Sensori di movimento Panasonic Industry per applicazioni di Building Automation

La misurazione e il monitoraggio costante di parametri ambientali è un aspetto fondamentale nelle applicazioni di Smart Home e Smart Building.

In tal modo possono essere controllate grandezze fisiche e diverse altre variabili legate a un determinato processo o relative a un luogo specifico, al fine di rilevare eventi o eventuali cambiamenti nell’ambiente circostante. Oltre al monitoraggio ambientale, la gestione efficiente di una casa o un edificio di grandi dimensioni, al giorno d'oggi, richiede funzionalità avanzate e prestazioni di alto livello. Il mercato della sensoristica intelligente applicata agli edifici di ultima generazione e le tecnologie emergenti, sono sempre più human oriented, dal momento che le moderne soluzioni progettuali pongono come elemento centrale dello sviluppo di un nuovo prodotto o servizio, sin dal primo concept iniziale, la qualità, il comfort e la sicurezza per migliorare l'esperienza degli utenti nel suo complesso. I sistemi di Building Management possono oggi contare su sensori in grado di gestire informazioni e dati in modo dinamico. Il panorama delle applicazioni automatizzate per gli edifici intelligenti di ultima generazione si arricchisce di soluzioni e componenti progettati e forniti dalle aziende leaders del mercato elettronico.

Introduzione

Tra i molteplici componenti elettronici che sono alla base di progetti, prototipi o dispositivi, i sensori rivestono un ruolo chiave in diversi ambiti. Grazie alla loro capacità di fornire input ai più svariati sistemi, le applicazioni che ne fanno uso possono arricchirsi di funzionalità aggiuntive che si rivelano utili in molte situazioni. Nel contesto della smart home, ad esempio, assistiamo ad un utilizzo sempre più frequente di sensori intelligenti per il rilevamento di grandezze di varia natura. Sensori di temperatura, umidità, illuminazione, qualità dell'aria, pressione, etc., sono il cuore operativo di automatismi domestici per garantire il giusto livello di comfort abitativo. Le architetture distribuite tipiche della casa intelligente prevedono sistemi che includono diversi tipi di sensori indispensabili per il monitoraggio e la registrazione di dati ambientali. Ma non è tutto. Difatti, anche strutture più complesse come gli edifici ad uso residenziale, commerciale e industriale, possono essere automatizzate con funzionalità intelligenti per una migliore e più efficiente gestione degli impianti integrati. L'ottimizzazione delle prestazioni complessive dell'edificio resta l'obiettivo condiviso. La crescita dell'automazione degli edifici è sostenuta dalla riduzione dei costi della connettività, dalla diffusione capillare di sistemi caratterizzati da una notevole potenza computazionale, dall'IoT e dall'Intelligenza Artificiale, portando a un cambio radicale nella percezione dell'edificio nel suo insieme e nel modo in cui viene progettato, controllato e gestito, rendendo gli utenti più consapevoli dell'utilizzo e dei consumi. L'edificio reso intelligente ridefinisce il modo in cui i dati e le informazioni disponibili possono essere analizzati e utilizzati per rendere gli spazi più confortevoli ed energeticamente efficienti, migliorando vivibilità ed esperienza degli utenti.

Building Automation: la nuova frontiera della digitalizzazione degli edifici

La Building Automation è un ecosistema che abilita i servizi di efficientamento energetico, protocolli di sicurezza, monitoraggio e gestione intelligente e automatizzata degli edifici. Oggigiorno è molto sentita la necessità di automatizzare le funzioni di una casa o di un edificio al fine di massimizzarne le prestazioni, sia energetiche sia di comfort e sicurezza per gli utilizzatori, attraverso una gestione intelligente e del tutto automatizzata degli impianti. In tale ottica cambia radicalmente la concezione stessa dell'edificio, percepito non più solo come una struttura a sé stante, ma dotato di una "intelligenza propria" che gli permette di gestirsi autonomamente. Cosa rende nello specifico un edificio realmente "intelligente"? In modo semplice e intuitivo, potremmo definire "intelligente" un edificio nel quale la gestione e il controllo degli impianti tecnologici sono completamente automatizzati al fine di raggiungere elevati standard di qualità, sicurezza e risparmio energetico, una vera e propria intelligenza applicata all'edificio. Un edificio connesso è, in sostanza, un edificio intelligente, e viceversa. Automazione, interconnessione e integrazione sono i principi sui quali si basa il funzionamento di un edificio smart. I campi di applicazione ai quali si rivolge l'automazione degli edifici sono molteplici: illuminazione, termoregolazione, sistemi di riscaldamento, raffrescamento, condizionamento, controllo accessi, rilevamento di persone in una zona specifica all'interno della struttura o in aree esterne, supervisione degli impianti, gestione delle apparecchiature degli elettrodomestici, acquisizione e gestione dati su eventuali guasti o malfunzionamenti, rilevazione degli incendi, sistemi di allarme. L'impianto intelligente si occupa autonomamente e senza alcun intervento umano, di ottimizzare le condizioni ambientali per aumentare il comfort e la qualità. L'architettura integrata di un edificio intelligente ottimizza il grado di interazione tra la struttura, gli utenti e i servizi abilitati e supportati dalle tecnologie esistenti. Pensiamo ad esempio a quanto sia cambiata la percezione del livello di qualità dell'aria in un ambiente di lavoro a seguito della pandemia globale da Covid-19, il che richiede tecnologie in grado di garantire un costante monitoraggio della salubrità dell'aria. L'efficienza di un sistema di Building Automation, finalizzato al monitoraggio ambientale e all’efficientamento energetico, è legata principalmente alla flessibilità e alla modularità delle soluzioni implementate.

Vediamo ora quali sono i "mattoncini" che, ciascuno con funzioni specifiche, vanno a caratterizzare un modello di edificio smart. In primis le tecnologie, i dispositivi e gli impianti, cui si aggiungono i sensori connessi agli impianti stessi (necessari, ad esempio, per la raccolta dei dati ambientali), attuatori, piattaforme di supervisione per il controllo e la gestione del flusso di dati, software che si occupano della raccolta ed elaborazione dei dati forniti dai sensori e, non ultima, la connettività. Poter usufruire di una efficace misurazione e controllo delle variabili è fondamentale nel contesto della Building Automation. L'automazione delle strutture è a tutti gli effetti la nuova frontiera della digitalizzazione degli edifici, finalizzata a una maggiore efficienza nella gestione dei consumi energetici e che si interfaccia, pur avendo una connotazione differente, con altre realtà, dal microambiente della smart home ai più ampi contesti della smart city. I concetti di casa connessa (smart home), ovvero l'intero ecosistema della casa intelligente, caratterizzata da dispositivi interconnessi e controllabili da remoto tramite una semplice app, e di città intelligente (smart city), si intrecciano e si fondono per delineare il possibile scenario della vita umana in un futuro prossimo, che progressivamente si fa sempre più realtà concreta tra noi. I sistemi di automazione degli edifici amplificano il concetto di automazione domestica a un livello che potremmo definire "superiore" e che viene così a riguardare non solo la singola casa, ovvero il luogo fisico circoscritto nel quale si svolge la vita quotidiana, ma anche strutture più complesse e di dimensioni importanti, edifici con una differente destinazione d'uso. E' questo il caso di uffici, scuole, industrie, strutture commerciali, strutture ricettive, strutture sanitarie, aziende, banche o edifici pubblici. In tal senso, il paradigma della Building Automation si configura come un'evoluzione, una forma di stadio successivo della domotica smart, con la quale condivide pur sempre tecnologie e metodi, ma dalla quale si differenzia per la complessità del contesto e degli scenari d'intervento.

Come precedentemente specificato, gli edifici intelligenti automatizzati possono fare affidamento su una vasta gamma di sensori, dei quali i più importanti e più frequentemente utilizzati sono:

  • sensori di temperatura
  • sensori di umidità
  • sensori di qualità dell'aria
  • sensori di movimento 
  • sensori di presenza
  • sensori di contatto
  • sensori di monitoraggio della corrente elettrica
  • sensori di pressione
  • sensori ottici
  • sensori di prossimità
  • sensori di livello
L'edificio automatizzato consente agli utenti di risparmiare riducendo i costi dell'energia e l’impatto ambientale, mediante ottimizzazione delle funzionalità avanzate e costante monitoraggio dell'ambiente circostante. Comfort abitativo, sicurezza e un efficiente energy management sono fattori chiave per l'automazione degli edifici, nell'ottica del raggiungimento dell'efficienza in ambienti pensati appositamente per offrire il massimo delle prestazioni energetiche e funzionali sulla base delle necessità degli utenti. E' importante notare che tale scenario riguarda in egual misura sia l'update di edifici preesistenti da rimodernare sia i nuovi edifici già progettati in una visione innovativa orientata all'automazione.
Attualmente sono davvero tante le soluzioni presenti sul mercato per la digitalizzazione degli edifici, complice la profonda trasformazione tecnologica che ha pervaso gran parte dei settori. Il concetto di automazione diventa, quindi, centrale per il monitoraggio in tempo reale di impianti di riscaldamento, raffrescamento, illuminazione e quant'altro, per ottenere il massimo livello di integrazione delle tecnologie e degli impianti. Anche nel contesto dell'edificio reso intelligente, l'Internet of Things (IoT) si rivela una soluzione strategica per aumentare l'efficienza operativa dei sensori e la gestione dei dati da essi prodotti. L'IoT rappresenta a pieno titolo il valore aggiunto di un edificio automatizzato in grado di interconnettere oggetti e impianti. L'Internet of Things consente, infatti, la comunicazione tra varie tipologie di dispositivi, sensori, attuatori, rilevatori, etc. e la gestione delle performance energetiche di un edificio intelligente per ottimizzarne il consumo di energia, obiettivo imprescindibile dell'automazione degli edifici.
Inoltre, è bene far presente che sono proprio i sensori a generare e fornire il flusso di dati che vengono poi immagazzinati ed elaborati dalle piattaforme dell'ecosistema IoT.

Sensori di movimento Panasonic Industry

I sensori di movimento vengono impiegati come sistemi di sicurezza e come dispositivi per il controllo automatico di ambienti. All'interno della distribuzione TME, l'offerta della gamma di dispositivi del marchio Panasonic Industry occupa una posizione di rilievo per l'altissima qualità e l'affidabilità del noto brand giapponese, al fine di soddisfare la domanda del mercato. Panasonic Industry è da sempre presente sul mercato con un'ampia gamma di componenti elettronici industriali. In molteplici applicazioni automatizzate e sistemi di automazione inerenti lo Smart Building e i sistemi di allarme, vengono impiegati anche sensori di movimento a riflessione. Nella progettazione di un moderno edificio smart si tende a preferire soluzioni economiche e a basso consumo energetico e che, allo stesso tempo, garantiscano una lunga durata, affidabilità e ottima sensibilità di rilevazione.

PanasonicIndustry, leader giapponese nel mercato di dispositivi per l'elettronica con elevati standard qualitativi, propone a tal proposito una soluzione efficiente che arricchisce il portfolio della sensoristica industriale per edifici intelligenti automatizzati e per sistemi di allarme. Si tratta, nello specifico, dei sensori PaPIR, acronimo di Panasonic Passive InfraRed (o Pyroelectric). In particolare, parliamo di sensori digitali che sono destinati al montaggio su schede PCB (THT) e che sono realizzati con materiali ecocompatibili.

Figura 1. Alcuni modelli di sensori PIR di Panasonic Industry

Questi sensori sono disponibili sul catalogo della TME in due diverse serie, con caratteristiche dettate dalle finalità applicative e dalle specifiche tecniche, liberamente consultabili dai datasheet di prodotto [1], [2] e [8]:

Questa serie è tipica diapplicazioni di uso generale. Tali componenti sono dotati di tre tipi di lenti: standard, sagomate per dispositivi montati a parete, o destinate al rilevamento del movimento da lunghe distanze (fino a 12 m). Oltre al monitoraggio o ai controller di illuminazione automatica, i sensori EKMC vengono utilizzati nei sistemi HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning, ovvero riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria), nei macchinari destinati all'utilizzo pubblico o nelle stampanti multifunzione. Questa tipologia di sensori è disponibile con uscite sia digitali che analogiche.

Si tratta di una serie che comprende una selezione simile di lenti, ed è caratterizzata da un assorbimento di corrente estremamente basso(fino a 1 μA) e dall'elevata resistenza alle interferenze con una frequenza fino ad alcuni Gigahertz. I sensori EKMB sono stati adattati anche alle applicazioni dell'ecosistema IoT, incluse le applicazioni mobili e quelle alimentate a batteria.

Figura 2. Campi di applicazione dei sensori PIR di Panasonic Industry

Le interessanti proprietà dei sensori Panasonic PaPIR 

I sensori PIR (Passive InfraRed) sono sensori a infrarossi piroelettrici che rilevano le variazioni dei raggi infrarossi. La loro denominazione è, appunto, sensore passivo a infrarossi. Questo tipo di sensore elettronico viene solitamente utilizzato come dispositivo di sicurezza, è in grado di percepire la radiazione infrarossa ed è progettato per il rilevamento della presenza e del movimento in un'area ben definita, all'interno di edifici ad uso residenziale, commerciale o industriale, ma anche in altri contesti open space, parcheggi ed edifici pubblici. Il sensore PIR rileva quindi il movimento attraverso la variazione che si verifica nei livelli di radiazione infrarossa. 

Trovano largo impiego nei dispositivi di sicurezza, dispositivi wireless, abitazioni, edifici intelligenti e ambienti industriali, principalmente in applicazioni di sorveglianza e monitoraggio. Il loro campo di applicazione spazia quindi dalla smart home al più ampio contesto della Smart Building Automation. Il sensore PIR, come su descritto, rileva i cambiamenti nei livelli di radiazione infrarossa, ciò si verifica quando c'è il movimento di una persona che possiede una temperatura diversa da quella dell'ambiente circostante. Quando una persona si trova a passare dinanzi al sensore, questo rileva il cambiamento di energia a infrarossi e invia un segnale. I sensori di movimento PIR di Panasonic sono in grado di rilevare i cambiamenti di temperatura dall'ambiente circostante e al contempo rilevano il movimento.

Figura 3. Schematico del funzionamento di un sensore PIR

Tutto ciò garantisce un'ottimale usabilità rispetto ai convenzionali sensori di movimento PIR. I sensori PaPIR possono essere facilmente installati e generano un risparmio sui costi di progettazione e manutenzione. Un altro aspetto che non passa certo inosservato è la prevenzione delle interferenze causate da campi elettromagnetici quali quelli generati dai telefoni cellulari e dai dispositivi wireless che vengono utilizzati nelle applicazioni IoT e di Smart Building. Il tutto senza rinunciare all'impiego di materiali rispettosi dell'ambiente.

Possiedono, inoltre, un'ampia area di rilevamento ed elevata sensibilità (detection sensitivity). I sensori di movimento PaPIR dal design unico, sviluppati e prodotti da Panasonic Industry, combinano un mix di interessanti caratteristiche tecniche e funzionali: oltre all'ampia area di rilevamento e all'elevata sensibilità sopra menzionate, si aggiungono elevata affidabilità, ottima capacità di integrazione, eccellente resistenza al rumore delle radiazioni.

Figura 4. Sensore di movimento Panasonic EKMC1601111 (Fonte: TME Electronic Components)

Figura 5. Sensore di movimento Panasonic EKMB1101111 (Fonte: TME Electronic Components)

Nei sensori PIR di Panasonic la sensibilità è stata notevolmente migliorata grazie all'esclusivo design a fessura degli elementi piroelettrici. Pertanto, è possibile ottenere un rilevamento affidabile anche se la differenza di temperatura ΔT è piccola. L'elemento piroelettrico risulta, inoltre, senza piombo, a differenza dei sensori di movimento PIR di tipo convenzionale. Le lenti sono di piccole dimensioni. Anche il rapporto segnale/rumore risulta migliorato, almeno di 4 volte, grazie a uno speciale circuito I/V che viene utilizzato per convertire un segnale di corrente dall'elemento piroelettrico in tensione.I sensori di movimento PaPIR di Panasonic funzionano tramite il condensatore di retroazione e l'amplificatore operazionale, in modo diverso dal tipo FET convenzionale, riducendo così le probabilità di falsi allarmi dovuti ad una fluttuazione della temperatura. Si adattano a diverse condizioni ambientali grazie all'ampio range delle temperature di lavoro. A corredo di quanto detto, "last but not least", si aggiunge anche il basso consumo di corrente, almeno per quanto riguarda la serie EKMB (WL), grazie alla speciale tecnologia di progettazione del circuito, che consente di estendere la durata della batteria per i prodotti alimentati con batteria, inclusi i dispositivi wireless. I sensori PaPIR sono dotati della modalità sleep che consente un consumo energetico molto basso. Sono molte, infatti, le applicazioni IoT e di domotica intelligente, che richiedono un consumo ridotto in termini di corrente ed energia. Tutte queste caratteristiche tecniche sono il punto di forza dei sensori di movimento sviluppati da Panasonic.  

Figura 6. Sensore di movimento Panasonic EKMC1603112 (Fonte: TME Electronic Components)

La vasta gamma di sensori PaPIR, consultabile da catalogo TME con le relative specifiche tecniche dei vari modelli, consente di avere un ampio ventaglio di scelte per il tipo di sensore più adatto alla propria applicazione o a determinati requisiti ambientali, selezionando il tipo di lente tra i vari disponibili per le diverse serie di sensori (standard detection type, long distance detection type, wall installation type, etc.), sulla base del consumo di corrente in modalità standby, tipo di output e colore della lente. 

Il rilevamento del movimento viene utilizzato nell'ambito della sicurezza e per automatizzare i controlli all'interno e all'esterno degli edifici. I sensori di movimento sono molto utili per comprendere al meglio la gestione ottimale degli ambienti e degli spazi di lavoro, in locali adibiti a uffici, sale riunioni o sale d'attesa. Con il rilevamento in tempo reale della presenza di persone, nel momento in cui entrano nel campo visivo del sensore, i sensori possono aiutare le organizzazioni a capire quali sono gli spazi che vengono più utilizzati o, ad esempio, a conoscere quali spazi o sale riunioni sono disponibili all'uso in un determinato istante. Dopo aver rilevato il movimento di una persona nel suo campo visivo, il sensore notifica la presenza e continua il monitoraggio dello spazio circostante. Questa tipologia di sensori riveste un'importanza strategica nei workspaces delle aziende moderne, poiché un'efficiente gestione degli ambienti adibiti a spazi di lavoro genera un considerevole risparmio sui costi e una maggiore produttività aziendale dei dipendenti.

A livello progettuale, l'impiego dei sensori PaPIR consente la realizzazione di sistemi di sicurezza customizzati sulla base delle esigenze dell'utente, con installazioni a soffitto o a parete, e per ambienti interni o esterni. L'interesse verso i sensori PaPIR e, al contempo, la loro ampia potenzialità applicativa, sono dovuti proprio alla flessibilità, ai ridotti costi di manutenzione e consumi energetici, senza per questo dover sacrificare in alcun modo l'alta precisione del rilevamento. Le proprietà dei sensori EKMB ed EKMC di Panasonic Industry li rendono la soluzione ideale per venire incontro alla crescente domanda di monitoraggio costante, tipica delle applicazioni di sorveglianza nel contesto della Smart Building Automation che richiede sempre più tecnologie sofisticate di sensori, ai quali vengono richieste stringenti specifiche, in termini di package compatto e prestazionali, attraverso componenti che siano contemporaneamente miniaturizzati e in grado di effettuare misurazioni altamente precise e affidabili.

Il mercato della sensoristica è notevolmente dinamico e in crescita esponenziale poiché può fare affidamento sui grandi leaders nella progettazione e produzione di componenti elettronici per le tecnologie emergenti, quale è il marchio Panasonic Industry, in grado di soddisfare e tenere testa alle nuove richieste di un mondo in continua evoluzione e adattarsi a diversi casi d'uso. La crescente domanda di dispositivi smart per automatizzare ambienti domestici o lavorativi richiede una ricerca continua nell'evoluzione tecnologica dei sensori. Il noto produttore giapponese offre una vasta gamma di sensori industriali con soluzioni personalizzate per soddisfare le specifiche richieste dell'utente finale. Panasonic aiuta il cliente a scegliere il sensore ottimale attraverso esempi pratici di soluzioni applicative, datasheet, modelli e dati CAD e tutta la documentazione tecnica di supporto a corredo.

Da oltre 30 anni TME Electronic Components offre il suo contributo nel mercato dei componenti elettronici, ponendosi come leader globale tra i fornitori di prodotti per l'elettronica e l'industria, nonché punto di riferimento per le più grandi aziende produttrici del panorama internazionale.

Riferimenti documentazione tecnica di prodotto e Sitografia

[1] PIR Motion Sensor

[2] Sensori di movimento PIR dell'azienda Panasonic

[3] Wide Area & Ultra Slight Motion Detection

[4] Panasonic Global

[5] Motion/Displacement Sensors

[6] Panasonic PIR Motion Sensors

[7] PaPIR Sensors

[8] PIR Motion Sensor PaPIRs

[9] Actions for Disuse of Environmental Impact Chemical Substances

[10] Componenti elettronici industriali Panasonic Industry

 

 

MAGGIORI APPROFONDIMENTI SULL'ARGOMENTO