La Tecnologia ZigBee nel Telecontrollo Wireless di Impianti di Pubblica Illuminazione

Introduzione 
 
Introduzione 
 
La seguente tesi di laurea è finalizzata allo studio e all’applicazione di un sistema di 
trasmissione wireless per il telecontrollo di un impianto di pubblica illuminazione. 
L’assenza di un supporto fisico per la trasmissione di informazione può infatti costituire 
una vantaggiosa innovazione nei confronti delle attuali tecnologie utilizzate per la 
gestione ed il controllo dell’impianto.  
Facilità d’installazione, affidabilità della comunicazione, costi ormai contenuti sono le 
premesse che hanno portato a questo studio di tesi. Tenendo sempre in considerazione 
le esigenze e la struttura di un impianto di pubblica illuminazione si è analizzato lo 
standard wireless emergente ZigBee, cercando di capire se realmente questa nuova 
tecnologia risulta adatta e pienamente matura per il telecontrollo di un impianto di 
illuminazione pubblica.
Capitolo 1                                                               Il sistema di telecontrollo 
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IL SISTEMA DI TELECONTROLLO 
 
 
Il seguente capitolo si propone di mettere in luce gli elementi fondamentali che 
compongono un sistema di telecontrollo di un impianto di pubblica illuminazione, 
cercando di evidenziare tramite immagini esplicative i componenti del sistema e i 
collegamenti fra gli stessi.  
 
 
 
 
1.1 Il telecontrollo di un impianto di pubblica illuminazione 
 
Il telecontrollo comprende una serie di applicazioni, fra loro integrabili, dedicate alla 
supervisione degli impianti mediante l'acquisizione di segnali, allarmi, misure impulsive 
e analogiche e, dove richiesto, l'invio di comandi manuali o con sequenze automatiche. 
Attraverso tali applicazioni, l’operatore, dal centro remoto di controllo, può essere 
costantemente informato a distanza sullo stato di funzionamento degli impianti, delle 
apparecchiature e delle macchine e sull'entità delle misure energetiche. 
Il monitoraggio continuo del funzionamento dei vari componenti, inoltre, permette di 
stabilire automaticamente il momento di eseguire manutenzioni preventive o 
straordinarie e sostituzioni di componenti, con benefici economici e gestionali. 
In questo ambito si inserisce il telecontrollo degli impianti elettrici di pubblica 
illuminazione, la cui automazione viene da tempo effettuata.
Capitolo 1                                                               Il sistema di telecontrollo 
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Il telecontrollo di un impianto di pubblica illuminazione è ormai indispensabile poiché 
consente: 
  il controllo dei singoli quadri di illuminazione periferici; 
  l’accensione e lo spegnimento dei singoli apparati, tanto in automatico quanto in 
manuale. Grazie al telecontrollo, la gestione manuale dell’impianto può essere 
effettuata sia localmente, con l’operatore posto in prossimità del quadro di 
distribuzione di bassa tensione, sia mediante postazione remota di controllo. Così 
facendo, è possibile gestire in maniera corretta ed ottimale gli stati di servizio e fuori 
servizio del sistema; 
  il monitoraggio dei valori dei parametri elettrici del singolo punto luminoso o 
dell’intero impianto in modo da poter fornire dati statistici a riguardo; 
  la regolazione di flusso dei dispositivi luminosi in maniera ottimale ed in modo da 
garantirne la massima efficienza;  
  il controllo dei singoli punti luce e delle apparecchiature elettriche, individuando le 
situazioni di allarme e garantendo rapida localizzazione dell’eventuale guasto;  
  la rilevazione del tempo di funzionamento di una lampada al fine di attuare una 
sostituzione programmata del parco lampade. 
Il sistema di telecontrollo, come mostrato nello schema a blocchi in figura 1.1.1, è 
composto da tre elementi fondamentali: il Centro Remoto di Supervisione, il Quadro di 
Controllo e l’Unità Periferica.
Capitolo 1                                                               Il sistema di telecontrollo 
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Centro Remoto 
di Supervisione
Quadro di 
Controllo
Unità Periferica
Il sistema di telecontrollo
 
Fig. 1.1.1.   Elementi fondamentali del sistema di telecontrollo 
 
 
 
1.2 Il Centro Remoto di Supervisione 
 
La gestione remota dell’impianto di illuminazione avviene grazie al centro di 
supervisione che è sostanzialmente costituito da un PC connesso con un modem al 
quadro di controllo locale. Tale collegamento tra il centro operativo e i quadri di 
controllo locali è infatti attuato mediante linea telefonica commutata o dedicata, 
soluzione che consente di minimizzare i costi di installazione, evitando infatti una nuova 
posa di cavi per la comunicazione. Nel caso in cui non si disponga di una linea 
telefonica, si può sempre utilizzare un modem GSM.   
Dal PC supervisore, attraverso un software applicativo specializzato, è possibile 
effettuare la gestione centralizzata dell’impianto ed in particolare:
Capitolo 1                                                               Il sistema di telecontrollo 
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  vengono acquisiti i dati dai quadri di controllo locali e memorizzati nel database di 
processo; 
  vengono inviati comandi ai quadri, permettendo l’accensione e lo spegnimento 
dell’intero impianto o di un singolo corpo illuminante in maniera del tutto 
automatica; 
  vengono visualizzati, memorizzati in un database e gestiti gli eventi e gli allarmi 
provenienti dai quadri di controllo; 
  viene segnalata all’operatore la necessità di effettuare un intervento di manutenzione 
sull’impianto. 
 
 Modem  
Database di 
processo
Il Centro Remoto di 
Supervisione
Collegamento via etere con il 
quadro di controllo
RS 232
PC supervisore
 
Fig. 1.2.1.   Il Centro Remoto di Supervisione
Capitolo 1                                                               Il sistema di telecontrollo 
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1.3 Il Quadro di Controllo 
 
La gestione di tutti i corpi illuminanti appartenenti allo stesso quadro elettrico di 
distribuzione avviene mediante il quadro di controllo, costituito da un PC industriale 
connesso mediante modem GSM al Centro Remoto di Supervisione. Grazie ad un 
dispositivo Master di trasmissione dati, il PC industriale comunica con tutti gli apparati 
luminosi.  
Il suddetto PC, ad intervalli di tempo prestabiliti (dell’ordine dei minuti), compie un 
operazione di polling, interrogando  attraverso il dispositivo Master tutti i punti luminosi 
uno per uno. La stazione Master, mediante tale protocollo, inoltra una richiesta 
d’informazioni al corpo luminoso, inteso come uno Slave. Lo Slave risponde alla 
richiesta inviando tali informazioni. 
Nel diagramma di flusso, rappresentato in figura 1.3.2, viene evidenziato l’algoritmo di 
polling che il PC del quadro implementa per interrogare N punti luminosi. Per ogni       
n-esima lampada, l’algoritmo prevede una fase di acquisizione dati e una fase di verifica 
dei dati acquisiti al fine di individuare situazioni anomale nel funzionamento del carico. 
Con tale procedura, il malfunzionamento viene rilevato e immediatamente segnalato con 
un allarme all’operatore posto nel Centro Remoto di Supervisione.
Capitolo 1                                                               Il sistema di telecontrollo 
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RS 232
    Modem  GSM
Collegamento via etere con il 
centro remoto di supervisione
PC Industriale
Database di 
impianto
UPS
Il Quadro di Controllo
Dal quadro elettrico 
Analizzatori di rete
RS 485
RS 232
Dispositivo Master per il 
telecontrollo puntuale dei 
singoli punti luce
Collegamento con le unità 
periferiche da telecontrollare
 
Fig. 1.3.1.   Il Quadro di Controllo
Capitolo 1                                                               Il sistema di telecontrollo 
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Lo stato è ON?
n=1
Inizio procedura di 
polling
L’algoritmo di Polling e la logica di controllo
Acquisizione valori seguenti
dal corpo illuminante n :
stato ON/OFF, V, I, cosf , P, t, E, 
Corrente 
assorbita I=0?
Lampada n 
spenta
Allarme: mancato 
spegnimento della 
lampada n
Tensione 
V>170V?
Corrente 
I=0?
Cosf >0,9?
Allarme: assenza 
tensione lampada n
Allarme: guasto alla 
lampada o al circuito 
d’alimentazione
Allarme: condensatore 
guasto 
Tempo di 
funzionamento 
t<8000h?
Allarme: lampada n 
esaurita. Sostituire 
lampada. 
n=N?
Fine
SI’
NO
n=n+1
SI’
NO
NO
NO
SI’
SI’
SI’
NO
NO
NO SI’
SI’
V tensione ai capi del corpo illuminante
I corrente assorbita dal corpo illuminante
cosf sfasamento tra tensione e corrente
P potenza assorbita dal corpo illuminante
t   tempo di funzionamento
E  energia consumata
 
Fig. 1.3.2.   L’algoritmo di Polling per la rilevazione dei malfunzionamenti nell’impianto
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1.4 L’Unità Periferica 
 
La scheda periferica connessa al corpo illuminante da telecontrollare è sostanzialmente 
costituita dai seguenti elementi: 
  microcontrollore; 
  sezione d’alimentazione; 
  relè elettromeccanico (oppure a stato solido); 
  interfaccia di trasmissione dati con il dispositivo Master connesso al quadro di 
controllo; 
  sensori e circuitistica per l’effettuazione delle misure sul corpo illuminante; 
  memoria non volatile (EPROM, FLASH) per il salvataggio permanente di dati. 
Il relè elettromeccanico, comandato dal microcontrollore, si occupa del pilotaggio del 
carico. I segnali di accensione e spegnimento della lampada, provenienti dal quadro di 
controllo, vengono codificati dalla parte di trasmissione dati della scheda e inviati 
tramite interfaccia seriale al microcontrollore. Quest’ultimo attiva il comando che 
agisce sui contatti del relè, provocandone l’apertura o la chiusura. 
Mediante i sensori vengono effettuate le misurazioni di tensione ai capi del corpo 
illuminante e di corrente assorbita dallo stesso. Tali grandezze vengono quindi elaborate 
dal microcontrollore per ottenere il valore di sfasamento tra tensione e corrente. Dalla 
misura indiretta di cosf, il microcontrollore può calcolare tutte le potenze assorbite 
dall’apparecchio luminoso, ovvero potenza attiva P, reattiva Q e apparente A. 
E’ fondamentale la scelta di una sensoristica appropriata per ottenere delle misure di V 
e I affette da esigui errori di misurazione. Pertanto, i valori di tensione ai capi del corpo 
illuminante dovrebbero essere rilevati con un’incertezza relativa percentuale non 
superiore all’1%, pari ad una incertezza assoluta di V V 3 , 2    . Allo stesso modo, è 
bene che l’incertezza relativa percentuale della misura di corrente non superi l’ 2 1  %, 
corrispondente ad un valore dell’ordine dei centesimi d’Ampere, in relazione ai valori di 
corrente nominali delle più comuni lampade utilizzate nella pubblica illuminazione.
Capitolo 1                                                               Il sistema di telecontrollo 
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Ciò permette di ottenere una misura indiretta di potenza abbastanza precisa. Si deve 
infatti ricordare che la rilevazione della potenza è ottenuta indirettamente dal 
microcontrollore come  prodotto di più grandezze e quindi l’errore relativo nella misura 
della stessa è uguale alla somma algebrica degli errori relativi che si commettono nella 
misura dei singoli fattori.  
Il microcontrollore, con un’operazione di integrazione, processerà il valore calcolato di 
potenza attiva per ottenere il valore d’energia consumata dal corpo illuminante durante il 
funzionamento. 
Lo stesso microprocessore della scheda quantificherà anche il tempo totale di 
funzionamento della lampada per risalire alle ore di vita e attuare una sostituzione 
programmata.  
Tali valori di tempo di accensione t e energia consumata E verranno immagazzinati in 
una memoria non volatile per evitare che vengano perduti in caso di disalimentazione 
della scheda periferica.  
I valori di V, I, P, Q, A non è invece necessario che vengano memorizzati in una 
memoria non volatile. La memorizzazione di queste grandezze viene effettuata dal PC 
industriale a bordo del quadro di controllo che periodicamente interroga l’unità 
periferica. In risposta, quest’ultima fornirà i seguenti parametri: stato ON/OFF, V, I, 
cosf, P, Q, A, E, t. 
In fig. 1.4.2 è rappresentato lo schema a blocchi della scheda processorata ed il suo 
collegamento con il corpo illuminante: