimo di secondo cioè). Quindi ogni bit della parola di comando sarà trasmesso in modo seriale ad ogni passaggio della componente di potenza a 50 Hz della rete (quindi ogni 10 millisecondi) attraverso la presenza o l'assenza intorno a tale zero del carrier a 125kHz.

Per garantire un certo livello di correzione dell'errore è prevista la costruzione del comando nel seguente modo:

- la presenza consecutiva di due treni di carrier costituisce lo start bit del comando

- il valore '0' binario è definito dall'assenza e dalla presenza consecuitive di un treno di carrier

- il valore '1' binario è definito dalla presenza e dall'assenza consecuitive di un treno di carrier

- ogni comando ha un numero fisso di bit (compreso il bit di start)

- l'assenza consecutiva di due treni di carrier costituisce il 'null' bit

Ogni altra configurazione non compresa nelle regole definite sopra permette di individuare una condizione di errore che fanno abortire la codifica e l'interpretazione del comando. In Fig. 3 si possono vedere esempi di trasmissione di comandi ed alcune condizioni di errore, per un comando composto da 10 bit + bit di start.

Fig. 3

Un ulteriore livello di correzione d'errore potrebbe essere l'aggiunta di un bit finale di parità (quindi nel caso del comando 1011000100 dell'esempio, l'undicesimo bit da aggiungere dovrebbe avere valore "0"). Come si vede, è una versione modificata del protocollo X10, più lenta, nella quale il treno di carrier a 120/130 kHz viene trasmesso quando la 50 Hz di rete ha i valori bassi (garantendo il migliore rapporto segnale/rumore a parità di potenza trasmessa).

Considerazioni preliminari sui consumi elettrici

L'attuale tecnologia dei microcontrollori permette di farli operare con consumi bassissimi. Prendendo a riferimento microcontrollori in commercio (costo indicativo inferiore ad 1USD=0,66 Euro), il loro consumo (compresi eventuali carichi) è comunque inferiore a qualche milliWatt. Con un occhio a Tab. 1, è evidente che ciascun dispositivo può essere perciò centinaia di volte meno dispendioso energeticamente di un singolo dispositivo in stand-by del tipo più efficiente.