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1 UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze dell Ingegneria Curriculum in Ingegneria Elettronica, Informatica e delle Telecomunicazioni TECNOLOGIE ZIGBEE WIRELESS SENSOR NETWORK PER IL MONITORAGGIO DELL ENERGIA PRODOTTA DA UN CAMPO FOTOVOLTAICO DI MEDIE DIMENSIONI Relatore: Prof. Claudio Turchetti Dottorando: Ing. Guido Principi IX Ciclo /2010

2 Abstract - In questo documento viene mostrata un applicazione del protocollo ZigBee per reti di sensori wireless (WSN) con lo scopo di monitorare l energia elettrica prodotta da un campo fotovoltaico di medie dimensioni e altri parametri necessari alla manutenzione e alla diagnosi dei guasti; il controllo viene effettuato a livello di singolo modulo fotovoltaico. L applicazione prevede che il circuito di controllo venga inserito nella stessa scatola di derivazione del modulo fotovoltaico e che venga configurata la rete wireless in maniera automatica. 2

3 INDICE: I. INTRODUZIONE... 4 II. LA TECNOLOGIA UTILIZZATA... 4 III. IL CAMPO FOTOVOLTAICO E IL TIPO DI MONITORAGGIO... 7 IV. CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEI MODULI FV E DEL NODO DI RETE ZIGBEE WIRELESS 9 A. CARATTERISTICHE DEI MODULI FOTOVOLTAICI... 9 B. SCHEMA FUNZIONALE DEL CIRCUITO C. PARTI PRINCIPALI DELLO SCHEMA ELETTRICO D. MISURE DELLA TENSIONE E DELLA CORRENTE V. IL SOFTWARE SUI NODI DI RETE WIRELESS A. MISURE DELLA TENSIONE E DELLA CORRENTE B. I COMANDI AT E I REGSTRI S C. COMANDI PER LA GESTIONE DELLA RETE D. LE MODALITÀ DI TRASMISSIONE DEI DATI E. GESTIONE DEGLI EVENTI F. GESTIONE DELL ALIMENTAZIONE DEL MODULO G. L ACQUISIZIONE DEI DATI H. IL SETUP INIZIALE DAL MICROCONTROLLORE PIC18F46K VI. IL SOFTWARE SU PC PER IL MONITORAGGIO VII. SVILUPPI FUTURI A. IL SOFTWARE SUL MICROCOCONTROLLORE PER ACQUISIZIONE E CONTROLLO DELLE VARIABILI FISICHE (I, V, T, ACCELERAZIONE XYZ, INPUT DIGITALE DA REED-SENSOR) B. IL SOFTWARE SUL MICROCONTROLLORE PER LA CONFIGURAZIONE E PER LA GESTIONE DELLA RETE WL. 46 C. IL SOFTWARE APPLICATIVO (SU PC) PER LA CONFIGURAZIONE TOPOGRAFICA DELLA RETE ASSOCIANDO MACADDRESS ALLA POSIZIONE DEL MODULO ALL INTERNO DEL CAMPO FV D. IL SOFTWARE APPLICATIVO PER LA VISUALIZZAZIONE DEI DATI SIA IN LOCALE CHE IN REMOTO E PER LA SEGNALAZIONE DI ANOMALIE E. INTEGRAZIONE CON SISTEMI SCADA REMOTI (SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION) F. CONTROLLO ATTIVO SULLA TENSIONE DI STRINGA PER DIMINUIRE LE PERDITE DI RENDIMENTO IN CASO DI OMBREGGIAMENTO DEI MODULI VIII. CONCLUSIONI IX. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

4 I. INTRODUZIONE Il monitoraggio e il controllo dell energia prodotta da un impianto fotovoltaico è di fondamentale importanza in quanto l energia prodotta influisce direttamente sul flusso di cassa da cui deriva la convenienza economica o meno dell investimento effettuato sull impianto. Ad oggi sono particolarmente diffusi i sistemi di controllo di energia effettuati a livello del convertitore cc/ca che quindi prendono in considerazione una o più stringhe e cioè un numero generalmente elevato di moduli FV; in questo modo è possibile vedere se l impianto sta producendo energia in modo efficiente, ma non è possibile individuare le cause di una eventuale inefficienza dovuta ai singoli moduli. Le cause di malfunzionamento potrebbero essere svariate: sporcizia sulla superficie, ombreggiamento, guasto elettrico, danneggiamento o addirittura furto, e naturalmente l inefficienza può riguardare uno o più moduli. Mentre oggi, i sistemi comunemente utilizzati negli impianti fotovoltaici acquisiscono i dati di produzione dell energia elettrica a valle dell inverter, e cioè considerano l energia prodotta dall intera stringa di moduli, il sistema di acquisizione dati proposto in questo documento, prende i dati dal singolo modulo attraverso i sensori posti all interno di ogni scatola di derivazione. Il software per l analisi dei dati acquisiti è l intelligenza aggiunta al sistema di monitoraggio ed individua le cause di malfunzionamento distinguendo le situazioni anomale da quelle normali: ad esempio, una mancata produzione di energia può essere dovuta sia ad un guasto elettrico sia all assenza di radiazione solare nella fase notturna: il confronto fra il singolo modulo e tutti gli altri individua se si tratta di una situazione normale o anomala. II. LA TECNOLOGIA UTILIZZATA La tecnologia utilizzata fa riferimento alle reti di sensori wireless con protocollo ZigBee [3]. Una WSN (Wireless Sensor Network ) ha due funzioni principali: misurazione e comunicazione; ogni sensore che effettua la misura funziona come un nodo all interno della topologia di rete e comunica con altri nodi della stessa rete; poiché i dispositivi comunicano in modalità wireless, non è richiesto nessun cablaggio. Un sensore, per entrare a far parte della rete, si unisce ad un nodo che fa già parte della rete stessa se rientra nel suo raggio di comunicazione wireless. In un impianto fotovoltaico di medie dimensioni, ovvero con alcune migliaia di moduli, ad ogni modulo è associato un sensore per misurare principalmente l energia prodotta, ed evitare il costo del cablaggio è molto importante. Come si vede dalla Tab.A, lo Standard ZigBee definisce il campo di applicazione di una W-PAN (Wireless-Personal Area Network) come una rete estesa in un area abbastanza limitata e con una bassa velocità di trasmissione dei dati. IEEE Standard Co-existence Features: Complementary Channel Mapping Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Frequency Division Multiple Access (FDMA) Low Data Rate (250Kbs) Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Ultra low-power digital radios based Long battery life with low latency available Ability to remain quiescent for long periods without communications License-free frequency band. 2.4 GHz 4

5 Additional ZigBee Co-existence Features: Network Formation Procedures (Self-organizing and Self-healing dynamic mesh) Secure networking (Autentication and public key cryptography) Mesh Networking and Path Diversity Network-Layer Frequency Agility End-to-End Acknowledgement and Retransmission Tab.A Caratteristiche dello standard IEEE e caratteristiche aggiuntive ZigBee per WSN Una rete di piccole dimensioni può essere facilmente configurata e possono essere teoricamente gestiti fino a sessantacinquemila dispositivi. La rete è tipicamente configurata con una topologia a stella, a maglia o ad albero. I dispositivi sono classificati in due tipi principali a seconda delle funzioni supportate (vedi Fig.1): un tipo di dispositivo con funzionalità ridotte (RFD - Reduced Function Device o ZED ZigBee End Device), semplicemente trasmette e riceve dati; un dispositivo con funzionalità completa (FFD Full Function Device o ZR ZigBee Router), oltre a trasmettere e a ricevere dati, interconnette la rete con funzionalità di router. Al momento della formazione della rete, uno dei router assume la funzione di coordinatore di rete (COO Coordinator o ZC ZigBee Coordinator). La principale differenza fra i due tipi è che un FFD assumendosi la responsabilità del routing deve stare continuamente attivo (awake) mentre un RFD può passare molto del suo tempo disattivato ( Asleep), attivandosi solo all occorrenza di dover trasmettere dei dati, o da solo o facendosi attivare da un interrupt esterno. I dispositivi finali (RFD o ZED) possono essere ulteriormente classificati come Sleepy (SED) o Mobili (MED) per differenziare la situazione in cui sono non raggiungibili perché inattivi o perché, essendo mobili, sono momentaneamente fuori portata radio. La sensibilità radio può essere cambiata a seconda dell'ambiente circostante i dispositivi. Altre caratteristiche coesistenti fra i due protocolli di rete IEEE e ZigBee sono elencate in Tab. A. Fig.1: Tipi di dispositivi in una rete ZigBee; ZED in sleep mode. I sensori, nodi della rete, sono alimentati da batterie al Ni-Ca ricaricabili dal modulo fotovoltaico stesso; per aumentarne la durata delle batterie si diminuisce la dissipazione di energia mettendo il dispositivo in stand-by (sleepy) e si riattivano (to wake-up) solo quando è il momento di 5

6 effettuare la misura e di trasmetterla. I router, che devono occuparsi della gestione della rete devono rimanere sempre attivi, e quindi non possono perdere l alimentazione; per questo il loro consumo di energia è maggiore. Fig.2: esempio di disposizione dei router con portata di circa 30m in un campo FV di 100m x 50m In ogni caso, per la copertura di un campo fotovoltaico (FV) servono teoricamente pochi router: come evidenziato nella fig.2 una superficie di 5000mq con circa 1000 moduli con portata radio di circa 30m, viene coperta con 7 router. Un dispositivo trasmette i dati al PC attraverso una comunicazione WireLess; il nodo vicino al PC è connesso con una semplice porta seriale USB. Il PC funziona come stazione base che controlla e gestisce la rete. Se un dispositivo remoto è situato al di fuori della portata radio del nodo sul PC, il suo segnale è interconnesso con altri dispositivi e comunque raggiunge il PC. I dati provenienti dai nodi remoti vengono raccolti dal nodo locale dedicato a questa funzione chiamato Data Sink (Fig.3). Fig.3: come viene gestita la rete tramite USB da PC 6

7 III. IL CAMPO FOTOVOLTAICO E IL TIPO DI MONITORAGGIO Nei pannelli solari viene sfruttato l effetto fotovoltaico per la produzione di energia elettrica: l effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale semiconduttore passa nella banda di conduzione a causa dell assorbimento di un fotone incidente sul materiale (Fig.4); tale energia viene fornita dalla radiazione luminosa. Il campo o generatore fotovoltaico (Fig.5) è costituito da centinaia o migliaia di moduli fotovoltaici raggruppati in configurazioni serie/parallelo/serie a partire dalla singola cella fino a formare un considerevole numero di stringhe per ottenere la potenza voluta; a valle di queste stringhe la tensione e la corrente continua generata viene convertita in tensione e corrente alternata da uno o più convertitori statici c.c./c.a. (inverter) per essere immessa nella rete elettrica. Fig.4 Effetto fotovoltaico Fig.5 Il generatore fotovoltaico 7

8 Di norma, il controllo della quantità di energia prodotta, e in generale il monitoraggio, viene effettuato con i data-logger presenti sugli inverter. Questo sistema risulta insufficiente a determinare le cause di eventuali malfunzionamenti e anomalie che si verifichino sui singoli moduli, ma fornisce solo la quantità di energia prodotta dall intera parte del campo fotovoltaico (Fig. 5bis) Fig.5bis Monitoraggio a livello di inverter Il sistema da noi realizzato permette il monitoraggio ad un livello di dettaglio maggiore, di tutti i parametri del singolo modulo (Fig.5ter): in tal modo il sistema è più efficace perché permette di verificare la produzione di energia, di diagnosticare eventuali guasti o malfunzionamenti e furti, di registrare interventi di manutenzione o eventi particolari relativi al singolo modulo; in particolare la diagnosi a distanza a questo livello di dettaglio semplifica notevolmente la manutenzione riducendone costi e tempi di intervento. Per ogni modulo è possibile rilevare: - le grandezze elettriche tensione e corrente e quindi da queste calcolare la potenza e l energia prodotta - la temperatura e di conseguenza intraprendere azioni correttive per diminuirla - l accelerazione nelle tre direzioni x-y-z e quindi capire se si tratta dell azione del vento o di un furto e quindi agire di conseguenza, ad esempio per pannelli orientabili, allinearli secondo la direzione del vento, o in caso di furto inviare un messaggio al servizio di sicurezza - inoltre, ogni modulo risulta codificato sia dal MAC address del nodo di rete che da un nome mnemonico in codice che gli viene attribuito in fase di configurazione della rete stessa (ad es. numero di stringa-numero di modulo ), permettendo così anche un controllo visivo sull intera disposizione geometrica del campo FV. 8

9 Fig.5ter Monitoraggio a livello di modulo Le terminazioni elettriche del modulo sono contenute nella scatola di giunzione (fig.6) posta sul retro. L uscita dei cavi di collegamento dalla cassetta di derivazione avviene tramite due pressacavi a tenuta stagna forniti di serie con i moduli. La connessione elettrica ai morsetti del modulo deve essere eseguita a perfetta regola d arte impiegando terminazioni ad occhiello o a forcella con portata elettrica e caratteristiche dei materiali adeguate ai morsetti installati nelle scatole. Nel nostro caso, la normale scatola di giunzione del modulo che contiene semplicemente uno o più diodi di protezione e di bypass, viene integrata o sostituita con il nodo di rete wireless da noi realizzato. Fig.6 Sostituzione della scatola di giunzione del modulo fotovoltaico con il nodo wireless zigbee IV. CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEI MODULI FV E DEL NODO DI RETE ZIGBEE WIRELESS A. Caratteristiche dei moduli fotovoltaici Una cella fotovoltaica [4] si può considerare come un generatore di corrente come nel circuito equivalente di Fig.7. La corrente ai terminali d uscita I e pari alla corrente generata per effetto fotovoltaico I g dal generatore ideale di corrente, diminuita della corrente di diodo I d e della corrente di dispersione Il. 9

10 La resistenza serie R s rappresenta la resistenza interna al flusso di corrente generata e dipende dallo spessore della giunzione P-N, dalle impurità presenti e dalle resistenze di contatto. La conduttanza di dispersione G l tiene conto della corrente verso terra nel normale funzionamento. In una cella ideale si avrebbe R s =0 e G l =0. In una cella al silicio di alta qualità si hanno invece una R s = ed una G l =3 5mS. L efficienza di conversione della cella fotovoltaica risente molto anche di una piccola variazione di R s, mentre è molto meno influenzata da una variazione di G l. La tensione a vuoto Voc si presenta quando il carico non assorbe corrente (I=0) ed e data dalla relazione: Voc = I l / G l La corrente di diodo e fornita dalla classica espressione della corrente diretta dipendente da: ID = corrente di saturazione del diodo, Q = carica dell elettrone, A = fattore di identità del diodo, k = costante di Boltzmann, T= temperatura assoluta in gradi K. La corrente erogata al carico e quindi data dall espressione: I = I g - I d - I l = I g - I d G l V oc La corrente di saturazione del diodo può pertanto essere determinata sperimentalmente applicando la tensione a vuoto V oc in una cella non illuminata e misurando la corrente all interno della cella. Fig.7 Circuito equivalente di una cella fotovoltaica Fig.8 Caratteristica Tensione-Corrente di una cella fotovoltaica Come si vede dalla caratteristica tensione-corrente di Fig.8, in condizioni di corto circuito la corrente generata e massima (Isc), mentre in condizioni di circuito aperto e massima la tensione (Voc). 10

11 Nelle due condizioni precedenti la potenza elettrica prodotta dalla cella e nulla, mentre in tutte le altre condizioni, all aumentare della tensione aumenta la potenza prodotta, raggiungendo dapprima il punto di massima potenza (Pm) e poi diminuendo repentinamente in prossimità della tensione a vuoto. Pertanto i dati caratteristici di una cella solare si riassumono in: Isc corrente di corto circuito; Voc tensione a vuoto; Pm potenza massima prodotta in condizioni standard (STC); Im corrente prodotta nel punto di massima potenza; Vm tensione nel punto di massima potenza; FF fattore di forma: è un parametro che determina la forma della curva caratteristica V-I ed e il rapporto tra la potenza massima ed il prodotto (V oc x I sc ) della tensione a vuoto per la corrente di corto circuito. In generale un modulo viene formato da tante celle collegate fra di loro con opportune combinazioni in serie e parallelo formando una caratteristica totale tensione-corrente della stessa forma (somma delle correnti nel parallelo, somma delle tensioni nella serie). In generale la caratteristica è funzione di tre variabili fondamentali: intensità della radiazione solare, temperatura e area della cella. Nel grafico di Fig.9 si nota come all aumentare della radiazione solare si ha l effetto dell innalzamento della corrente restando sostanzialmente inalterata la tensione V oc, con conseguente incremento della potenza erogata. Fig.9 All aumentare della radiazione solare aumenta la corrente e quindi la potenza prodotta. 11

12 Fig.10 All aumentare della temperatura diminuisce la tensione e quindi la potenza prodotta Contrariamente al caso precedente all aumentare della temperatura dei moduli fotovoltaici, la corrente prodotta resta praticamente invariata, mentre decresce la tensione e con essa si ha una riduzione delle prestazioni dei moduli in termini di potenza elettrica prodotta (Fig.10) Come in ogni diodo in cui un aumento di temperatura provoca una diminuzione di tensione inversa, anche nei moduli FV, la variazione della tensione a vuoto Voc rispetto alle condizioni standard (T=25 C) è in genere -2.2 mv/ C/cella. Al fine di evitare quindi un eccessiva riduzione delle prestazioni è opportuno tenere sotto controllo la temperatura in esercizio cercando di dare ai pannelli una buona ventilazione. La riduzione di rendimento con l aumento della temperatura è stimabile in per C. L architettura di un impianto fotovoltaico fa si che i singoli moduli siano collegati in serie per formare le stringhe e a sua volta più stringhe sono collegate in parallelo; naturalmente anche le caratteristiche elettriche si sommano secondo le tensioni (in serie) e secondo le correnti (in parallelo) come nella Fig.11: Fig.11 Serie (stringa) e parallelo di moduli in generale, alla fine di un parallelo di stringhe, progettato in modo da ottenere le opportune tensioni e correnti, viene collegato un inverter per convertire le grandezze continue in grandezze alternate con lo scopo di immettersi nella rete elettrica; un impianto FV multi-inverter si presenta come in Fig.12 dove L1, L2, L3, N stanno a significare un impianto trifase formato dalle tre linee più neutro. 12

13 Fig.12 Generico impianto multi-inverter Considerata l area occupata dai moduli di un impianto fotovoltaico, può accadere che alcuni di essi vengano ombreggiati da alberi, foglie che si depositano, camini, nuvole o da altri pannelli fotovoltaici installati nelle vicinanze. In caso di ombreggiamento il modulo si comporta come un diodo che blocca la corrente prodotta dagli altri moduli collegati in serie con la conseguente compromissione di tutta la produzione della stringa. Inoltre il modulo è soggetto alla tensione degli altri moduli e può provocarsi un surriscaldamento localizzato (hot spot) con conseguenti danneggiamenti e perdite di rendimento. Per evitare che un modulo ombreggiato vanifichi la produzione di un intera stringa, si inserisce in parallelo un diodo di by-pass che cortocircuita il modulo in ombra o danneggiato; così facendo se ne garantisce il funzionamento pur con un efficienza ridotta. Fig.13 Diodi di by-pass e di blocco 13

14 Il diodo di protezione in serie alla stringa, detto di blocco, serve per impedire la circolazione di correnti in senso inverso che potrebbero verificarsi per dissimmetrie (mismatching) di potenziale fra le stringhe Fig.13. Un esempio tipico delle caratteristiche dei moduli fotovoltaici è riportato in Tab.B Tab. B Esempio di caratteristiche dei moduli fotovoltaici B. Schema funzionale del circuito Il circuito progettato nasce come proposta per i costruttori/assemblatori di moduli fotovoltaici e sostituisce praticamente la scatola di giunzione che contiene il diodo di by-pass; nella Fig.14 è rappresentata la modalità di connessione del nodo di rete WL al modulo FV incluso il diodo di bypass D10 e la resistenza in serie R33 di basso valore per la misura della corrente. In Fig.15 è mostrata la connessione di più moduli FV in serie per costituire le stringhe. Fig. 14 Connessione del nodo di rete WL al modulo FV con la resistenza di shunt per la misura di corrente Il circuito, oltre a fornire la misura della corrente e della tensione, e quindi l energia prodotta in Kwh, rende disponibili anche altri parametri grazie all inserimento dei seguenti componenti: un 14

15 sensore di temperatura per monitorare la temperatura di funzionamento del modulo, un accelerometro per monitorare il vento e gli eventuali furti dei moduli, due sensori reed switch attivabili da un campo magnetico da utilizzare come input per configurare geometricamente la rete, ossia per associare l indirizzo fisico di rete (MAC-address) alla posizione geometrica del nodo nella rete con un codice mnemonico (es. num.stringa/num.modulo). Il circuito stampato, di cui è riportato lo schema a blocchi nella fig. 16, è stato previsto per essere utilizzato in varie modalità a seconda dei componenti montati: L opzione più importante riguarda l uso alternativo dei moduli Rx/Tx ETRX2 di Telegesis [1] e CYRF7946 di Cypress Semiconductor: il primo oltre al normale protocollo contiene anche lo stack ZigBee per la gestione della rete; il secondo ha un costo notevolmente inferiore. La seconda opzione riguarda il tipo di alimentazione del circuito: 1. Per una prima funzione di base del monitoraggio delle sole grandezze tensione e corrente, è sufficiente prendere l alimentazione dal modulo FV senza l ausilio di batterie; in tal caso il nodo sarà alimentato e si potrà connettere alla rete solo durante le ore diurne in presenza di radiazione luminosa; una eventuale inefficienza di funzionamento viene rilevata dall andamento delle 2 grandezze, ma un eventuale furto o anomalia totale del modulo sarà deducibile solo durante le ore diurne per l assenza della comunicazione; 2. Per una funzione accessoria che rilevi il furto anche in assenza di funzionamento del modulo sarà necessario l ausilio delle batterie (al litio per avere una durata di 6-10 anni) di adeguata capacità e adatte al contenitore previsto per il circuito. 3. I nodi tipo FFD (router), dovendo garantire la connessione della rete, sono i più critici, specie per quanto riguarda l alimentazione, ma essendo in numero molto ridotto (vedi Fig.1), si potrebbe pensare di incrementarne l autonomia con una linea cablata di alimentazione di circa 7V con 2A (in bassa tensione per il rispetto delle normative). La terza opzione riguarda l uso o meno del microcontrollore PiC18F46K20: infatti il modulo Rx/Tx ETRX2 di Telegesis consente solo due ingressi analogici (corrente e tensione); nel caso si vogliano misurare anche temperatura, accelerazioni secondo i tre assi x-y-z o altre grandezze fisiche sarà necessario l uso di tale microcontrollore che dovrà comunicare con il modulo Rx/Tx attraverso la connessione seriale. In tal caso sarà possibile anche una gestione più complessa del software, come ad esempio la configurazione geometrica dei moduli FV e la loro gestione attiva in caso di moduli orientabili nella direzione della massima radiazione luminosa. Le opzioni scelte per la nostra sperimentazione sono state: presenza di batterie ricaricabili, uso del modulo Rx/Tx ETRX2 di Telegesis. 15

16 Fig.15 Connessione del nodo di rete WL al modulo FV e connessione di più moduli FV in serie Fig.16 Schema a blocchi del circuito C. Parti principali dello schema elettrico Si riporta in Fig.17 una parte del circuito dove si possono notare il diodo di by-pass D10 da 6A, la bassa resistenza di shunt R33 di 0.12 Ohm 4W per la misura di corrente e il modulo Rx/Tx ETRX2 di Telegesis con i due input analogici di tensione V e corrente I; in questo caso le due grandezze analogiche vanno direttamente nei due ingressi A/D1 e A/D2 dell ETRX2 e sono scollegate le connessioni AN1 e AN2 che invece sono utilizzabili per il collegamento al 16

17 microcontrollore PIC18F46K20 che a sua volta invia e riceve dati al trasmettitore attraverso le connessioni seriali ETR-RX ed ETR-TX. La resistenza di Pull-Up Rp di 5,6KOhm è stata inserita per creare un offset di circa 600mV (a metà della lettura del convertitore AD2-1200mV/2) per poter misurare correnti negative, come si hanno nella situazione normale di modulo FV attivo; in tal modo sono state evitate le complicazioni di un circuito ad alimentazione bipolare. Basta aumentare l offset (ad esempio con una Rp=1KOhm) per leggere correnti fino a 12A (1200mV) Quindi la corrente si ottiene per differenza fra il valore in assenza di carico della corrente (600mV) e il valore letto sull ingresso A/D2 dell ETRX2. Nella parte alta del circuito si nota l uso del convertitore di tensione step-down cc/cc LM5009 per prendere l alimentazione direttamente dal modulo FV; praticamente viene convertita la tensione fornita dal modulo nel campo di lavoro variabile 9-90V fino a 7V, tensione scelta per poter caricare direttamente le batterie al litio a lunga durata; la necessità di avere una alimentazione sempre attiva, anche nelle ore notturne, o comunque nei casi di inattività dei moduli fotovoltaici, è richiesta qualora il sistema debba funzionare anche da antifurto. Fig.17 Parte di circuito comprendente convertitore di tensione step-down cv/cv LM5009, il diodo D10 di by-pass, la resistenza di shunt R33 per la misura di corrente e il modulo Rx/Tx ETRX2 di Telegesis con i due input analogici di tensione V e corrente I. Come si vede nello schema a blocchi di Fig.16, è stato previsto l uso di un microcontrollore PIC18F46K20 per permettere una maggiore programmabilità e una maggiore flessibilità nell uso del circuito, ad esempio per superare la lunghezza del buffer di input di 128 byte, o nel caso di un controllo attivo sul nodo. Nella nostra applicazione è stato usato il microcontrollore per risolvere un anomalia di funzionamento dell ETRX2 durante il collaudo del circuito: infatti nel caso di valore zero della corrente, cioè assenza di carico sul nodo, il setup per la connessione con gli altri nodi non si verificava e il 17

18 nodo non entrava a far parte della rete, questo perché veniva riattivato continuamente il bootloader come evidenziato in una nota nel manuale dell ETRX2; per risolvere il problema abbiamo dovuto forzare un valore > 0 sull ingresso A/D2 tramite il microcontrollore. Il modulo ETRX2 (Fig.18) di Telegesis è un ricetrasmettitore 2.4GHz a bassa potenza e a basso consumo, basato sul single chip Ember EM250 [2] con protocollo ZigBee/IEEE E stato progettato per essere integrato in ogni dispositivo senza la necessità di progettare la parte a RF. Utilizza la tecnologia di rete di EmberZNet; ha in particolare le seguenti caratteristiche: Fig.18 Modulo ETRX2: confronto per dimensioni reali. Piccole dimensioni: x 20.45mm Connessione board-to-board Antenna ceramica integrata 128k flash memory e 5kbytes di SRAM Interfaccia UART con DMA Range di tensione di alimentazione (da 2.1 a 3.6V) Funziona come End Device, Router o Coordinator 12 linee di I/O e 2 input analogici Supporta 4 differenti modi di funzionamento per aumentare la durata delle batterie Consumo di corrente inferiore a1ua in sleep mode con auto wakeup Upgrade del firmware via RS232 o over the air (con password) Hardware encryption (AES-128) Temperature di funzionamento: -40 C to +85 C. 18

19 Fig.19 Parte di circuito comprendente il microcontrollore PIC18F46K20. Come si vede nella Fig.17, qualora si utilizzi il microcontrollore per gestire gli input, i due valori analogici di corrente e tensione vanno collegati sugli ingressi AN1 e AN2 tramite le due resistenze R3 ed R6, naturalmente andranno scollegate le due resistenze R1 ed R2 che attualmente collegano l ETRX2. Il colloquio tra microcontrollore e il ricetrasmettitore ETRX2 avviene tramite comunicazione seriale UART con le connessioni ETR-RX ed ETR-TX. Da notare inoltre: N. 2 LED utilizzati per un primo controllo di funzionamento del circuito N. 2 sensori reed utilizzati in input con interrupt per configurare la rete, cioè qualora si voglia associare un nome (es. A1, A2 posizione geometrica del modulo FV nel campo) al MAC address del nodo di rete. Oscillatore al quarzo esterno al microcontrollore, da utilizzare nel caso in cui non sia sufficiente quello interno qualora venisse richiesta una variazione di frequenza < del 10% ; in particolare se fosse necessario attivare la comunicazione col Transceiver CYRF7936 in modalità SPI ad alta frequenza (si veda nel paragrafo successivo). 19

20 Fig.20 Parte di circuito comprendente il radio transceiver CYRF7936. Nel circuito stampato è stato previsto l utilizzo del radio transceiver CYPRESS-CYRF GHz Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) con protocollo (Fig.20). Questo circuito è molto meno costoso del Telegesis-ETRX2 in quanto non dispone dello stack Zigbee ma ovviamente può cominciare a diventare conveniente per produzioni di grandi quantità per le quali si può pensare di realizzare in proprio il software di gestione e autoconfigurazione della rete. E pilotabile da microcontrollore in modalità SPI (Serial Peripheral Interface Bus) attraverso i 4 pin SS (Slave Select), SCK (Serial Clock), MOSI (Master Output), MISO (Master Input). In caso venga utilizzato questo modulo, si dovrà provvedere anche al calcolo dei parametri dell antenna prevista nel pin P1. 20

21 Fig.21 Alimentazione del circuito da modulo FV e da batteria con circuito di ricarica. Il sistema prevede un alimentazione tramite il modulo fotovoltaico di cui si va ad effettuare l acquisizione dati e nel caso in cui il modulo non fornisca alimentazione, come ad esempio nelle ore notturne, è previsto l uso di batterie ricaricabili al litio; nel circuito di fig.21 il circuito composto dai due transistori Q2 e Q3comandato dal piedino RC0 del microcontrollore serve a ricaricare la batteria quando RE0 scende sotto la soglia minima di tensione che evidenzia batteria scarica. Alimentazione è stabilizzata al valore di 3,3V con lo stabilizzatore di tensione Low Drop Out (a bassa caduta tra ingresso e uscita) LP2951; a seconda dell assorbimento di corrente reale dei circuiti a valle è stato previsto il montaggio nel circuito stampato alternativamente o dell integrato S08 o del TO-252. Le batterie al litio possono avere una durata tra 5 e 10 anni. Nella Fig.22 vengono evidenziati due circuiti di supporto al microcontrollore già previsti nel circuito stampato, ma non utilizzati: il partitore di tensione è stato previsto nel caso in cui si scelga di inviare gli ingressi analogici al microcontrollore; serve per regolare la tensione di riferimento nel caso serva una maggiore risoluzione nella misura delle grandezze analogiche. 21

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