Uno dei temi meno considerati quando pensiamo ad un nodo SARIMESH/AREDN è quello dell’alimentazione elettrica del nostro nodo …

In effetti molta della nostra attenzione si concentra sulla parte radio e sulla componente antenna… ci preoccupiamo della “fault tolerance” della nostra soluzione di rete, ci preoccupiamo dei servizi e che non abbiano singoli punti di rottura…   e poi tralasciamo di considerare che le nostre apparecchiature, purtroppo, per funzionare hanno bisogno di potenza elettrica...  forse limitata, ma essenziale per far sì che tutti gli attributi di resilienza di cui ci siamo interessati siano resi realmente fruibili !!!

In questo articolo vorrei focalizzare la nostra attenzione proprio sulla cenerentola della nostra soluzione: la componente di alimentazione elettrica.

Il primo elemento da considerare è ovviamente la consistenza di questa componente: tipicamente un nodo SARIMESH/AREDN  potrà contenere una serie di elementi che potremmo così riassumere:

•  una o più radio (tipicamente non più di 3 ): per esemplificare potremmo considerare come fattispecie una radio Ubiquiti Rocket che rappresenta un esempio molto diffuso di dispositivo radio e le cui caratteristiche di alimentazione si ritrovano in numerosi altri dispositivi radio supportati: alimentazione richiesta 24V tramite PoE passivo, potenza massima circa 8 watt
• un dispositivo di tipo LAN switch o access gateway: come fattispecie potremmo assumere un dispositivo Mikrotik hAT o similare: alimentazione richiesta 5V tramite connettore di alimentazione ad hoc, potenza richiesta 4 watt max
• un dispositivo tipo mini-server: come fattispecie potremmo assumere un Raspberry 4: alimentazione a 5V tramite connettore ad hoc, potenza richiesta 10 watt/20 VA di picco

 

Facendo un grossolano budget della potenza richiesta da un nodo come sopra delineato nella sua massima configurazione potremmo sintetizzare le seguenti esigenze di alimentazione (assumendo un 30-40% di sovradimensiomento):

• tensioni da fornire per le antenne: 24 V / 1.4A   
• tensione da fornire per i servizi: 5V / 3 A
• potenza totale  circa 40-50 VA

 

Un argomento essenziale quando si parla di alimentazione di dispositivi radio simili ai nostri, che tipicamente fanno corpo unico con l’antenna e quindi vanno posti per es. sul tetto, è la modalità di adduzione della potenza elettrica  di ingresso al sistema alimentato…  infatti una cosa è alimentare una radio posta su un tavolo in casa, cosa diversa è alimentare un insieme di dispositivi posti per es. in un contenitore stagno sul terrazzo di casa…

Il tema da considerare  comprende gli aspetti normativi connessi con la sicurezza in quanto un dispositivo posto in un luogo accessibile a terzi richiede dal punto di vista legale di sottostare ad una serie di precise norme tecniche in particolare per gli aspetti di isolamento e di messa a terra dell’impianto. Un punto importante che viene in nostro aiuto è la possibilità di limitare la complessità di queste norme a cui sottostare  se si riesce a stare in un ambito di tensioni di alimentazione < 60V CC, ovvero nella cosiddetta  normativa SELV ( applicabile per es. anche ai classici impianti telefonici).

Un ulteriore elemento da considerare è l‘affidabilità della sorgente di alimentazione utilizzata:  per un uso hobbistico ovviamente questo punto è assolutamente irrilevante, ma se si pensa di proporre un impianto del tipo che stiamo considerando per una utilizzazione in situazioni di tipo emergenziale, il punto assume una significativa importanza.  E’ evidente che un sistema da operare in condizioni di emergenza deve assumere che le normali linee di alimentazione di rete ( es. 220V AC) possano venire a mancare per tempi anche molto lunghi, per cui si pone il problema di come garantire la sopravvivenza della alimentazione per le apparecchiature collegate.

Una ulteriore situazione simile a quella ora descritta sorge per quegli impianti che per qualche motivo vanno resi operativi in condizioni di completa assenza di una alimentazione di rete.

E’ chiaro quindi che il tema alimentazione si arricchisce di una serie di varianti anche in relazione a questi aspetti.

Un ultimo, ma non meno importante, tema che si pone a carico del sistema di alimentazione di un nostro impiantino è quello della supervisione e dell’eventuale controllo remoto delle alimentazioni per le componenti collegate allo scopo di far fronte ad eventuali esigenze di gestione quali ad esempio la necessità di spegnere/riaccendere una componenti alimentata o di limitare i consumi spegnendo selettivamente alcune componenti alimentate. Questo tipo di esigenza si pone principalmente per impianti remoti per evitare di dover arrivare on site per rimediare ad eventuali situazioni di “blocco” di apparecchiature ivi installate, applicando il classico metodo del “spegni e riaccendi” !

Come si può osservare un tema apparentemente semplice si presta ad essere coniugato in una serie di situazioni abbastanza variegate. Se poi si considera l’aspetto banalmente logistico che si pone pensando a qualcosa da posizionare su di un tetto o addirittura su di  un palo in una zona remota, si arriva alla conclusione che forse non è fuori luogo pensare a qualcosa che possa consentire di ottimizzare i vari aspetti ed eventualmente consentire di ridurre i costi di realizzazione di quanto desiderato.

Ovviamente prima di re-inventare la ruota conviene guardarsi intorno, e cercare di sfruttare componenti o sottoassiemi già disponibili sul mercato, limitando un eventuale sviluppo ad hoc semplicemente alle componenti strettamente indispensabili; è infatti molto più agevole, anche da un punto di vista della “compliance”  alle normative applicabili caso per caso, sfruttare componenti già esistenti in modo da semplificare o addirittura eliminare delle fasi di test difficilmente realizzabili in ambito radioamatoriale, almeno con la strumentazione normalmente disponibile al radioamatore medio: si pensi semplicemente ad eventuali prove di isolamento o di tenuta alle alte tensioni.. anche se a rigore ciò non esclude che le apparecchiature risultanti, come assieme, non siano da “certificare” nel loro insieme: questo significa che una modalità operativa del genere è utilizzabile in un contesto  strettamente sperimentale e NON COMMERCIALE, ovvero se non è richiesta una specifica certificazione per le apparecchiature:  è questa una situazione che ricorre nella specificità dell’attività di radioamatore .

Sulla base della analisi effettuata, nel seguito andiamo a riportare alcune tipiche situazioni a cui si possa fare riferimento; vengono quindi delineati dei tipi di sistemi di alimentazione in cui si ipotizza di sfruttare componenti agevolmente reperibili per es. su internet ( es. aliexpress)  a cui si va ad aggiungere un semplice “power supply controller” che definiamo come un blocchetto , da assemblare ad hoc , in cui concentrare la specificità delle varie soluzioni di alimentazone descritte.

 

a) PSC_UPS_220_AC

In questa fattispecie si ipotizza di posizionare sul tetto esclusivamente le antenne, adducendo per ogni antenna un cavo di rete FTP (foiled twisted pair)  Cat 5a ( quindi del tipo schermato) alimentando le antenne presenti tramite PoE passivo ( 24V ) .

Nello shack del radioamatore si ipotizza di implementare un sistema di alimentazione con sorgente primaria a 220VAC, sfruttando un modulo di alimentazione standard AC/DC che supporti la funzionalità di UPS e quindi associabile ad una o più batterie del tipo sigillato o equivalente a 12V con capacità nel range 10-100 Ah in base alla autonomia desiderata in assenza di rete.

A valle dell’alimentatore AC/DC-UPS si sfrutta una scheda ( da realizzare) che chiamiamo “Power Supply Controller” sulla quale si vanno ad ospitare degli opportuni DC/DC step-up per generare la tensione a 24V per ogni singola antenna e step-down per generare le tensioni a 5V richieste per alimentare le utenze a 5V quali ad es. un mini-server raspberry e/o un gateway/LAN switch; tale scheda includerà anche un microcontroller tipo per es. ESP32 in grado di implementare le funzioni “intelligenti” richieste al sistema di alimentazione, compresa una interfaccia di rete Ethernet per poter gestire questa funzione da remoto.

La soluzione indicata presenta rispetto ad una tradizionale soluzione implementata tramite gli alimentatori PoE originali per es. forniti da Ubiquiti, una serie di vantaggi in termini di logistica ( es. numero di cavi richiesti, prese di alimentazioni, prese mltiiple,etc. ) nonchè dei vantaggi funzionali relativamente alle funzioni accessorie aggiunte.

L’utilizzo di una soluzione UPS quale quella indicata ovviamente è vantaggiosa rispetto ad una soluzione basata sull’uso di un classico UPS a 220V sia dal punto degli spazi occupati che dei costi , che dei rendimenti energetici.

Una possibile implementazione della scheda “Power Supply Controller” viene riportata nel seguito di questo articolo.

Questa fattispecie è ovviamente utilizzabile per implementare diverse varianti che sfruttano per es. un diverso posizionamento dei vari componenti: ad es. se il radioamatore dispone di un locale privato al livello del tetto il tutto potrebbe essere allocato in un unico contenitore alimentato direttamente dalla rete e posto per es. all’interno di una mansarda o qualcosa di simile.

 

b)  PSC_UPS_PV

Questa fattispecie si differenzia dalla precedente per la sostituzione della sorgente primaria che da rete 220VAC diventa un pannello fotovoltaico di adeguata potenza;  per svolgere tutte le funzioni di accumulo di energia si sfrutta un controller di carica di tipo MPPT associato ad un insieme di batterie ermetiche di adeguata capacità in relazione ai consumi previsti per il nodo e alle caratteristiche di insolazione della zona di installazione dell’impianto.

Il controller di carica garantisce le funzioni di protezione delle batterie in particolare da eccessiva carica o scarica.

Per il resto valgono le stesse considerazioni della fattispecie a).

 

c)  PSC_PoE

Questa fattispecie si differenzia dalle precedenti per essere il classico caso di impianto per un OM che risiede in un condominio, e  nel quale si cerca di minimizzare l’invasività della soluzione e  dei possibili disturbi EMI legati alla installazione delle antenne.

Un tema collaterale, non citato in precedenza e che spesso si pone per le installazioni di apparecchiature con interfaccia ethernet,  è quello delle interferenze su altre bande radioamatori legate in genere a problemi ascrivibili o ai convertitori DC/DC o AC/DC utilizzati o alle emissioni EMI da parte dei cavi di discesa LAN utilizzati.

Questa fattispecie consente di minimizzare le interferenze e l’invasività della installazione concentrando in uno scatolo posto a ridosso delle antenne sul terrazzo il grosso delle possibili sorgenti di disturbo, urilizzando un unico cavio LAN di discesa di tipo schermato (ad es. FTP cat 5e ) e che porta anche l’alimentazione per le apparecchiature poste sul terrazzo utilizzando una coppia iniettore-splitter PoE attivo a standard IEEE 802.3 at/bt.

Lo standard a cui deve sottostare la coppia iniettore/splitter dipenderà dalle apparecchiature installate nel nodo; usando una coppia a standard IEEE802.3bt è possibile alimentare il nodo standard indicato all’inizio di questo articolo ( potenza massima trasportata < 60Watt).

Per il resto valgono le stesse considerazioni delle fattispecie precedenti.

 

Qualche nota comune alle soluzioni presentate…

Come si potrà osservare, tutte le soluzioni presentate consentono di rientrare nei limiti della normativa SELV per le apparecchiature poste sul terrazzo, per cui non viene richiesta la messa a terra per le apparecchiature che costituiscono il nodo SARIMESH/AREDN.

In particolare le apparecchiature indicate e poste sul terrazzo risultano isolate rispetto alla rete di alimentazione primaria a 220VAC grazie ai dispositivi standard utilizzati come front-end verso la rete elettrica a 220V AC; tipicamente sia il convertitore AC/DC della soluzione a) che  l’iniettore PoE della soluzione c) garantiscono un isolamento standard con tensioni fino a 1500 V; analogamente tali dispositivi includono in genere un filtro EMI verso la rete primaria; come unica cautela si suggerisce di montare delle ferriti sui cavi di alimentazione di rete e sui cavi LAN di collegamento con le antenne allo scopo di migliorare la protezione da disturbi EMI legati ai segnali ethernet presenti sui cavi di rete LAN.

Per quanto riguarda i cavi di rete LAN vale la pena di segnalare che, come già evidenziato, sia il caso di utilizzare dei cavi di rete previsti per un uso all’esterno (“outdoor”) in modo da evitare che dopo pochi mesi dall’installazione si sia costretti a sostituire il cavo in quanto la guaina esterna è andata in frantumi a causa delle condizioni ambientali esterne.

Una ulteriore nota riguarda il tipo di cavi da utilizzare; esistono numerosi tipi di cavi LAN per far fronte a tutta una serie di esigenze di cablaggio sia in ambienti consumer ( es. i nostri) che in ambienti “professionali e aziendali” (questa una piccola panoramica).  Quello che nel nostro caso serve osservare è che conviene comunque utilizzare un tipo di cavo con un minimo di schermatura allo scopo di cercare di limitare l’irradiazione da parte dei segnali ethernet che circoleranno sulle coppie attive presenti nel cavo; in genere il tipo FTP (Foiled Twisted Pair) è un buon compromesso in termini di rapporto costi/benefici.

 

La scheda “Power Supply Controller” …

Una nota particolare va fatta riguardo alla scheda “Power Supply Controller” indicata in tutte le fattispecie indicate:  si tratta come accennato di una scheda consistente in un circuito stampato (PCB carrier) destinato ad ospitare un certo numero di moduli standard acquistabili facilmente su internet e destinati ad implementare le funzioni di DC/DC converter per le varie tensioni; preferibilmente si impiegheranno moduli che lavorano a frequenze di switching abbastanza alte ( es. 500 Khz-1,2Mhz) in modo da minimizzare i disturbi irradiati, aumentare l’efficienza della conversione e diminuire i costi dei moduli.

Sulla scheda viene anche implementato un microcontrollore ESP32 allo scopo di realizzare una serie di funzioni di controllo e di utilità ; la seguente è una lista delle funzioni implementabili

• supporto di n. 3 uscite a 24V DC indipendenti
• supporto di una uscita a 5V DC
• protezioni per sovratensioni su tutte le uscite a 24V e 5 V
• protezione dai corto circuiti sulle tensioni di uscita
• misurazione delle correnti erogate sulle varie tensioni
• misurazione delle tensioni erogate sulle singole uscite di alimentazione
• attivazione/disattivazione a comando delle varie uscite di alimentazione
• interfaccia di rete LAN verso il nodo allo scopo di controllare da remoto le funzionalità della parte alimentazione
• possibilità di gestire le fasi di scarica profonda delle batterie se presenti.
• riporto di allarmi in caso di eventi particolari
• raccolta di dati di performance della componente di alimentazione del nodo.
• realtime clock per la tenuta della data e del tempo in caso di caduta della connesisone di rete MESH
• display 1,4″ a colori per indicare i parametri di funzionamento principali

 

La figura seguente riporta un possibile schema elettrico di questa scheda.

Le dimensioni presumibili del circuito stampato sono all’incirca 12×10 cm.

La figura seguente serve a dare una idea della consistenza della scheda.

Per il  SW necessario per la realizzazione delle funzioni indicate si pensa di riutilizzare la stessa piattaforma SW utilizzata per la sperimentazione LoRa che stiamo portando avanti parallelamente alla sperimentazione SARIMESH.

 

una “Prova di Concetto” …

Come prosieguo di questa sperimentazione prevediamo di realizzare quella che in genere viene definita “proof of concept”, ovvero un esemplare realizzativo per verificare la concreta fattibilità e soprattutto la utilità delle soluzioni descritte, individuando eventuali modifiche, da introdurre.

In questa fase andremo anche a valutare gli aspetti di “packaging” della soluzione in modo da pensare ad es. a come “inscatolare” il tutto in modo da avere un qualcosa di agevolmente realizzabile anche da parte di persone non particolarmente a loro agio con la meccanica o il saldatore.