Tecnologie di comunicazione degli smart meter, quali sono e come gestirle

Il tema delle tecnologie di comunicazione sottese al funzionamento degli smart meter è un tema tanto importante quanto poco trattato. I misuratori intelligenti, infatti, possono essere classificati in diversi modi, a seconda del criterio che si sceglie per farlo. Ad esempio, se si considera l’ambito della misura, è possibile distinguere meter gas, elettrici o idrici. Una delle caratteristiche principali con le quali si usa classificarli, però, è proprio la tecnologia con cui essi comunicano. In questo approfondimento, cercheremo di conoscere meglio quali sono e come funzionano.

Le tecnologie di comunicazione

In base alla modalità di comunicazione che si stabilisce tra i meter e il Sistema di Acquisizione Centrale (SAC), è possibile suddividere i contatori in due grandi famiglie:

• in prima istanza, abbiamo i meter con tecnologia punto-punto, che stabiliscono una sessione di comunicazione diretta con il SAC. In questo caso, le richieste e le risposte si svolgono all'interno della stessa sessione e, perciò, si parla di comunicazione sincrona;
• i meter con tecnologia punto-multipunto, invece, comunicano con il SAC attraverso altri dispositivi (i concentratori che fungono da intermediari tra un certo numero di meter e il SAC, concentrando appunto i dati di più meter), dando vita ad una conversazione che include richieste e risposte da eseguire in più sessioni di comunicazione. In questo secondo caso, si parla di comunicazione asincrona. 
  

Un’altra classificazione molto comune per i contatori è sulla base del mezzo che supporta la comunicazione dei pacchetti dati scambiati tra meter e SAC. Ne conosciamo quattro tipi:

• Power Line Communication (PLC), utilizzabile nel solo scenario operativo dei sistemi di smart metering elettrico e che utilizza i cavi elettrici per la trasmissione dei dati;
• Telephone Line Communication, che utilizza le linee telefoniche tradizionali per il trasporto dei dati;
• Fiber Optic Communication, che si appoggia sulla fibra ottica;
• Wireless Communication, che comprende le tecnologie più utilizzate nello smart metering.

Le Wireless licensed technologies: il settore gas

A seconda del servizio di distribuzione, le tecnologie utilizzate sono differenti. Nel gas, le più utilizzate fino ad oggi sono la RadioFrequenza 169/868 MHz e la GSM/GPRS. Tipicamente, la prima è comune nei misuratori domestici, mentre per i misuratori di medio o grosso calibro si usa la seconda.

La comunicazione in RadioFrequenza, che rientra tra le punto-multipunto, prevede che il contatore invii i dati ad un altro dispositivo prima che al Sistema di Acquisizione Centrale, il concentratore. La rete di comunicazione in RadioFrequenza, infatti, si fonda sul meccanismo per il quale i concentratori raccolgono i dati di un certo numero di meter in un raggio d’azione specifico (fino a circa 1 km in un ambiente urbano denso) per poi inviarli al concentratore tramite onde radio. Successivamente, il concentratore invia i dati al SAC tramite comunicazione GPRS. Allo stesso modo, seguendo la direzione inversa, i comandi indirizzati al meter passano per il concentratore fino ad arrivare a destinazione. I vantaggi dell’uso della RadioFrequenza nello smart metering sono un consumo molto basso della batteria dei contatori, l’elevata capacità di penetrazione del segnale all’interno degli edifici e, in generale, un buon raggio d’azione dei concentratori (fino a circa 1 km in un ambiente abitato, 10 km senza ostacoli urbani), oltre che una connessione gratuita, se l’infrastruttura di rete è già predisposta e pronta all’uso. Al contrario, se l’infrastruttura non è ancora presente, l’investimento per costruirla è molto oneroso e può rappresentare un ostacolo per l’impresa che vuole avviare l’approvvigionamento di meter a RadioFrequenza.

L’altra tecnologia diffusa nel settore gas è quella GSM/GPRS, che rientra tra le tecnologie punto-punto. Essa non si basa sull’uso di concentratori: gli smart meter, infatti, comunicano direttamente con il SAC attraverso la rete internet, utilizzando una vera e propria scheda SIM, fornita da un gestore telefonico, e appoggiandosi ai pacchetti TCP/IP della rete stessa. Il vantaggio più grande, quindi, della tecnologia GSM/GPRS è la capacità di far comunicare contatori e Sistema Centrale senza un’infrastruttura di rete proprietaria e dedicata, superando il problema dell’investimento iniziale per costruirla. Inoltre, gli smart meter a GSM/GPRS hanno una bassa necessità di manutenzione della rete di comunicazione, riducendo quindi le spese per la stessa nonché i tempi per portarla a termine. Gli svantaggi, tuttavia, non sono irrilevanti: le batterie degli smart meter sono sottoposte a uno sforzo che le consuma più velocemente e, spesso, la comunicazione trova difficoltà a penetrare materiali più pesanti. Infine, se è vero che non è necessaria un’infrastruttura di rete come quella su cui si basa la tecnologia in RadioFrequenza, vanno considerati gli oneri relativi alle SIM e agli abbonamenti con il provider telefonico.

Le Wireless licensed technologies: il settore acqua

Nel settore idrico, la situazione è differente. Lo smart metering è arrivato su larga scala molto più tardi rispetto al gas e ciò ha comportato l’adozione di tecnologie più attuali rispetto alla RadioFrequenza o al GSM/GPRS, che non richiedono infrastrutture dedicate o che si basano su tipologie di connessioni più recenti: stiamo parlando delle reti LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) e della già menzionata NB-IoT. La prima, che rientra tra le tecnologie punto-multipunto in radiofrequenza, è quella utilizzata nelle zone più dense di popolazione, per le quali ha più senso costruire una rete con pochi concentratori che ascoltano migliaia di meter. In generale, la LoRaWAN è una delle tecnologie più utilizzate negli ultimi anni, per via dei vantaggi che presenta. L’ampio raggio di copertura, misto al basso consumo della batteria dei meter, rappresenta uno dei punti cardine nella scelta della tecnologia dei meter da parte dei distributori. Dall’altro lato essa necessita della costruzione di un’infrastruttura di rete, con concentratori e network server. La tecnologia NB-IoT, invece, nell’idrico, viene utilizzata prevalentemente nelle zone scarsamente popolate. In queste aree, la bassa densità abitativa rende poco utile, in termini di costi-benefici, la costruzione di una rete LoRaWAN. Pertanto, i meter punto-punto come gli NB-IoT, capaci di comunicare anche in condizioni di scarsa copertura di rete, risulta più funzionale. 

Le Wireless licensed technologies: il settore elettrico

In Italia, nel settore elettrico, gli smart meter hanno una storia a sé. Quello elettrico, infatti, è l’ambito nel quale lo smart metering ha preso piede prima che negli altri, a partire dal 1998. In un contesto praticamente monopolistico, con ENEL unico fornitore di energia elettrica in Italia (ad oggi, ENEL possiede l’88% delle quote di mercato), la tecnologia più diffusa è la Power Line Communication.

La PLC è utilizzabile nel solo scenario operativo dei sistemi di smart metering elettrici e consiste nella trasmissione di misure e altri dati attraverso le linee elettriche. Successivamente, i dati arrivano a un punto di raccolta, di solito la sottostazione di distribuzione che alimenta il misuratore stesso, in cui è installato un concentratore. Solo in alcuni casi, i dati raggiungono un punto di raccolta situato in prossimità di un trasformatore di distribuzione. Dai punti di raccolta, i dati vengono, quindi, consegnati ai Sistemi di Acquisizione Centrale.

I vantaggi della tecnologia PLC sono diversi. Innanzitutto, essa si basa su un'infrastruttura esistente, in quanto la rete elettrica e quella telefonica erano già preesistenti rispetto all’arrivo dello smart metering. Pertanto, l’onere della costruzione della rete necessaria alla comunicazione è già abbattuto in partenza. Inoltre, gli smart meter sono molto efficaci anche nelle zone a bassa densità e sono in grado, grazie alla rete, di lavorare su lunghe distanze. Dall’altro lato, la Power Line Communication presenta alcuni svantaggi: l’attenuazione su alcune frequenze, a causa della commutazione casuale di dispositivi elettrici su una rete di distribuzione dell'alimentazione, può portare a modifiche dei parametri di potenza. In più, il rumore di apparecchiature elettriche utilizzate sulla rete come alimentatori e inverter a commutazione può causare diverse interferenze. Infine, le variazioni di impedenza di carico possono influenzare le tensioni del segnale.

Per ovviare agli svantaggi della PLC, negli ultimi anni sono state affiancate tecnologie wireless di back up in aggiunta alla PLC e sono stati avviati diversi esperimenti con tecnologie punto-punto, ancora minoritarie in termini di numero, ma in costante crescita.