Per monitorare un'azienda agricola priva di rete elettrica e di fibra occorre abbandonare la mentalità da prodotto di consumo, quella dei sensori basati su WiFi o rete cellulare. La soluzione sta invece nel costruire una rete geografica privata a bassa potenza (LPWAN) con tecnologia LoRaWAN, alimentata da nodi progettati a partire dal bilancio energetico.

Un sistema di monitoraggio remoto che funziona non comincia dalla scelta dei sensori: comincia dal calcolo di quanti milliwatt di energia si riescono a raccogliere e immagazzinare, e di quanto lontano quell'energia può portare un segnale radio. Abbinando un unico gateway alimentato a energia solare a nodi sensore a consumo ultra ridotto si possono monitorare umidità del suolo, cancelli di sicurezza, livelli dell'acqua e andamento meteorologico su migliaia di ettari senza un solo centimetro di filo di rame e senza allacciamento alla rete.

Il bilancio energetico: perché WiFi e rete cellulare falliscono in campagna

Per capire perché le tecnologie wireless tradizionali falliscono in ambito agricolo bisogna guardare alla fisica della trasmissione a radiofrequenza (RF) e ai consumi dei diversi microcontrollori. Una normale connessione WiFi è pensata per throughput elevati su brevi distanze. Per mantenerla, un chip WiFi deve restare attivo, assorbendo tra i 100 mA e i 240 mA a 3,3 V. Anche se programmato per dormire e svegliarsi solo per trasmettere, il processo di scansione alla ricerca di un access point, associazione, negoziazione di un indirizzo IP via DHCP e invio dei dati richiede dai due ai cinque secondi. Ripeterlo più volte al giorno esaurisce in poche settimane una normale batteria agli ioni di litio 18650 da 2500 mAh.

Le reti cellulari (NB-IoT e LTE-M compresi) offrono una copertura migliore, ma soffrono di penalità energetiche analoghe. Un modem cellulare deve negoziare con una stazione radio base, operazione che può richiedere fino a dieci secondi di trasmissione ad alta potenza (spesso con picchi oltre i 200 mA). In Sudafrica, inoltre, le reti cellulari sono estremamente vulnerabili al load-shedding. Dallo Stage 4 in su le torri cellulari locali perdono spesso alimentazione una volta scaricate le batterie tampone, lasciando i sensori scollegati proprio quando servono di più.

L'alternativa LoRaWAN

LoRa (Long Range) opera su frequenze radio sub-gigahertz (868 MHz in Sudafrica). Usa una modulazione chirp spread spectrum che consente di demodulare i segnali anche quando sono sotto la soglia di rumore. Questo dà a LoRa due enormi vantaggi in agricoltura:

• Portata estrema: un singolo gateway installato in un punto elevato (un silo o una torre piezometrica, per esempio) riceve senza difficoltà i segnali di nodi distanti fino a 15 chilometri in condizioni di visibilità diretta.
• Consumi minimi: poiché i nodi LoRaWAN non devono mantenere una connessione continua con il gateway, possono restare in sonno profondo assorbendo meno di 5 microampere (µA). Al risveglio trasmettono il proprio payload in meno di 100 millisecondi e tornano subito a dormire.

L'aritmetica degli intervalli di campionamento

La durata di un nodo sensore a batteria è direttamente proporzionale alla frequenza con cui trasmette i dati. Nel monitoraggio agricolo il dato in tempo reale serve di rado. L'umidità del suolo non cambia in modo significativo in dieci minuti; un bacino d'acqua non si svuota in cinque. Regolando l'intervallo di campionamento si può allungare l'autonomia di un nodo da qualche mese a diversi anni.

La tabella qui sotto illustra la relazione tra frequenza di campionamento, assorbimento medio e autonomia attesa usando una comune batteria non ricaricabile Li-SOCl2 da 3,6 V (capacità 8500 mAh) in condizioni operative tipiche:

Per i nodi che richiedono campionamenti più frequenti o sensori energivori (come i sensori ottici di ossigeno disciolto o quelli a ultrasuoni per il livello dell'acqua), un piccolo pannello solare da 1 W abbinato a una singola batteria LiFePO4 da 3,2 V basta a tenere il nodo in funzione a tempo indeterminato, a patto che l'elettronica sia progettata per togliere alimentazione al sensore quando non è in uso.

La realtà sudafricana: indipendenza dalla rete e resilienza del gateway

Mentre i nodi sensore vivono di minuscole batterie, il cuore della rete è il gateway LoRaWAN. Il gateway riceve i segnali radio da tutti i nodi e li inoltra a internet. Dovendo restare permanentemente in ascolto, non può dormire. Un tipico gateway da esterno assorbe tra i 3 W e i 5 W in continuo.

In Sudafrica non ci si può affidare alla rete elettrica per alimentare questo gateway, né alle torri cellulari locali per inoltrare i dati durante un load-shedding prolungato. Per costruire un sistema resiliente, il gateway va collocato insieme a un impianto solare e a un collegamento di backhaul robusto. Un pannello solare da 50 W abbinato a una batteria LiFePO4 da 12 V e 18 Ah tiene acceso un gateway da 5 W 24 ore su 24, anche dopo tre giorni consecutivi di cielo molto coperto.

Per il backhaul (l'invio dei dati dal gateway al telefono o al computer), se la fibra non è disponibile l'opzione più affidabile è un collegamento satellitare come Starlink oppure un ponte radio punto-punto ad alto guadagno e forte direttività verso un centro abitato vicino con infrastruttura attiva. Poiché il gateway consolida i dati di centinaia di sensori in un flusso minuscolo, anche una connessione satellitare a banda stretta e alta latenza è più che sufficiente.

Realizzare il proprio sistema

Progettare questi sistemi richiede di abbinare con cura le interfacce dei sensori (SDI-12, RS-485 Modbus o analogica 4-20 mA, per esempio) a microcontrollori a basso consumo. Per le aziende agricole che vogliono adottare una telemetria off-grid affidabile senza la complessità di costruire l'hardware da zero, il nostro team di Sheen Farming Solutions fornisce gateway LoRaWAN e nodi sensore preconfigurati, pronti per l'alimentazione solare e calibrati sulle condizioni sudafricane.

Spostando l'architettura dai protocolli di consumo a banda larga ed elevato assorbimento verso un progetto LPWAN rigoroso e a bassa potenza, si ottiene visibilità completa sui propri asset agricoli remoti senza dipendere da Eskom o dagli operatori di telecomunicazioni commerciali.