CRITERI DI PIANIFICAZIONE PER L OTTIMIZZAZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI NELL AMBIENTE DOMESTICO

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica CRITERI DI PIANIFICAZIONE PER L OTTIMIZZAZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI NELL AMBIENTE DOMESTICO SCHEDULING CRITERIA FOR OPTIMIZATION OF POWER CONSUMPTION IN HOME ENVIRONMENT Relatore: Chiar.mo Prof. PAOLO CIAMPOLINI Correlatore: Dott. Ing. ANDREA RICCI Tesi di laurea di: VINCENZO BRUNO ANNO ACCADEMICO

2 Introduzione Gli ambienti con cui interagiamo giorno dopo giorno, la nostra abitazione, l automobile, l ufficio tendono ad offrirci livelli di comfort sempre crescenti. Lo sviluppo delle nuove tecnologie informatiche, elettroniche e delle telecomunicazioni ha portato innovazioni in moltissimi settori: uno di questi è quello della gestione energetica in ambiente domestico e lavorativo. Oggi si assiste ad un utilizzo crescente di prodotti elettronici, che sta modificando radicalmente lo stile di vita delle persone. Le nostre case sono popolate di dispositivi elettronici quali ricevitori satellitari, lettori musicali e video, computer, video registratori, sistemi di sicurezza, ecc.., ma anche impianti di riscaldamento, condizionamento, antincendio, antintrusione, senza dimenticare gli elettrodomestici intelligenti. Questi dispositivi, fino a poco tempo fa, erano indipendenti tra loro, ognuno con la propria modalità di funzionamento. Negli ultimi anni, il passo in avanti che si sta cercando di compiere attraverso l uso sempre più pervasivo della tecnologia è quello dell interconnessione di tutti i dispositivi che popolano le abitazioni, progettando sistemi di comunicazione in grado di far loro scambiare dati, servizi e di attribuire all utente potenti strumenti di comando e controllo. Un edificio intelligente, con il supporto delle nuove tecnologie, permette la gestione coordinata, integrata e computerizzata degli impianti tecnologici (climatizzazione, distribuzione acqua, gas ed energia, impianti di sicurezza), delle reti informatiche e delle reti di comunicazione, allo scopo di migliorare la flessibilità di gestione, il comfort, la sicurezza, il risparmio 1

3 Introduzione Figura 1: Scenario di riferimento per un sistema di ottimizzazione energetica domestica. energetico degli immobili e per migliorare la qualità dell abitare e del lavorare all interno degli edifici. Il presente elaborato di tesi si inserisce all interno di un progetto più complesso di Home Automation System (HAS) [1], il quale prevede attraverso l ausilio di una rete wireless di sensoristica ed attuazione Zigbee, la gestione per l accesso alle risorse energetiche da parte delle utenze (elettrodomestici, illuminazione, audio-video, etc) presenti in un ambiente casalingo, in modo da determinare una corretta pianificazione dei consumi energetici che prevenga possibili sovraccarichi e cerchi di ridurre i costi in presenza di tariffe energetiche variabili nell arco della giornata. I vari elettrodomestici sono in comunicazione attraverso una rete Zigbee, Home Area Network, con un sistema di elaborazione centrale che funge da coordinatore della rete (Home Gateway) a cui comunicano profili di consumo energetico previsionali e da cui ricevono la migliore pianificazione delle attività richieste ed informazioni circa il costo del ciclo di lavoro selezionato (fig. 1). Il processo di ottimizzazione è basato su una modellizzazione lineare integrale che adatta il consumo alle risorse disponibili, in accordo con criteri di costo e di benessere degli 2

4 Introduzione utenti. In una prima fase dell attività è stato analizzato il modello matematico definito in un precedente lavoro di tesi, verificando nel dettaglio il suo corretto funzionamendo e caratterizzando i risultati attraverso indici di prestazione in termini di costo, soddisfazione dell utente ed efficacia nella riduzione di eventi di overload. Successivamente, sono stati creati ulteriori modelli contenenti criteri di ottimizzazione via via sempre più stringenti e considerando casi in cui l ambiente sia dotato di una sorgente di energia alternativa a quella di rete. I nuovi modelli sono stati, a loro volta, verificati attraverso una simulazione statistica, possibile grazie alla creazione di una applicazione adhoc capace di generare insiemi di scenari casuali, di gestirne la risoluzione e l analisi dei risultati in modo automatico. L applicazione è stata sviluppata in ambiente Matlab. Nell elaborato seguente si presenta nel primo capitolo una breve panoramica sul protocollo Zigbee di comunicazione utilizzato dalla rete in cui viene applicato il servizio di ottimizzazione dei consumi energetici, così come già progettato e previsto nel precedente lavoro di tesi. Nel secondo capitolo viene presentata la teoria matematica legata agli algoritmi di ottimizzazione, affrontando in particolare la programmazione lineare. Nei capitoli successivi sono enunciati i modelli creati, la struttura delle applicazioni che consentono il loro test automatico ed infine l analisi dei risultati ottenuti. 3

5 Capitolo 1 ZigBee Ogni volta che si parla di nuove tecnologie in campo elettronico i parametri per stimarne le prestazioni sono quasi sempre gli stessi: velocità, dimensioni e poi forse anche il costo. Sembra che per i costruttori valga l assurda tendenza di portare sempre all estremo ogni caratteristica funzionale di un dispositivo per cui una tecnologia è migliore dell altra se permette di lavorare a velocità più elevate, similmente per quanto riguarda le dimensioni dei chip che stanno quasi diventando invisibili all occhio umano. Pertanto non ci si dovrebbe stupire nel constatare il costo non economico di un dispositivo del genere. Per fortuna tale principio non è sempre il cardine di un progetto soprattutto quando ci si accorge che la funzionalità deve prevalere sulle prestazioni. E proprio questa l idea di partenza sulla quale si basa il protocollo di comunicazione wireless Zigbee. Questo protocollo è stato ideato ad hoc per tutte quelle applicazioni che non necessitano di grandi prestazioni, a vantaggio dei consumi e dei costi che ne derivano. 1.1 Caratteristiche principali dello Standard Lo standard Zigbee si propone come protocollo per la sensoristica wireless e per tutte quelle applicazioni che richiedono una rete comunicativa wireless a bassa data rate e a basso consumo. Inoltre si propone lo scopo di diventare un protocollo interoperativo, ovvero di adattarsi a differenti soluzioni 4

6 Capitolo 1. ZigBee hardware in modo tale da poter permettere la comunicazione tra dispositivi di diverse case produttrici, insomma un protocollo aperto e globale. Questo aspetto è molto importante per il successo di uno standard di comunicazione e si parlerà in seguito dello sforzo che la Zigbee Alliance (l ente proprietario dello standard Zigbee) sta facendo per rendere effettivo tale intento. Per far sì che il protocollo Zigbee si attenga a tutte le specifiche descritte sopra dovrà basare il suo sviluppo su alcuni punti chiave: Alta Affidabilità Se lo Zigbee è uno standard molto robusto è anche merito del fatto che alcuni livelli del suo protocollo si appoggiano alle specifiche IEEE definito per tecnologie wireless a corto raggio. La relazione che esiste tra Zigbee e IEEE è simile a quella esistente tra Wi-Fi Alliance e IEEE I servizi forniti dalle specifiche dell IEEE riguardano le mansioni fondamentali da gestire per il corretto funzionamento di una rete wireless e la convivenza con altre reti: bande di frequenza e modulazioni; gestione dei transceiver; trasmissione dei pacchetti; sicronizzazione dei dispositivi; associazione e dissociazione dei nodi e altre operazioni ancora. Pertanto si evidenzia che lo standard IEEE , definito a livello internazionale e gestito dalla più importante associazione di promozione delle scienze tecnologiche a livello mondiale, è sicuramente indice di affidabilità. A diminuire il rischio di errori durante una trasmissione contribuiscono anche l utilizzo di CRC a 16 bit per ogni pacchetto inviato e la possibilità di replicare il messaggio fino a quattro volte se questo non viene ricevuto. Inoltre Zigbee può implementare reti di tipo Mesh. Una rete Mesh può essere ritenuta adattiva in quanto può scoprire nuovi percorsi di comunicazione nel caso ci fossero degli impedimenti (fig. 1.1), a vantaggio dell affidabilità della trasmissione. Basso costo Al di là del prezzo di un singolo chip e di quanto può variare a seconda delle quantità richieste, il prezzo di una tecnologia si basa anche sui 5

7 Capitolo 1. ZigBee Figura 1.1: Zigbee Mesh Routing. costi di licenza. La Zigbee Alliance cerca di scavalcare tali ostacoli innanzitutto utilizzando tecnologie prive di licenza come l AES-128 bit encryption per la sicurezza e AODV per gli algoritmi di Mesh Routing. Inoltre incentiva le case produttrici a vendere dei moduli già integrati di Micro Controller Unit (MCU) e Radio pronti per essere interfacciati con altri moduli senza quindi ulteriori costi di sviluppo o progettazione. Resta solamente il costo del software anch esso abbattuto in quanto vengono forniti già dei kit di sviluppo che implementano tutte le funzionalità del protocollo e forniscono inoltre metodi semplificati di interazione tra dispositivi come gli Application Profile che verranno trattati in seguito. Basso consumo Un nodo per poter consumare davvero poco deve essere programmato per poter lavorare in modalità sleep sia l unità del microcontrollore che quella radio ogni volta che ce ne sia la possibilità. Ovviamente questo è possibile se la rete gestisce poche informazioni e sia per lo più silente. Questo è proprio il caso di una rete Zigbee che essendo a basso duty cycle genera poco traffico sulla rete permettendo alle batterie di durare anche alcuni anni. Alta sicurezza 6

8 Capitolo 1. ZigBee Per gestire la sicurezza della rete Zigbee utilizza il National Institute of Standards and Technology (NIST) Advanced Encryption Standard (AES). Questo Standard, AES-128, riconosciuto a livello internazionale, è molto robusto ed è privo di licenza. Oltre alla codifica e decodifica dei pacchetti l AES-128 si occupa anche dell autenticazione dei nodi all interno della rete tramite un meccanismo di scambio di chiavi, rendendo impossibile l accesso alla rete da parte di nodi non autorizzati. Bassa data rate Lo standard Zigbee può lavorare a diverse frequenze e a seconda della scelta si avrà una data-rate differente che va da 20 Kbps a 250 Kbps. Ovviamente la data-rate effettiva sarà minore di quella dichiarata, ma questo dipende dalle condizioni operative del sistema e dal tipo di rete implementata. Alta densità di nodi nella rete Attenendoci al protocollo IEEE i bit dedicati all indirizzamento sono 64, per cui possiamo creare delle reti con oltre nodi. 1.2 Confronto con altri Standard Nella maggior parte degli standard wireless si mira ad ottimizzare la velocità di trasferimento dati a scapito del costo e della complessità dei dispositivi. Esistono però tantissime applicazioni in cui non si richiede transfer rate elevato ma si cerca di ottimizzare complessità e consumi. Il riferimento per la scelta del protocollo da utilizzare dovrà essere quindi lo scopo, e se questo è l implementazione di una rete di sensori, allora la scelta più opportuna sarà sicuramente lo standard IEEE Altri candidati potrebbero essere il Wi-Fi (che si appoggia allo standard IEEE ) o il Bluetooth (che si affida allo standard IEEE ). Possiamo vedere come questi protocolli si collocano all interno di un grafico data-rate/range di copertura (fig. 1.2). 7

9 Capitolo 1. ZigBee Figura 1.2: Comparazione delle tecnologie wireless. Il Wi-Fi è stato concepito come alternativa alle connessione Ethernet tra PC, pertanto mira ad una elevata data rate e alla gestione di una rete dove una base station è al centro e altri PC gli sono collegati intorno (topologia a stella). Per ottenere una data rate così elevata (54 Mbps) i consumi saranno ovviamente notevoli. Il Bluetooth è stato concepito per utilizzare il telefono cellulare al centro della rete e potergli connettere auricolari, dispositivi GPS o interfacciarlo con un PC. La data rate del Bluetooth è 1 Mbps ed è molto più piccola di quella del Wi-Fi tanto che si può alimentare con la batteria di un cellulare, ma il range di copertura del segnale è abbastanza limitato. I requisiti di una rete di sensori wireless sono invece completamente differenti. Innanzitutto i nodi di tale rete devono consumare poco per poter utilizzare una batteria per più tempo possibile, dato che non sempre sarà facile sostituirle se il sensore è allocato in una posizione scomoda. Inoltre la comunicazione dovrà essere affidabile e coprire un gran numero di nodi se l area da controllare è molto estesa. Si è cercato di utilizzare il Wi-Fi e il Bluetooth per applicazioni orientate alle reti di sensori, ma in entrambi i casi si era costretti ad utilizzare i dispositivi in maniera non standard cercando di ricalcare i principi dell IEEE

10 Capitolo 1. ZigBee Tabella 1.1: Confronto tra Zigbee e altri protocolli wireless. In conclusione la miglior scelta per implementare una rete di sensori wireless risulta essere l insieme delle specifiche dettate dallo standard IEEE Ad avvalorare questa tesi si riporta una tabella con le principali caratteristiche delle tre tecnologie trattate (tab. 1.1). Una cosa importante da far notare riguardo al protocollo Zigbee è che quest ultimo non è l unico a basarsi sulla standard IEEE ma ne esistono tanti altri. Anche se alcuni sono poco diffusi (vedi per esempio i protocolli gestiti direttamente da alcune aziende produttrici quali: SimpliciTI della Texas Instruments; Synkro della Freescale Semiconductor; MiWi della Microchip), meritano un occhio di riguardo i due protocolli per uso industriale ISA-100 e Wireless HART (fig. 1.3). Nell ambito della sensoristica industriale infatti ci sono delle specifiche da rispettare che non sempre lo standard Zigbee riesce a colmare. Prima tra tutte la latenza dei messaggi, ovvero il tempo che un messaggio impiega per arrivare a destinazione. Se il mittente del messaggio è un PLC e il destinatario è una macchina, è essenziale avere uno stretto controllo sui tempi di latenza (latenza deterministica). Un altra specifica da tenere sotto controllo 9