Sfruttare la luce per mettere in comunicazione robot, sensori, macchinari, sistemi di trasporto autonomo e qualunque altro dispositivo interconnesso della produzione industriale. È l’intuizione, diventata progetto, su cui stanno lavorando i ricercatori del Fraunhofer IOSB-INA di Lemgo (Germania), la sezione dedicata all’automazione industriale del Fraunhofer Institute for Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB.
La tecnologia VLC (Visible Light Communication) permetterebbe infatti di superare i limiti dati dalla larghezza di banda delle connessioni wireless oggi più diffuse: la WLAN (Wi-Fi) e il Bluetooth che, sebbene abbiano portato considerevoli vantaggi alla comunicazione tra oggetti, non riescono più a sostenere il numero in costante crescita di utenti, ricevitori e device connessi.
L’avvento del 5G potrà sicuramente ridurre la portata del problema ma la comunicazione per impulsi luminosi, assicurano i ricercatori tedeschi (che sono al lavoro su questo progetto da ormai un anno e prevedono di presentarlo al pubblico per la metà del 2021), potrà offrire una soluzione più efficiente e priva di licenza alle sfide dell’interconnessione nell’industria manifatturiera.
“Lo spettro della luce è circa 4.000 volte più esteso dell’intero spettro wireless disponibile”, spiega Daniel Schneider, ricercatore del Fraunhofer IOSB-INA. “Va da una lunghezza d’onda di 380 a 800 nanometri”. Insieme coi suoi colleghi dell’Università di scienze applicate di Ostwestfalen-Lippe, a Lemgo, in Renania, Daniel sta lavorando a un progetto di ricerca collaborativa finalizzato all’industria della DFAM (German Research Society for Automation and Microelectronics), finanziato dal Ministero Federale per gli Affari Economici e l’Energia della Germania.
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Come funziona la VLC
Nella tecnologia VLC, la luce è utilizzata per trasmettere dati attraverso i led, che fungono da trasmettitori. I fotorilevatori trasformano il segnale luminoso in impulsi elettrici, facendo da ricevitori. L’informazione è trasmessa sotto forma, ad esempio, di segnali binari (impercettibili all’occhio umano).
È una tecnologia già diffusa nelle televisioni, dove un led a infrarossi, incorporato nel controllo remoto, trasforma un segnale in un impulso luminoso (il fotodiodo misura il segnale e determina se trasmettere l’uno o lo zero del segnale binario). La VLC è quindi già utilizzata in uffici, case e laboratori (ultimamente è stata applicata anche ai sistemi di navigazione indoor nei centri commerciali), luoghi in cui le fonti di interferenza sono notevolmente inferiori rispetto a quelle che possono presentarsi nei siti di produzione industriale. Qui infatti i “fattori ostili” pongono nuove sfide che non sono ancora state studiate approfonditamente.
“In alternativa ai sistemi di collegamento wireless convenzionali, utilizzeremo led ad alta efficienza energetica già commercializzati”, continua Schneider. “Il punto è riuscire a creare un sistema in grado di resistere al maggior numero di interferenze possibile”. Il sistema è infatti molto affidabile quando si tratta di risolvere problemi legati alla presenza di pareti, oggetti metallici o macchinari, ma “luci, ombre e riflessi artificiali possono influenzare la trasmissione di dati via luce”, spiega lo studioso tedesco. “In collaborazione con cinque imprese industriali, stiamo completando alcune misurazioni per analizzare l’estensione, la portate e la distribuzione di questo impatto”. Per i test, i ricercatori stanno utilizzando uno spettrometro che può ruotare lungo due assi, ed è in grado di misurare la distribuzione nello spazio delle fonti di interferenza.
Le principali fonti di interferenza
Tra le fonti di interferenza temute vi era il riflesso causato dalle particelle presenti nell’ambiente, ma i test hanno provato che la polvere non crea alcun problema alla trasmissione del segnale ottico. “Gli edifici per la produzione industriale sono normalmente ben ventilati, quindi le tipiche concentrazioni di particelle non assorbono il segnale luminoso con una portata rilevante”, chiarisce Schneider.
Se persone e veicoli in movimento (fino a una velocità di 0,2 m/s) non sembrano influenzare la qualità del segnale, la minaccia principale per lo spettro ottico è rappresentata dalla luce ambientale. I partner del progetto hanno infatti identificato dieci modelli diversi la cui luminosità compromette la comunicazione VLC, come i processi di saldatura, i tubi fluorescenti o i sistemi di rilevamento ottico. Si tratta comunque di effetti strettamente localizzati, che non incidono sull’area circostante, mentre la tecnologia VLC sembra in grado di adattarsi alle condizioni di luce ambientale e minimizzare i fattori di interferenza.
Ciò che più interferisce con la trasmissione di segnali luminosi, però, è il fenomeno della riflessione. “Una lampada emette fasci luminosi che vanno in più direzioni”, spiega il ricercatore. “Questi fasci raggiungono il ricevitore tramite una riflessione che, se è molto ampia, comporta diversi tempi di ricezione e svariati gradi di assorbimento del segnale luminoso. Questo distorce il segnale e abbassa la qualità della trasmissione”. Per questo motivo il team di scienziati sta usando i dati quantitativi raccolti nei test per sviluppare un sistema VLC ad uso industriale in grado di adattarsi all’ambiente di destinazione.
Protezione dei dati e risparmio energetico
Uno dei vantaggi offerti dalla comunicazione per impulsi luminosi è data dalla sicurezza della trasmissione dei dati. Questi, se trasmessi con sistemi wireless, possono essere intercettati, cosa che non avviene utilizzando la luce.
Inoltre, la tecnologia VLC, solo l’ultimo dei prodotti innovativi sviluppati da Fraunhofer, permetterebbe di connettere tra di loro più di mille apparecchi contemporaneamente. “Una volta stabilito il design ideale del sistema VLC”, conclude Schneider, “potremo collegare più di mille apparecchiature nello stesso luogo, garantendo anche un grande risparmio energetico”.
Oltre alla griglia luminosa, non servirà una grande dotazione hardware per far funzionare questa tecnologia: basterà infatti una connessione internet e un trasmettitore. I ricercatori del Fraunhofer Institute si aspettano di poter presentare il prodotto a grandi aziende e PMI per la metà del 2021.
