Sistemi - Domotica e Controllo

La domotica è la materia che si occupa dell’integrazione delle tecnologie e degli impianti nelle abitazioni per realizzare case intelligenti, confortevoli, sicure e di semplice fruizione. Quest’area della scienza racchiude numerosi settori scientifici tra cui l’ingegneria civile, elettrotecnica, elettronica, delle telecomunicazioni e informatica. Il vantaggio principale offerto dalla domotica è quello di modellare la casa a proprio piacimento, in modo da poter interagire con essa in piena armonia e semplicità. La domotica è rivolta anche a disabili ed anziani che possono così muoversi liberamente nella propria casa e personalizzarla.

Gli obiettivi della Domotica sono:

    - Risparmio Energetico: Con un sistema domotico si possono controllare e gestire    tutti gli apparecchi collegati al sistema, quindi monitorare prese elettriche e punti luce che a volte vengono dimenticati accesi;

    - Confort, permettendo il controllo a distanza della propria casa tramite la rete Internet o la rete radiocellulare;

    - Sicurezza, viene considerata sia come fisica che telematica, perciò la domotica ha anche il compito di difendere la nostra casa e renderla sicura, proteggendola dalle intrusioni fisiche esterne con i sistemi antifurto e con sistemi per il controllo degli accessi (sistemi anti-intrusione) e con dei firewall e controlli degli accessi con codici di identificazione per quanto riguarda la rete collegata a Internet da cui possono arrivare minacce digitali.

    - Safety: non si tratta di una ripetizione del punto precedente, bensì si parla di sicurezza personale da malfunzionamenti della rete e degli impianti, ad esempio sistemi antincendio.

Ogni sistema domotico, a prescindere dai protocolli usati, prevede dei componenti con funzionalità comuni che sono:

    - Unità centrale: è il cuore del sistema domotico, elabora i segnali provenienti in input dai sensori e dalle interfacce utente e gestisce i dispositivi periferici. Può essere un pc dedicato o una centralina domotica con sistema operativo embedded;

    - Interfacce utente: sono una parte fondamentale, in quanto permettono all'utente finale di interagire con il sistema. E' necessario che le interfacce siano semplici e di facile utilizzo (user-friendly);

    - Dispositivi ausiliari: trasduttori, sensori (dispositivi che raccolgono i segnali dall'ambiente), attuatori (traducono i comandi ricevuti, in azioni sui dispositivi connessi);

I sistemi domotici in commercio sono principalmente di due tipi: proprietari e open. I sistemi proprietari fanno parte di quelle soluzioni che utilizzano hardware e software creato dalla ditta fornitrice del servizio, tra cui troviamo BTicino. I sistemi open fanno parte di quel tipo di sistemi che utilizzano solitamente tecnologia open-hardware, la quale consente una alta personalizzazione sia da parte del produttore che dell’acquirente. I sistemi open utilizzano tecnologie preesistenti e protocolli di comunicazione non proprietari. Le aziende che forniscono questi sistemi guadagnano principalmente sulla vendita dei KIT e dalla relativa installazione, dei pacchetti contenenti la soluzione domotica pronta all’uso e personalizzabile.

Le aree di automazione si possono distinguere in:

    1. Gestione dell’ambiente mediante Sensori o Attuatori, che rilevano dati o modificano l’ambiente in modo da soddisfare le esigenze dell’utente, come: la termoregolazione della casa (ad esempio mostrando la temperatura attuale e, secondo le condizioni climatiche, accendere o spegnere il riscaldamento o il climatizzatore), l’illuminazione dell’ambiente, e così via.

    2. Comunicazione ed informazione: Il sistema domotico deve consentirne non solo la gestione a distanza, ma anche la manutenzione repentina e sempre aggiornata di ogni singolo apparecchio. In questa categoria rientrano anche citofoni (generici o VOIP), telefonia in generale, accesso ad internet, ecc.

    3. Sicurezza: in questa categoria rientrano allarmi, antieffrazione e controllo accessi e transiti, meglio conosciuta come security e sistemi di protezione ambientale: antincendio, antiallagamento, fughe di gas, meglio conosciuta come safety.

Le soluzioni impiantistiche da utilizzare nella domotica sono:

    1.Sistema Bus con Cavo Dedicato: rappresenta la tecnologia più utilizzata. Il collegamento fisico  tra i vari dispositivi è un doppino intrecciato, al quale sono connessi in parallelo tutti i dispositivi tramite di un dispositivo elettronico di interfaccia.

Il BUS consente agli attuatori (dispositivi che eseguono un comando come luci, termosifoni, elettrovalvole ecc) ed ai sensori (i dispositivi che ricevono ordini come interruttori, termostati ecc) di comunicare. Il BUS, che deve passare attraverso tutti i componenti, provvede contemporaneamente all’alimentazione elettrica dei dispositivi ed allo scambio di informazioni tra di essi; questo significa che i dispositivi attuatori devono essere connessi sia alla linea BUS che alla rete elettrica.  Per risolvere eventuali problemi comunicativi tra dispositivi di diverse aziende produttrici è stato “creato” uno standard mondiale per la comunicazione tra i vari componenti dell’impianto: Konnex (KNX). KNX è lo STANDARD mondiale aperto per tutte le applicazioni di domotica e building automation: illuminazione, riscaldamento, ventilazione, condizionamento dell’aria, ombreggiamento, sistemi di sicurezza, monitoraggio, allarmi, gestione di energia, misurazione, elettrodomestici, audio/video e molte altre applicazioni. Un impianto KNX è costituito da sensori, attuatori, apparecchi di sistema e un mezzo. Un sensore è un dispositivo domotico che invia comandi, controlli o regolazioni ad altri dispositivi domotici. Possono essere ad esempio pulsanti, termostati, rilevatori di movimento o presenza, sensori di temperatura o luminosità, unità touch-screen, stazioni meteo, ecc. Ognuno di questi dispositivi rileva una grandezza fisica e la codifica in un messaggio (telegramma) che successivamente invia sul bus.
 

Un attuatore è un dispositivo domotico che riceve comandi, controlli o regolazioni inviati da altri dispositivi domotici. Possono essere ad esempio uscite di comando, dimmer, uscite di controllo per azionamenti motorizzati, attuatori per terminali HVAC, unità di visualizzazione, ecc. Ognuno di questi dispositivi riceve il messaggio (telegramma) dal bus e lo traduce nell’azione per la quale è stato configurato: accensione, spegnimento, regolazione della luminosità, azionamento di un motore, visualizzazione di un’informazione, ecc.

 Per quanto riguarda i mezzi trasmissivi, KNX supporta la trasmissione digitale su cavi a conduttori intrecciati, a onda convogliata su rete di alimentazione elettrica, wireless in radiofrequenza e wireless a infrarossi (IR).

Un impianto standardizzato BUS, pur essendo più costoso rispetto ad un impianto tradizionale, è un sistema affidabile, in quanto l’infrastruttura non dipende da onde radio ecc e perciò non è soggetto ad eventuali problemi di disturbi, consente l'integrazione dei sistemi a fronte di una grande semplicità del cablaggio. Questa è una soluzione ideale in abitazioni molto grandi con un gran numero di componenti. Tuttavia potrebbe costituire un problema il fatto che richiede un consistente lavoro di installazione per la posa dei cavi; qualora si voglia evitare la realizzazione di opere murarie si può optare per sistemi alternativi che riducano al minimo l’installazione di nuovi cavi.

    2. Sistema ad Onde Convogliate: tra i mezzi trasmissivi alternativi per la rete di interconnessione di un sistema domotico c’è quello ad onde convogliate che sfruttata la linea elettrica esistente, evitando il problema dell'installazione di nuovi cavi. I componenti del sistema sono collegati in parallelo e comunicano tra loro attraverso la rete elettrica grazie ad opportuni dispositivi. Poiché la corrente elettrica è soggetta a numerose distorsioni, i problemi di questa tecnologia sono dovuti alle possibili interferenze, il che rende il sistema instabile. Tuttavia questi problemi possono essere superati con l'adozione di un filtro di linea. Lo standard più diffuso per questo tipo di sistema è X10 costituito da una o più unità centrali che dialogano in maniera bidirezionale con dispositivi periferici, utilizzando un sistema ad onde convogliate su rete elettrica per la trasmissione dei dati a bassa velocit à (50 bps in Europa).

    3. Sistema ad Onde Radio: per eliminare a monte il problema del cablaggio, in situazioni in cui può essere problematico l’intervento murario, si può optare per metodi di trasmissione wireless basati su onde radio. In questo modo si può coprire facilmente l'intera casa senza bisogno di ripetitori. E’ un sistema stabile ma con alcuni problemi nella standardizzazione, le bande di frequenza infatti variano da paese a paese. La radiofrequenza è la tecnologia che vede in questo momento il maggior sviluppo, consente di creare delle reti a basso costo molto efficaci.

Protocolli wireless per la domotica

Nel mondo della domotica wireless esiste un’incredibile quantità di protocolli in concorrenza tra di loro. I principali sono:

Z-Wave: è attualmente il protocollo wireless più conosciuto nel mondo della domotica wireless. Si tratta di un protocollo wireless proprietario progettato per le esigenze di bassa potenza e bassa larghezza di banda. Diversamente da Bluetooth e da ZigBee, che operano nella banda dei 2,4 GHz, Z-Wave opera a 868 MHz in Europa e a 915 MHz nel Nord America. Il funzionamento alle frequenze sub-1GHz consente a Z-Wave di avere un segnale robusto e resistente al Bluetooth e alle reti Wi-Fi. La bassa frequenza permette a Z-Wave di funzionare con un range superiore e quindi di essere tre volte più potente di ZigBee. La topologia della rete Z-Wave è una struttura a maglie in cui ciascun nodo funge da ripetitore, incrementando in tal modo il range operativo e consentendo alla rete di continuare a operare anche nel caso in cui un nodo venga meno. Ciascuna rete Z-Wave presenta almeno un controller, tipicamente un hub connesso tramite Wi-Fi che impartisce comandi in rete e che spesso opera come gateway per Internet.

ZigBee: è uno standard aperto realizzato nel 2005 e che utilizza lo strato fisico Ieee 802.15.4. Come Z-Wave, funziona a bassa potenza. La struttura a maglie permette alla rete di funzionare oltre la linea di vista, dietro gli angoli, oltre gli ostacoli o su diversi livelli di un edificio. Il futuro di ZigBee è incerto. La sua efficienza energetica è stata sorpassata dal Bluetooth Low Energy. I moduli ZigBee qualificati ed economici disponibili hanno mantenuto finora la loro popolarità e costituiscono una scelta ragionevole per i progetti IoT a rete chiusa, ma dato il loro basso livello di interoperabilità è difficile considerarli in futuro come uno dei protocolli più importanti per la domotica.

Bluetooth Low Energy: entrato in scena nel 2010, è parte integrante della specificazione Bluetooth 4.0. Con il Bluetooth integrato nei sistemi operativi Android e iOS, il supporto al Ble è già integrato negli smartphone odierni, rendendolo un protocollo interessante per i dispositivi dei clienti, tra cui la domotica. Diversamente dal Bluetooth tradizionale, progettato per il flusso di dati, Bluetooth Low Energy è ottimizzato per la comunicazione a bassa larghezza di banda, non frequente e a impulsi. Pertanto si presta bene per la trasmissione delle informazioni dei sensori e del controllo. Il Ble può essere molto efficiente dal punto di vista energetico; i sensori Ble wireless ottimizzati per l’efficienza permettono di raggiungere cicli di batteria dell’ordine di settimane, mesi o anche anni.


Wi-Fi: rispetto ad altri protocolli, non è mai stato concepito per la domotica e non è efficiente a livello di potenza per applicazioni a bassa larghezza di banda; ma rimane comunque un protocollo di domotica di enorme importanza perché la rete wireless è presente praticamente in ogni abitazione. I dispositivi Wi-Fi, invece di dover creare una propria rete, possono trarre vantaggio dalle reti esistenti. Questo aspetto li rende estremamente interessanti come protocollo per i dispositivi di domotica che possono semplicemente connettersi con le reti domestiche esistenti.