Scegliere il percorso dei dati punto per punto. Se il contatore del punto di consegna principale è già collegato a un bus RS-485 Modbus funzionante, leggerlo tramite quel bus. Se un quadro di distribuzione tre piani più in alto non ha né contatore né percorso per un cavo dati, un contatore wireless evita il cavo, le canalizzazioni e la sigillatura antincendio di ogni piano.
Questa guida fa parte della serie su misura elettrica e trasformatori di corrente.
Tre decisioni per ogni punto
Per ciascun punto di misura occorre decidere:
- Misura. Quale grandezza serve e quale contatore o sensore la rileva?
- Alimentazione. Il dispositivo si alimenta dal circuito misurato, da una fonte separata o da una batteria?
- Percorso dei dati. Le letture arrivano al Gateway tramite radio, bus RS-485, Ethernet o ingresso a impulsi?
Le scelte si influenzano a vicenda. Trasmissioni frequenti consumano più energia della batteria. Un dispositivo finale Zigbee non inoltra traffico; un dispositivo svolge il ruolo di router solo se la sua implementazione lo supporta. Verificare ruolo e limiti di trasmissione nella specifica. Il percorso dei dati non modifica la misura. La precisione dipende dal contatore e dai suoi trasformatori di corrente (TA): per esempio classe 1 secondo IEC 62053-21 o classe 0.5S secondo IEC 62053-22 per il contatore, e IEC 61869-2 per i TA. Molte schede tecniche dichiarano la classe del solo contatore; a questa si aggiunge l'errore dei TA.
Confrontare il lavoro di installazione
| Domanda | Cablato | Wireless |
|---|---|---|
| Collegamento dati | Un bus o un cavo di rete dai contatori al Gateway | Un collegamento radio |
| Alimentazione | Dal quadro o da una fonte separata | Dal circuito misurato, da una fonte separata o da una batteria |
| Apparecchiature esistenti | Riutilizza i contatori già collegati tramite Modbus, M-Bus o Ethernet | Aggiunge nuovi dispositivi oppure legge i contatori esistenti tramite un'interfaccia radio locale |
| Sopralluogo | Percorsi e canalizzazioni dei cavi, compartimenti antincendio, porte di rete e capacità degli switch | Condizioni radio nelle posizioni effettive dei dispositivi |
| Manutenzione | Cavi, switch e terminazione dei bus | Stato radio, batterie nei dispositivi che le usano e aggiornamenti firmware via radio |
| Un nuovo punto in seguito | Lavori elettrici, più un nuovo cavo e un indirizzo sul bus | Gli stessi lavori elettrici; il dispositivo viene poi aggiunto alla rete |
L'installazione del contatore e dei TA è uguale in entrambi i casi. A cambiare è il cavo dati. Per ogni punto considerare lunghezza e canalizzazione del cavo, attraversamenti di cavedi o pareti tagliafuoco da sigillare, porta dello switch e approvazione IT per un contatore Ethernet, accesso fuori orario in un edificio occupato e tempo di messa in servizio.
Un bus RS-485 si cabla in linea. Un cavo supporta fino a 32 unità di carico per una distanza massima di 1.000 m a 9.600 baud, usando un cavo AWG 26 o più spesso (guida Modbus per linea seriale). Il costo del cablaggio cresce quindi soprattutto con la distanza fra i punti, più che con il loro numero. Anche M-Bus (EN 13757), il bus a due fili usato da molti contatori di calore e acqua, è condiviso fra i contatori sullo stesso cavo. Ethernet richiede un cavo e una porta dello switch per ciascun contatore. Il calcolatore del ritorno economico del monitoraggio energetico confronta costi di hardware e installazione con il risparmio atteso.
Scegliere la rete in base al carico di lavoro
| Carico di lavoro | Frequenza tipica | Percorsi adatti |
|---|---|---|
| Contatori cumulativi e kWh per intervallo | Ogni 1–15 minuti | Zigbee, LoRaWAN, Modbus, M-Bus |
| Andamento di temperatura e umidità (monitoraggio ambientale) | Ogni 5–15 minuti | Zigbee, LoRaWAN |
| Potenza per analisi dei picchi e della domanda | Ogni minuto, più spesso per pochi punti selezionati | Zigbee, Modbus, Ethernet |
| Feedback di controllo | Meno di 1 s, con tempo massimo di risposta calcolabile | Un bus cablato oppure controllo locale nel dispositivo |
Zigbee opera a 2,4 GHz; tutti i dispositivi di una rete condividono un canale da 250 kbit/s. Un rapporto di circa 60 byte occupa il canale per circa 2 ms e ogni salto aggiunge circa 4 ms, inclusi conferma di ricezione e ritardo casuale. Si considerino 200 contatori che trasmettono ogni minuto attraverso tre salti in media: occupano circa 40 ms per secondo, cioè il 4% del canale. Con un intervallo di 5 secondi, la stessa rete richiede circa il 48%; una rete CSMA-CA perde frame ben prima della saturazione completa. Lasciare la maggior parte dei punti a intervalli di almeno 1 minuto e usare frequenze superiori solo dove servono all'analisi. I dispositivi alimentati dalla rete elettrica fungono normalmente da router e inoltrano il traffico dei vicini; quelli a batteria funzionano normalmente come dispositivi finali senza instradamento. La mesh si amplia quindi con l'installazione dei dispositivi alimentati e può aggirare un router guasto. L'acciaio resta l'ostacolo principale: un involucro metallico chiuso, con la radio all'interno, può interrompere del tutto il collegamento.
LoRaWAN usa bande sotto 1 GHz (863–870 MHz in Europa) e una topologia a stella. Ogni dispositivo comunica direttamente con uno o più gateway LoRaWAN. La portata è elevata, ma il tempo di trasmissione disponibile è limitato. I canali EU868 predefiniti ricadono in sottobande soggette a un limite di duty cycle dell'1% secondo ETSI EN 300 220-2. Una lettura con payload di 10 byte occupa il canale per circa 62 ms a SF7 e circa 1,5 s a SF12. Questi tempi presuppongono banda di 125 kHz, codifica 4/5, preambolo di otto simboli, header esplicito, CRC e 13 byte aggiuntivi di LoRaWAN. A SF12 il dispositivo deve poi attendere circa 147 s prima di trasmettere di nuovo nella stessa sottobanda. Anche l'ambiente pubblico gratuito di The Things Network limita ogni dispositivo a 30 s di trasmissione uplink al giorno, pari a circa 20 letture quotidiane a SF12. Scegliere l’intervallo in base alle impostazioni radio effettive, ai limiti regionali e alle regole della rete. A SF12, un intervallo di 15 minuti o di un’ora supera il limite Sandbox indicato; invii ogni minuto non sono possibili in questo esempio SF12/1%. La guida a Zigbee e LoRaWAN confronta le due tecnologie.
Un bus RS-485 interrogato periodicamente ha un tempo massimo di ciclo calcolabile. Si considerino 12 contatori su un bus a 9.600 baud, con parità pari e quindi 11 bit per carattere. Il master legge 20 registri da ogni contatore con una richiesta. La richiesta è di 8 byte (9,2 ms), la risposta di 45 byte (51,6 ms). Aggiungendo 20 ms di ritardo di risposta del contatore e l'intervallo fra frame di 3,5 caratteri (4,0 ms), uno scambio richiede circa 85 ms e un ciclo del bus circa 1,0 s. A 19.200 baud il ciclo scende a circa 0,63 s. Un contatore che non risponde consuma l'intero timeout a ogni tentativo: con timeout di 1 s e due ritentativi, aggiunge 3 s a ogni ciclo. Il calcolatore dei tempi Modbus RTU esegue il calcolo per il proprio bus; la guida al cablaggio RS-485 tratta terminazione, polarizzazione e indirizzamento.
Quando un collegamento si interrompe
Per ogni punto stabilire cosa debbano mostrare i dati se il collegamento viene meno.
| Dato | Dopo un'interruzione |
|---|---|
| Contatore cumulativo di kWh | La lettura successiva include l'energia accumulata, quindi il totale resta corretto. Il profilo nel periodo mancante è perso. Se il contatore avanza di 12 kWh durante quattro intervalli mancanti da 15 minuti, la domanda potrebbe essere stata di 12 kW per l'intera ora oppure di 48 kW in un solo intervallo. |
| Potenza istantanea, temperatura o stato | Il valore è perso. Mostrare un vuoto nei dati; non sostituirlo mai con zero né ripetere l'ultimo valore. |
| Dal Gateway alla piattaforma | Il Gateway conserva localmente le letture finché il collegamento non torna, purché il buffer sia abbastanza capiente. La guida al dimensionamento del buffer mostra il calcolo. |
Quando arrivano dati in ritardo, il sistema ricevente deve fare tre verifiche: conservare la marca temporale della misura, non quella di arrivo (ora di origine e ora di arrivo); eliminare i duplicati se il buffer ritrasmette; ricalcolare i totali degli intervalli già pubblicati.
Nel sito pilota provare ogni guasto: spegnere un dispositivo, riavviare il Gateway e interrompere il collegamento verso la piattaforma per più di un intervallo di trasmissione. Registrare ciò che mostrano i dati. La guida all'archiviazione dei dati distingue un dato conservato localmente da uno effettivamente consegnato.
Sicurezza e associazione alla rete
Zigbee 3.0 cifra il traffico con AES-128 usando una chiave di rete. Un nuovo dispositivo può associarsi soltanto quando la rete consente nuove associazioni. Aprire l'associazione per pochi minuti, abbinare un dispositivo, verificare i suoi dati e richiuderla. LoRaWAN usa chiavi AES-128. OTAA deriva le chiavi di sessione durante l’associazione; ABP le configura in anticipo. Le chiavi del server di rete e del server applicativo hanno ruoli diversi: identificare il metodo di attivazione e chi gestisce ogni chiave e account. Modbus RTU non offre autenticazione né cifratura. Un dispositivo capace di immettere richieste valide può tentare le letture e scritture supportate dal server. I registri di ingresso sono di sola lettura; quelli di mantenimento possono essere scrivibili se il dispositivo lo consente. Controllare l’accesso fisico al cavo e al Gateway.
Per un collegamento all'aperto, la visibilità diretta è solo una parte del sopralluogo. Verificare la prima zona di Fresnel intorno al raggio diretto nel punto dell'ostacolo. Inserire lo spazio libero residuo tenendo conto del terreno e della curvatura terrestre; vegetazione, riflessioni e interferenze richiedono comunque una verifica sul campo.
Pianificare il progetto pilota
- Elencare ogni punto con grandezza misurata, alimentazione, percorso dei dati e intervallo di trasmissione.
- Scegliere la posizione più difficile: locale tecnico interrato, quadro rivestito in metallo o edificio più lontano. Una prova in un ufficio aperto non mostra come la mesh attraversi una soletta interrata o un quadro metallico chiuso.
- Misurare il segnale radio nelle posizioni effettive dei dispositivi, con gli sportelli dei quadri chiusi. IEEE 802.15.4 richiede una sensibilità del ricevitore a 2,4 GHz di −85 dBm o migliore; molti chip attuali arrivano a circa −100 dBm. Mantenere almeno 15 dB di margine fra segnale ricevuto e sensibilità del chip, perché porte, persone e merci si spostano. Gli indicatori della qualità del collegamento sono relativi e variano fra chip: non accettare un collegamento sulla base di una sola lettura. Contare i rapporti ricevuti rispetto a quelli attesi per almeno 24 ore, con l'intervallo finale di trasmissione.
- Mettere in servizio ogni punto dal conduttore al rapporto e provare i guasti descritti sopra.
- Registrare le modifiche necessarie prima dell'estensione e il responsabile di ciascuna. La guida alla scelta di un sistema di monitoraggio energetico aiuta a confrontare i fornitori in base ai risultati.
La lista di controllo per la messa in servizio indica le prove da conservare.
Soluzioni cablate e wireless con EpiSensor
Il Gateway ZGW-20 esegue Edge e riunisce i due tipi di dati in un unico sistema. Un Gateway supporta 250 dispositivi wireless. I dispositivi wireless EpiSensor trasmettono sulla sua mesh Zigbee. La distanza di collegamento arriva a 50 m al chiuso e 300 m all'aperto; ogni dispositivo alimentato dalla rete elettrica aggiunge in media circa 1.000 m² di copertura. Il contatore elettrico ZEM è classificato 0.5S secondo IEC 62053-22 per l'insieme di contatore e sensori di corrente.
Edge legge i contatori Modbus cablati tramite Modbus TCP o RS-485 e interroga i dispositivi BACnet/IP sulla rete dell'edificio. I sensori LoRaWAN raggiungono Edge tramite un server di rete LoRaWAN. Se un contatore cablato è lontano dal Gateway, un'interfaccia Modbus ZMB legge fino a 30 registri su un breve collegamento RS-485 locale e li invia tramite la mesh. Un'interfaccia M-Bus ZHM fa lo stesso per un contatore di calore M-Bus cablato.
Domande frequenti
Il monitoraggio energetico wireless è preciso?
La precisione dipende dal contatore e dai suoi trasformatori di corrente. La radio determina soltanto se e quando arriva ciascuna lettura. Confrontare la classe di precisione, per esempio classe 1 secondo IEC 62053-21 o classe 0.5S secondo IEC 62053-22, e verificare se riguarda il solo contatore oppure l'insieme di contatore e TA.
Un contatore elettrico wireless richiede alimentazione?
Di solito un contatore elettrico si alimenta dai collegamenti di tensione al circuito misurato. I sensori a batteria, come le sonde di temperatura, non richiedono un'alimentazione esterna. La durata della batteria dipende dall'intervallo delle letture, dalla temperatura e dal segnale: un sensore di temperatura EpiSensor TES dura fino a 10 anni con letture ogni 15 minuti, a 23 °C e con copertura radio completa, solo per la misura della temperatura con NTC.
Quando conviene il monitoraggio cablato?
Quando i contatori hanno già una connessione Modbus o M-Bus funzionante, quando i percorsi dei cavi e le porte di rete sono disponibili, oppure quando un ciclo di controllo richiede un tempo massimo di risposta calcolabile.
Si possono combinare contatori cablati e wireless?
Sì. Un Gateway può leggere contatori Modbus cablati e sensori wireless in un unico insieme di dati. Assegnare a ogni punto un'identità, un'unità di misura e una fonte della marca temporale chiare.