Zigbee Green Power 1.1, Enocean e l’importanza di Energy Harvesting per una domotica sostenibile

Ma se aggiungiamo nuovi dispositivi smart in casa non dobbiamo spendere energia per alimentarne un numero sempre maggiore? La risposta viene dalla Zigbee Alliance con Green Power e potete usare la tecnologia già nella vostra casa intelligente.

Zigbee Green Power 1.1, Enocean e l’importanza  di Energy Harvesting per una domotica sostenibile

Se il nostro futuro è quello di avere una casa sempre più piena di sensori e strumenti che automatizzano il comportamento del sistema di illuminazione, riscaldamento, raffreddamento e di distribuzione dell’acqua dobbiamo capire che questo popolamento non avviene a saldo zero in termini energetici e che spesso, ad esempio, ad ogni luce che diventa smart per ridurre i consumi corrisponde una radio wireless costantemente accesa che rappresenta un consumo fisso. 

Per questo motivo, pur potendo gestire qualsiasi tipo di comunicazione tra dispositivo e gateway attraverso il Wi-Fi, i sistemi domotici più intelligenti e più complessi ricorrono a protocolli di trasmissione senza fili meno voraci di risorse energetiche come Zigbee, Z-wave, Bluetooth, etc. che non hanno la neccessità di gestire stream continui di dati da e verso il router e non affollano le sue porte inserendosi nel traffico di comunicazione con il nostro smartphone, smartwatch, smartTV etc etc..

In realtà il protocollo storicamente meno esoso in termini energetici della storia della domotica moderna è stato ed è Enocean ma alcuni problemi di gestione iniziale dei dispositivi all’interno di sistemi complessi con IP e i costi di licenza hanno rallentato la sua diffusione: i dispositivi Enocean sono stati tra i primi a supportare quello che si chiama “Energy Harvesting” e cioè la possibilità di raccogliere l’energia dall’ambiente per fare a meno di pile e alimentazione continua.

Enocean oggi, pur non rinunciando a diffondere i suoi prodotti per molti versi unici ha messo la sua esperienza a disposizione di altri protocolli per progetti che si distinguono per l’alto livello di sostenibilità: vediamo come.

Zigbee Green Power 1.1, Enocean e l’importanza di Energy Harvesting per una domotica sostenibile

Come si ottiene l’Energy Harvesting

Il trucco per ottenere l’energia dall’ambiente è quello di raccogliere non solo il potenziale dei raggi solari come può avvenire con piccolissimi pannelli fotovoltaici posti in corrispondenza dei sensori (li usiamo già da tempo nelle calcolatrici, nelle lampade da giardino e si trovavano già da tempo anche in alcuni sensori Enocean) ma anche di capitalizzare il delta delle temperatura con dei microgeneratori che sfruttano gradienti termici: si ottengono così i generatori termoelettici a bassissima tensione. C’è poi la possibilità di sfruttare le emissioni elettromagnetiche che possono essere raccolte da un sensore un po’ come accade per l’alimentazione “esterna” degli identificatori RFID.

Infine, ed è sicuramente il sistema più semplice per raccogliere energia per interruttori e dispositivi ad azionamento meccanico si può convertire il moto meccanico stesso con cristalli piezoelettrici che sottoposti a deformazione generano piccoli potenziali elettrici in grado di alimentare circuiti a basso assorbimento (si veda il comando Tap di Philips Hue).

Ed è ciò che avviene in molti di questi piccoli oggetti, sensori, interruttori che popolano la nostra casa sempre più smart: la loro evoluzione porterà da una parte a richieder sempre meno energia e dall’altra a sfruttare il potenziale energetico degli elementi e dei campi in cui sono immersi.

Zigbee Green Power 1.1, Enocean e l’importanza di Energy Harvesting per una domotica sostenibile

Zigbee e Green Power 1.1

Se purtroppo Enocean da sola ha stentato a diventare un protocollo diffuso a livello commerciale (ma ha interessanti impieghi in campo professionale in diversi paesi europei) non altrettanto si può dire di Zigbee che pur con qualche fatica dal punto di vista di concordanza sulle regole da parte dei diversi attori (a differenza di Z-wave qui non c’è un singolo produttore del chip principale) si sta sicuramente affermando tra i protocolli “a basso consumo” più usati grazie alla marea di produttori in gioco e all’enorme impatto che ha avuto ed ha Philips con la sua serie Hue seguita da Osram e l’adesione dei nuovi produttori di hub domotici come Amazon che hanno introdotto Echo Plus ed Echo show direttamente compatibili con Zigbee. 

Zigbee come dicevamo all’inizio nasce già come un protocollo di comunicazione a basso consumo: lo scopo è quello di cambiare meno frequentemente possibile la batteria nei sensori che piazzate in giro per la casa e che non possono essere collegati alla rete elettrica: sensori di presenza, sensori di apertura finestra, sensori di illuminazione, temperatura, pressione atmosferica etc… Il cambio della batteria è sicuramente una delle operazioni più scomode da effettuare, sopratutto se avete una abitazione fortemente “sensorizzata”.

Ecco quindi che la Zigbee Alliance a  metà del 2018 ha sviluppato, con la collaborazione di Enocean, un nuovo standard denominato “Green Power 1.1” che permette di produrre interruttori elettrici che non richiedono l’uso di alcuna batteria. In realtà dietro questo passo avanti c’è la collaborazione di Enocean che ha messo il suo Know How a disposizione sia della Zigbee Alliance che di Bluetooth SIG.

L’energia che è richiesta per azionare manualmente l’interruttore viene raccolta ed utilizzata instantaneamente per trasmettere i dati al dispositivo che deve riceverli: una lampada, un gateway che gestisce le scene, un sistema di chiusura delle tapparelle collegato alla rete elettrica etc.

Se da un lato per GreenPower 1.1 si è lavorato sull’alimentazione con tecnologie di Energy Harvesting, dall’altro si è studiato un minore passaggio di dati per ridurre al massimo i consumi e questo si è ottenuto in tre modi:

– I dispositivi Zigbee normali si basano su indirizzi MAC a 64-bit, Green Power usa indirizzi 32-bit Source ID che identificano i dispositivi

– Green Power 1.1 usa alcune ottimizzazioni cross-layer per evitare il sovraccarico nella struttura dei pacchetti. Ad esempio combina i report da diversi cluster all’interno di un singolo pacchetto.

– Green Power  1.1 divide la funzionalità dei dispositivi compatibili con i nodi dell’infrastruttura in maniera asimmetrica. I dispositivi vengono mantenuti più semplici possibile mentre l’intelligenza necessaria per il routing è scaricata verso l’infrastruttura di supporto (dispositivi di routing Zigbee 3.0) e questo riduce le dimensioni degli header di pacchetto necessari.

Tornando ai singoli dispositivi: come abbiamo visto il piccolo azionamento meccanico degli switcher è in grado di fornire la ridotta potenza elettrica per gestire la trasmissione.

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Friends of Hue la prima applicazione commerciale di largo impatto

La prima applicazione pratica di grande impatto commerciale è sicuramente quella degli interruttori che fanno parte del sistema Friends of Hue mostrato al pubblico nell’autunno 2018: moltissimi produttori di serie civili in tutto il mondo hanno aderito al programma e sono in grado, da fine 2018, di offrire al pubblico interruttori “smart” che non hanno bisogno di essere connessi alla rete elettrica e che non hanno bisogno di batterie per funzionare. 

Dall’altra parte avranno un Hub Philips basato su Zigbee e delle lampade (fino a 50) per esterno ed interno con cui comunicare per gestire  non solo l’accensione o lo spegnimento o anche la regolazione fine dell’intensità di una singola lampada ma anche l’attivazione manuale di una scena di illuminazione complessa o (attraverso sistemi aggiuntivi come Homekit) di scenari che vedono coinvolti altre tipologie di dispositivi (come termostati, tapparelle, apertura finestre, erogazione acqua e gas etc).

La tecnologia con vengono brandizzati gli interruttori porta in alcuni casi il marchio di Enocean e in alcuni casi il generico Zigbee.

Recensione Vimar Friends of Hue gli interruttori di superficie senza batterie compatibili Homekit

I vantaggi

Di fatto i risparmi in termini di sostenibilità con un interruttore dotato di Energy Harvesting sono i seguenti

  • L’interruttore non necessita di collegamento con fili in rame, di fori nel muro, di energia necessaria per ricavare fili, per tagliare cartongesso o laterizio e ricostruire l’intonaco sia della scatola (risparmio nella plastica per il box) che delle tracce murarie
  • Non serve comprare batterie e non è necessario pensare al loro approvigionamento e smaltimento
  • Non è richiesta energia dalla rete per gestire la radio interna che trasmette i dati
  • L’uso intelligente delle lampade collegate, la possibilità di spegnimento automatico o accensione in caso della sola presenza è figlio indiretto della più generale automazione o “domotizzazione” della casa che la semplicità di installazione di un interruttore con energy harvesting rende più immediata.

Un primo esempio di interruttore con Energy Harvesting con ampia diffusione commerciale sul mercato italiano è quella di Comando Smart di Vimar, facente parte della serie Friends of Hue. Ne parliamo su questa pagina di macitynet.it.