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wndw/Capitolo7


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Costruire un nodo all'aperto

Ci sono molte considerazioni pratiche quando si installa del materiale elettrico all'aperto. Ovviamente, deve essere protetto dalla pioggia, dal vento, dal sole e da altri elementi ambientali. Deve essere fornita l'alimentazione, e l'antenna deve essere montata ad un altezza sufficiente. Senza la messa a terra adeguata,lampi vicini,alimentazione di rete instabile, e anche un leggero vento nel clima adeguato può danneggiare il tuo collegamento wireless. Questo capitolo ti darà un idea dei problemi pratici a cui andrai in contro installando materiale wireless all'aperto

Contenitori impermeabili

Esiste una grande varietà di contenitori impermeabili adatti. Un contenitore stagno per dispositivi da collocare all'aperto può esser costruito con metallo o plastica.

Ovviamente i dispositivi necessitano di corrente per funzionare, e possibilmente avremo bisogno di connettervi anche un'antenna ed un cavo Ethernet. Ogni volta che foriamo un contenitore impermeabile però, creiamo un punto dove potenzialmente l'acqua potrà entrare.

L'Associazione Nazionale dei Produttori Elettrici (NEMA) fornisce delle linee guida per la protezione di equipaggiamento elettrico da pioggia, ghiaccio, polvere ed altri contaminanti. Un contenitore certificato NEMA 3 o migliore è adatto all'uso in esterno con un clima moderato. Un NEMA 4X o NEMA 6 fornisce una protezione eccellente, anche da getti diretti di acqua e ghiaccio. Per i sistemi di fissaggio che necessitano di forare il contenitore (come /!\ cable glands and bulkhead connectors /!\ ), NEMA fornisce una scala qualitativa di protezione dell'ingresso (IP). Una protezione di livello IP66 o IP67 proteggerà questi fori da getti d'acqua molto forti. Un buon contenitore da esterno dovrebbe fornire anche protezione UV per prevenire la rottura delle guarnizioni a seguito dell'esposizione al sole, ma anche per proteggere i dispositivi contenuti.

Ovviamente trovare in zona dei contenitori certificati NEMA può essere un'impresa. Spesso si può riutilizzare delle parti reperite localmente per utilizzarli come contenitori. Scatole di annaffiatori in plastica o metallo, alloggiamenti per condutture elettriche ma anche contenitori plastici per alimenti possono essere usati in mancanza d'altro. Quando si fora un contenitore, dobbiamo usare guarnizioni di qualità o o-ring assiame a /!\ cable gland /!\ per sigillare l'apertura. Composti siliconici resistenti agli UV o altri sigillanti possono essere usati per installazioni provvisorie ma bisogna ricordarsi che i cavi si flettono al vento, e le giunzioni incollate possono indebolirsi facendo infiltrare l'umidità.

E' possibile allungare di molto la vita di un contenitore plastico dandogli protezione dal sole. Montare il contenitore in ombra, anche vicino ad altri dispositivi esistenti, pannelli solari o sottili fogli di metallo specifici per questo uso, darà lunga vita al contenitore così come all'attrezzatura che contiene.

Prima di mettere qualsiasi componente elettronico in un box sigillato bisogna assicurarsi che si abbiano i requisiti minimi di dissipazione del calore. Se la motherboard che si usa richiede una ventola o grandi alette di raffreddamento, bisogna ricordare che non avrà un flusso d'aria e potrà cuocersi fino alla rottura una volta sul palo. Bisogna utilizzare solo componenti progettati per l'uso in ambienti ad incasso.

Fornire corrente

Ovviamente la corrente continua può esser fornita con un semplice buco nel contenitore ed un filo. Se il contenitore è abbastanza grande (diciamo un contenitore elettrico da esterno), possiamo anche installarvi una presa di corrente alternata. I produttori però stanno supportando sempre più una funzionalità molto pratica che elimina il bisogno di un'altro foro nel contenitore: Power over Ethernet (POE).

Lo standard 802.3af definisce un metodo per fornire corrente ai dispositivi usando la coppia di fili inutilizzata del cavo Ethernet standard. Circa 13 Watt di potenza possono essere forniti in sicurezza su un cavo CAT5 senza interferire con la trasmissione dei dati sullo stesso cavo. I nuovi interruttori compatibili con 802.3af (chiamati iniettori di fine coppia) forniscono direttamente la corrente ai dispositivi connessi. Gli interruttori di fine coppia possono fornire corrente sugli stessi fili utilizzati per i dati (le coppie 1-2 e 3-6) o sui fili inutilizzati (coppie 4-5 e 7-8). Altri dispositivi chiamati iniettori intermedi, sono inseriti tra lo switch Ethernet e i dispositivi da alimentare. Questi iniettori forniscono corrente sui fili non utilizzati.

Se il router wireless o CPE supporta l'802.3af, possiamo semplicemente connetterlo ad un iniettore. Sfortunatamente qualche produttore (in particolare Cisco) non è d'accordo sulla polarità dell'alimentazione e, connettere un dispositivo sbagliato può danneggiare l'iniettore e l'apparecchio da alimentare. Bisogna leggere le istruzioni ed essere sicuri che l'iniettore ed il dispositivo wireless siano concordi su quali pin e polarità usare per l'alimentazione.

Se il dispositivo wireless non supporta il power over Ethernet, si può usare la coppia inutilizzata di un cavo CAT5 per trasportare l'alimentazione. E' anche possibile usare un iniettore POE passivo, o semplicemente autocostruirlo. Questi dispositivi connettono fisicamente la corrente continua ad un capo del cavo terminando all'altro capo con un connettore da inserire nella presa di alimentazione del dispositivo. Una coppia di dispositivi POE passivi si possono acquistare per meno di 20 dollari.

Per autocostruirne uno bisogna conoscere quanta corrente richiede il dispositivo per funzionare e fornire almeno quella corrente e voltaggio, più abbastanza per sopperire alla perdita del cavo Ethernet. Non bisogna fornire troppa corrente dato che la resistenza del cavo sottile può portare a rischi d'incendio. Qui si può trovare un tool che aiuta a calcolare la perdita di tensione per una data lunghezza di cavo CAT5: http://www.gweep.net/~sfoskett/tech/poecalc.html

Una volta che si conosce la giusta corrente e la polarità richiesta per alimentare il dispositivo wireless, crimpiamo un cavo CAT5 usando solo i fili dei dati (coppie 1-2 e 3-6). Poi connettiamo semplicemente il trasformatore alla coppia 4-5 (normalmente blu / bianco-blu) e 7-8 (marrone / bianco-marrone) da un lato e un adeguato spinotto dall'altro. Per una guida completa su come costruire un iniettore POE da zero si può far riferimento a questa terrificante guida di NYCwireless: http://nycwireless.net/poe/

Considerazioni sul montaggio

In molti casi si può posizionare l'attrezzatura al chiuso, vicino ad una finestra dai vetri tradizionali attraverso i quali il segnale possa viaggiare. Il vetro normale introduce una piccola attenuazione ma i vetri /!\ tinted /!\ portano un'attenuazione inaccettabile. Ciò semplificherà notevolmente i problemi di montaggio, alimentazione e impermeabilizzazione ma, ovviamente, è fattibile solo nelle aree popolate.

Quando si montano antenne su torri o pali, è molto importante usare supporti distanziatori e non montare le antenne direttamente sul palo. Questi supporti saranno d'aiuto per diverse funzioni compreso la separazione dell'antenna dal palo e il suo allineamento e protezione.

I supporti distanziatori devono essere abbastanza forti da reggere il peso dell'antenna e tenerla in posizione nei giorni ventosi. Dobbiamo ricordare che le antenne possono comportarsi come piccole vele e possono esercitare molta forza sui propri supporti con vento forte. Quandi si stima la resistenza del vento, dobbiamo considerare la superfice totale dell'antenna e la distanza dal centro dell'antenna al punto di montaggio al palazzo. Grandi antenne come le parabole o i pannelli settoriali ad alto guadagno hanno un carico di vento considerevole. Usare antenne forate o parabole a rete anzichè parabole tradizionali, aiuterà a ridurre il carico di vento senza influire sul guadagno dell'antenna. Bisogna assicurarsi che i supporti di fissaggio e la struttura di supporto siano solidi o la nostra antenna si disallineerà nel tempo (o peggio, cadrà interamente dalla torre!).

I supporti di montaggio devono garantire abbastanza spazio tra il palo e l'antenna per permetterne il puntamento, ma non tanto da rendere l'antenna troppo difficile da raggiungere quando è richiesta una manutenzione..

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Figure 7.1: Un'antenna con supporti distanziatori viene sollevata su una torre.

Il tubo sul supporto distanziatore dove andrà montata l'antenna deve essere tondo. In questo modo l'antenna può essere ruotata sul tubo per il puntamento. In aggiunta, il tubo deve essere verticale. Se verrà montato su una torre a punta, il supporto distanziatore da usarsi dovrà esser stato pensato apposta. Questo si può ottenere usando tubi di lunghezza diversa o usando combinazioni di aste filettate e lastre d'acciaio.

Dato che l'attrezzatura sarà all'aperto per tutta la sua vita di servizio, è importante assicurarsi di usare acciaio a resistenza atmosferica. L'acciaio inossidabile spesso è troppo costoso per installazioni su torri. La zincatura a caldo è preferibile, ma potrebbe non essere disponibile in alcune aree. Dipingere tutto l'acciaio con una buona vernice antiruggine funzionerà ugualmente. Se optiamo per la pittura, sarà importante pianificare ispezioni annuali dei supporti e ridipingere all'occorrenza.

Tralicci ancorati

Un traliccio ancorato scalabile è una scelta eccellente per molte installazioni, ma per strutture molto alte una torre autoportante potrebbe rendersi necessaria.

Quando si installano torri tirantate, una carrucola agganciata alla sommità di un palo faciliterà l'installazione della torre. Il palo sarà assicurato alla sezione inferiore della torre già posizionata, mentre le due sezioni della torre ancora da montare saranno collegate con un giunto articolato. Una fune passata nella carrucola faciliterà il sollevamento della sezione successiva. Una volta che la sezione sarà innalzata l'avviteremo alla sezione sottostante. Il palo ( /!\ called a gin pole in the trade /!\ )potrà esser quindi rimosso per ripetere l'operazione se richiesto. Dovremo tendere i tiranti attentamente, assicurandoci di avere la stessa tensione su tutti i punti di adeguato ancoraggio. Sceglieremo i punti in modo che gli angoli, visti dal centro della torre, risultino distanziati il più uniformemente possibile.

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Figura 7.2: Un traliccio tirantato scalabile.

Torri autoportanti

Le torri autoportanti sono costose ma a volte necessarie, in particolare quando sono richieste grandi altezze. Può trattarsi di un semplice e pesante palo affogato in una base di calcesstruzzo, o di una complicata torre radio.

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Figura 7.3: Una semplice torre autoportante.

Qualche volta si può affittare una torre esistente anche se si dovrebbero evitare le antenne delle stazioni di trasmissioni AM perchè rendono attiva l'intera struttura. Le antenne di stazioni FM sono accettabili, purchè si mantenga qualche metro di spazio tra le antenne. Bisogna prestare attenzione a che le antenne trasmittenti adiacenti non interferiscano con la nostra connessione wireless, trasmissioni FM di grossa potenza possono interferire con i cavi Ethernet. Ogni volta che si usa una torre molto popolata, dovremo essere molto scrupolosi sulla messa a terra e sull'uso di cavi schermati.

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Figura 7.4: Una torre molto più complicata.

Ancoraggio sui tetti

Sui tetti piani è possibile utilizzare supporti non penetranti per antenne. Consistono in treppiedi montati su una base di metallo o legno. La base viene quindi appesantita con mattoni, sacchi di sabbia, bidoni d'acqua o qualunque cosa pesante. Usare una simile slitta da tetto evita il bisogno di forare il tetto con perni e bulloni, evitando infiltrazioni potenziali.

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Figura 7.5: Questa base metallica può essere appensantita con sacchi di sabbia, pietre o bottiglie d'acqua per rendere la piattaforma stabile senza forare il tetto.

Ancoraggi da muro o fascette metalliche possono essere utilizzati su strutture esistenti come comignoli o i lati di un palazzo. Se le antenne devono essere montate a più di circa 4 metri sopra il tetto, una torre scalabile potrebbe essere la miglior soluzione per permettere un accesso più semplice all'attrezzatura e per prevenire lo spostamento dell'antenna con forte vento.

Metalli eterogenei

Per minimizzare la corrosione elettrolitica quando due metalli umidi sono a contatto, il loro potenziale dovrebbe essere il più vicino possibile. Dovremo usare graso dielettrico sulla superficie di contatto tra due metalli di diverso tipo per prevenire ogni effetto elettrolitico.

Il rame non dovrebbe mai toccare materiale zincato direttamente senza un'adeguata protezione. L'acqua rilasciata dal rame contiene ioni che laverebbero via la copertura galvanica (zinco) della torre. L'acciaio inossidabile può essere usato come materiale tampone, ma dobbiamo ricordarci che l'acciaio inossidabile non è un buon conduttore. Se usato come tampone tra il rame e metalli zincati, la superficie di contatto dovrebbe essere larga e l'acciaio inossidabile dovrebbe essere sottile. Dovremmo usare anche composti isolanti per coprire le giunzioni in modo che l'acqua non possa fare da ponte tra i diversi metalli.

Proteggere i connettori a microonde

L'infiltrazione di umidità nei connettori è tipicamente la causa più frequente del guasto dei collegamenti radio. Dovremo assicurarci di stringere a fondo i connettori ma non usare mai chiavi o altri attrezzi per farlo. Ricordiamoci che i metalli si espandono e contraggono al variare della temperatura e connettori troppo stretti possono rompersi con cambi metereologici estremi.

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Figura 7.6: Un anello di sgocciolo allontanerà l'acqua dai connettori.

Una volta stretti, i connettori dovrebbero esser protetti applicando uno strato di nastro isolante, quindi uno strato di nastro sigillante e poi un altro strato di nastro isolante sopra. Il nastro sigillante protegge i connettori dall'infiltrazione dell'acqua, mentre lo strato superiore protegge il sigillante dai raggi ultravioletti (UV). I cavi dovrebbero avere un anello di sgocciolo per evitare che l'acqua entri nel trasmettitore.

Sicurezza

Usiamo sempre imbragature di sicurezza legate alla torre quando lavoriamo a certe altezze. Se non abbiamo mai lavorato su una torre, è meglio lasciare che un professionista lo faccia per noi. In molti paesi è richiesto un addestramento speciale per essere autorizzati a lavorare sulle torri oltre una certa altezza.

Evitiamo di lavorare sulle torri con forti venti o temporali. Scaliamo sempre con l'aiuto di qualcuno e solo quando c'è piena luce. Il lavoro sulle torri tipicamente richiede più tempo di quanto immaginiamo. Ricordiamo che è estremamente richioso lavorare al buio. Riserviamoci il tempo per completare il lavoro abbondantemente prima del tramonto. Se siamo a corto di tempo, ricordiamoci che la torre sarà lì anche la mattina, quando potremo risolvere il problema dopo una buona dormita.

Allineare le antenne su un collegamento a grande distanza

La chiave di successo per allineare le antenne su collegamenti a grande distanza è la comunicazione. Se cambiamo troppe variabili alla volta (ad esempio se un team inizia a spostare un'antenna mentre l'altro tenta di leggere la potenza del segnale), il processo prenderà tutta la giornata e finirà probabilmente con antenne disallineate.

Avremo bisogno di due gruppi di persone. Idealmente, ogni team dovrebbe avere almeno due persone: uno che legga i valori del segnale e comunichi con l'altro team, l'altro che manipoli l'antenna. Teniamo a mente questi punti mentre lavoriamo a collegamenti su lunga distanza.

  1. Testiamo tutta l'attrezzatura prima del tempo. Non vogliamo giocherellare con i settaggi una volta che siamo sul campo. Prima di dividere l'attrezzatura accendiamo tutto, connettiamo tutte le antenne e le pigtail ed assicuriamoci di poter stabilire una connessione tra i dispositivi. Dovremmo essere in grado di tornare a questo stato di funzionamento semplicemente accendendo i dispositivi. senza doversi loggare o cambiare i settaggi. E' anche un buon momento per accordarsi sulla polarità dell'antenna (vedi il capitolo due se non sai cosa sia la polarità).

  2. Portiamoci apparati di comunicazione di riserva. Mentre i telefoni cellulari sono normalmente abbastanza buoni per lavorare in città, la ricezione può essere cattiva o inesistente nelle aree rurali. Portarsi una potente radio FRS o GMRS, o se il team ha licenze da radioamatore, delle /!\ ham rig /!\ . Lavorare a distanza può essere molto frustrante se si è costretti continuamente a chiedere "puoi sentirmi ora?". Scegliamo il canale di comunicazione e testiamo le radio (compreso le batterie) prima di separarci.

  3. Portiamoci una macchina fotografica. Prendiamoci del tempo per documentare la posizione di ogni sito, compreso gli elementi circostanti e gli ostacoli. Ciò può essere molto utile in seguito per stabilire la fattibilità di un'altro collegamento al sito senza dovervisi recare in persona. Se questo è il primo viaggio verso il sito, segnamoci le coordinate GPS e anche l'elevazione.

  4. Iniziamo stimando il giusto orientamento ed elevazione. Per iniziare, ogni team dovrebbe usare la triangolazione (suando le coordinate GPS o una mappa) per avere un'idea grossolana della direzione in cui puntare. Usiamo un compasso per allineare grossomodo l'antenna nella direzione desiderata. Anche i grossi punti di riferimento possono tornare utili per il puntamento. Se possiamo, usiamo un binocolo per vedere l'altro capo. Una volta che abbiamo fatto la nostra ipotesi prendiamo una lettura del livello di segnale. Se abbiamo fatto una buona ipotesi e siamo vicini abbastanza, potremmo avere già segnale.

  5. Se tutto va storto, costruiamoci i nostri punti di riferimento. Alcuni tipi di terreno rendono difficile giudicare la posizione dell'altro capo del collegamento. Se stiamo realizzando un collegamento in un'area con pochi punti di riferimento, un riferimento autocostruito come un aquilone, un pallone, un riflettore, un raggio /!\ flare /!\ , o anche un segnale di fumo può aiutare. Non abbiamo necessariamente bisogno del GPS per avere un'idea di dove puntare l'antenna.

  6. Testiamo il segnale in entrambe le direzioni, ma solo una alla volta. Ona volta che i due capi hanno provato la loro migliore ipotesi, il capo con l'antenna a più basso guadagno dovrebbe fissare la propria antenna in posizione. Usando un buon tool di monitoring (come Kismet, Netstumbler o un buon client wireless built-in), il team con l'antenna a più alto guadagno dovrebbe muoverla lentamentente guardando il misuratore di segnale. Una volta che viene trovata la posizione migliore, proviamo ad alterare l'elevazione dell'antenna. Una volta trovata la migiore posizione, fissiamo bene l'antenna in posizione e avvertiamo l'altro team di inziare a muovere la loro. Ripetiamo questo processo un paio di volte finchè non troviamo la miglior posizione possibile per entrambe le antenne.

  7. Non tocchiamo l'antenna quando prendiamo una lettura. Il nostro corpo influenzerà il percorso della radiazione dell'antenna. Non dobbiamo toccare l'antenna e non dobbiamo stare nel percorso del collegamento quando prendiamo le letture del livello del segnale. Lo stesso vale anche per il team della'altro capo del collegamento.

  8. Non abbiamo timore di andare oltre il miglior segnale ricevuto. Così come visto nel capitolo quattro, i percorsi delle radiazioni /!\ incorporano molti piccoli lobi laterali di sensibilità, oltre i lobi principali più larghi. /!\ Se il segnale che riceviamo è misteriosamente basso, può darsi che abbiamo trovato un lobo laterale. continuiamo a spostarci lentamente oltre questo lobo per vedere se riusciamo a trovare il lobo principale.

  9. L'angolo dell'antenna può sembrare completamente sbagliato. Il lobo principale di un'antenna spesso irradia leggermente verso un lato o l'altro del centro visuale dell'antenna. Non preoccupiamoci di come appaia l'antenna; dobbiamo preoccuparci di trovare la posizione migliore possibile per ricevere il miglior segnale possibile.

  10. Ricontrolliamo la polarizzazione. Può essere frustrante provare ad allineare una parabola per scoprire che l'altro team sta usando la polarizzazione opposta. Ancora una volta: questo dovrebbe essere stabilito prima di laciare la base, ma se un collegamento continua a essere debole, un altro controllo non farà male.

  11. Se nulla funziona, controlliamo tutti i componenti uno alla volta. Sono accesi i dispositivi ad entrambi i capi del collegamento? Sono connessi correttamente tutti i connettori e pigtail, senza parti danneggiate o sospette? Come spiegato nel capitolo otto, una buona tecnica di risoluzione dei problemi ci farà risparmiare tempo e frustrazioni. Lavoriamo lentamente e comunichiamo il bene il nostro stato con l'altro team.

Lavorando metodicamente e comunicando bene, possiamo completare il lavoro di allineare antenne ad alto guadango in poco tempo. Se fatto bene dovrebbe essere divertente!

Surge and lightning protection

Power is the greatest challenge for most installations in the developing world. Where there are electrical networks, they are often poorly controlled, fluctuate dramatically and are susceptible to lightning. Proper surge protection is critical to not only protect your wireless equipment, but all of the equipment connected to it.

Fuses and circuit breakers

Fuses are critical, but very often neglected. In rural areas, and even in many urban areas of developing countries, fuses are difficult to find. Despite the added cost, it is always prudent to use circuit breakers instead. These may need to be imported, but shouldn't be overlooked. Too often, replaceable fuses are removed and pocket change is used instead. In a recent case, all of the electronic equipment at at rural radio station was destroyed when a lightning strike went through the circuit, without circuit breaker or even a fuse to protect it.

How to ground

Proper grounding doesn't have to be a complicated job. When grounding, you are trying to accomplish two things: provide a short-circuit for a lightning strike, and provide a circuit for excess energy to be dissipated.

The first step is to protect equipment from a direct or near direct lightning hit, while the second provides a path to dissipate excess energy that would otherwise cause a build-up of static electricity. Static can cause significant degradation to signal quality, particularly on sensitive receivers (VSATs for example). Providing the short-circuit is simple. The installer simply needs to make the shortest path from the highest conductive surface (a lightning rod) to the ground. When a strike hits the rod, the energy will travel the shortest path and thus by-pass the equipment. This ground should be able to handle high-voltage (i.e. you need thick gauge wire, like 8 gauge braided copper).

To ground the equipment, mount a lightning rod above the equipment on a tower or other structure. Then use a thick gauge conductive wire to connect the rod to something that itself is well grounded. Underground copper pipes can be very well grounded (depending on their depth, the moisture, salinity, amount of metal and organic content of the soil). In many sites in West Africa, pipes aren't yet in the ground, and previous grounding equipment is often inadequate due to ill-conductive soil (typical of seasonally arid, tropical soils). There are three easy ways to measure the efficiency of your ground:

  1. The least accurate is to simply plug a good quality UPS or power strip into the circuit that has a ground detect indicator (a LED light). This LED is lit by energy that is being diffused to the ground circuit. An effective ground will dissipate small amounts of energy to the ground. Some people actually use this to pirate a bit of free light, as this energy does not turn an electrical counter!
  2. Take a light socket and a low-wattage bulb (30 Watts), connect one wire to the ground wire and the second to the positive current. If the ground is working, the bulb should shine slightly.
  3. The more sophisticated way is to simply measure the impedance between the positive circuit and the ground.

If your ground is not efficient you will need to bury a grounding stake deeper (where the soil is more moist, has more organic matter and metals) or you need to make the ground more conductive. A common approach where there is little soil is to dig a hole that is 1 meter in diameter and 2 meters deep. Drop in a highly conductive piece of metal that has some mass to it. This is sometimes called a plomb, which literally means lead but can be any heavy piece of metal weighing 0.5 kg or more, such as an iron anvil or steel wheel. Then fill the hole with charcoal and mix in salt, then top with soil. Soak the area, and the charcoal and salt will diffuse around the hole and make a conductive area surrounding your plomb, improving the efficiency of the ground.

If radio cable is being used, it too can be used to ground the tower, though a more resilient design is to separate the ground for the tower from the cable. To ground the cable, simply peel back a bit of cable at the point closest to the ground before it goes into the building, then attach a ground cable from that point, either by soldering or using a very conductive connector. This then needs to be waterproofed.

Power stabilizers & regulators

There are many brands of power stabilizers, but most are either digital or electromechanical. The latter are much cheaper and more common. Electromechanical stabilizers take power at 220V, 240V, or 110V and use that energy to turn a motor, which always produces the desired voltage (normally 220V). This is normally effective, but these units offer little protection from lightning or other heavy surges. They often burn out after just one strike. Once burnt, they can actually be fused at a certain (usually wrong) output voltage.

Digital regulators regulate the energy using resistors and other solid state components. They are more expensive, but are much less susceptible to being burnt.

Whenever possible, use a digital regulator. They are worth the added cost, and will offer better protection for the rest of your equipment. Be sure to inspect all components of your power system (including the stabilizer) after lightning activity.

Solar and wind power

The applications described in this chapter use DC voltage. DC - Direct Current - has a polarity. Confusing the polarity will very likely immediately and irreversibly damage your equipment! I'll assume that you can handle a digital multimeter (DMM) to check out polarity. The DC voltages that are used in the described applications are not harmful when you touch conductors - but big lead-acid batteries can provide very high currents. A cable that creates a short between the terminals will immediately start to glow and burn its insulation. To prevent fire, there must be a fuse near the positive terminal of the battery at all times. That way the fuse will burn out before the cables do.

Lead acid batteries contain sulfuric acid that can cause severe burns. They release hydrogen when they are charged or have a short between terminals - even when they are the sealed acid type. Proper venting is necessary to prevent explosions, especially if the batteries are of the flooded cell acid type. It's a good idea to protect your eyes with safety glasses when handling these batteries. I once met a battery "expert" that blew off three batteries during his career. Lead is toxic - make sure you dispose of worn out batteries properly. This may be difficult in countries that don't have any recycling infrastructure.

Off-the-grid power

There are many situations where you want to install a wireless node in an area where the grid providing mains power is unstable or just not existing. This could be a remote wireless relay, or a developing country where the grid fails often.

An autonomous power system consists basically of a battery which stores electric energy that is produced by a wind, solar and/or gasoline generator. Furthermore, electronic circuitry that controls the charging/discharging process is necessary.

It is important to choose a device that draws a minimum of energy when designing an system for operation on solar energy or wind power. Every watt that is wasted on the consumer side causes high costs at the side of the power source. More power consumption means that larger solar panels and bulkier batteries will be necessary to provide sufficient energy. Saving power by choosing the right gear saves a lot of money and trouble. For example , a long distance link doesn't necessarily need a strong amplifier that draws a lot of power. A Wi-Fi card with good receiver sensitivity and a fresnel zone that is at least 60% clear will work better than an amplifier, and save power consumption as well. A well known saying of radio amateurs applies here, too: The best amplifier is a good antenna. Further measures to reduce power consumption include throttling the CPU speed, reducing transmit power to the minimum value that is necessary to provide a stable link, increasing the length of beacon intervals, and switching the system off during times it is not needed.

Most autonomous solar systems work at 12 or 24 volts. Preferably, a wireless device that runs on DC voltage should be used, operating at the 12 Volts that most lead acid batteries provide. Transforming the voltage provided by the battery to AC or using a voltage at the input of the access point different from the voltage of the battery will cause unnecessary energy loss. A router or access point that accepts 8-20 Volts DC is perfect.

Most cheap access points have a switched mode voltage regulator inside and will work through such a voltage range without modification or becoming hot (even if the device was shipped with a 5 or 12 Volt power supply).

WARNING: Operating your access point with a power supply other than the one provided by your manufacturer will certainly void any warranty, and may cause damage to your equipment. While the following technique will typically work as described, remember that should you attempt it, you do so at your own risk.

Open your access point and look near the DC input for two relatively big capacitors and an inductor (toroid with copper wire wrapped around it). If they are present, the device has a switched mode input, and the maximum input voltage should be somewhat below the voltage printed on the capacitors. Usually the rating of these capacitors is 16 or 25 volts. Be aware that an unregulated power supply has a ripple and may feed a much higher voltage into your access point than the typical voltage printed on it may suggest. So, connecting an unregulated power supply with 24 Volts to a device with 25 Volt-capacitors is not a good idea. Of course, opening your device will void any existing warranty. Do not try to operate an access point at higher voltage if it doesn't have a switched mode regulator. It will get hot, malfunction, or burn.

The popular Linksys WRT54G runs at any voltage between 5 and 20 volts DC and draws about 6 Watts, but it has an Ethernet switch onboard. Having a switch is of course nice and handy - but it draws extra power. Linksys also offers a Wi-Fi access point called WAP54G that draws only 3 Watts and can run OpenWRT and Freifunk firmware. The 4G Systems Accesscube draws about 6 Watts when equipped with a single WiFi interface. If 802.11b is sufficient, mini-PCI cards with the Orinoco chipset perform very well while drawing a minimum amount of power.

Another important strategy for saving power is keeping DC power cables short and using a good quality, thick cable. This will keep voltage loss at a minimum.

Calculating and measuring power consumption

The design of an autonomous system always begins with the calculation of how much power is consumed. The easiest way to measure your device is a laboratory power supply that features a voltage and ampere meter. The nominal voltage provided by a lead acid battery typically varies between 11 Volts (empty) and about 14.5 Volt (charging, voltage at charging limit). You can tune the voltage at the laboratory power supply and see how much current the device draws at different voltages. If a laboratory power supply is not available, measurement can be performed by using the supply shipped with the device. Interrupt one cable that goes to the DC input of your device and insert an ampere-meter (or ammeter). Note that a ammeter will burn itself or your power supply if applied between the positive and negative terminal because it behaves like a simple cable between the probes - thus creating a short. Many ammeters have an unfused input, so exercise caution as they can be easily damaged.

The amount of power consumed can be calculated with this formula:

P = U * I

P being Power in Watts, U being voltage in Volts, I being current in Ampere. For example:

6 Watts = 12 Volts * 0.5 Ampere

The result is the rating of the device. If the device of the example is operating for an hour it will simply consume 6 Watt-hours (Wh), respectively 0.5 Ampere-hours (Ah). Thus the device will draw 144 Wh or 12 Ah a day.

To simplify things, I will use the nominal voltage rating of batteries for calculations and not take into account that the voltage provided by the battery varies depending on its state of charge. Batteries are rated at their capacity in Ah - so it is easier to calculate using Ah instead of Wh. A battery from a big truck has typically 170 Ah - thus a 100% charged truck battery would power the device for about 340 hours during a 100% discharging cycle.

Discharging characteristics - Rule of thumb

A 12 Volt lead-acid battery that delivers energy to a consumer provides a voltage depending on it's state of charge. When the battery is 100% charged it has a output voltage of 12.8 Volts which is quickly dropping to 12.6 Volts under load. Given that the battery has to provide constant current the output voltage is now linear, dropping from 12.6 Volt to 11.6 Volts over a long period. Beneath 11.6 Volt the output voltage is dropping down quickly over time. Since the battery provides approximately 95% of it's power within this linear voltage drop, the charging state could be estimated by measuring the voltage under load. The assumption is that the battery is 100% full at 12.6 Volts and has 0% charge at 11.6 Volts. So, when measuring a battery that is currently discharged, the status can be estimated with a digital multimeter. For example a reading of 12.5 Volts corresponds 90% charge, 12.3 Volts corresponds 70% charge, etc.

Lead acid batteries degrade quickly when charging cycles go down to 0% charge. A battery from a truck will lose 50% of it's design capacity within 50 - 150 cycles if it is fully charged and discharged during each cycle. At 0% charge the battery still has 11 Volt at the terminals under load. Never discharge a 12 Volt lead acid battery beneath this value. It will forfeit a huge amount of storage capacity. Discharging to 0 Volt will utterly ruin it. To avoid this, a low voltage disconnect circuit (LVD) should be used to build a battery powered system. In cycle use it is not advisable to discharge a simple truck battery beneath 70%. Not going beneath 80% will significantly increase it's durability. Thus a 170 Ah truck battery has only a usable capacity of 34 to 51 Ah!

A battery from a car or truck should stay beyond 12.3 Volts in the system. In rare cases it may be allowed to drop down beneath this value - an unexpected long period of bad weather for example. This is tolerable if the battery is fully charged after such an incident. Charging to 100% charge takes quite a while because the charging process slows down when approaching the charging end even if there is plenty of energy from the power source. A weak power source may seldom achieve a full charge and thus wear out batteries quickly. It is recommended to charge aggressively to keep cost of ownership low. A wind/solar charging regulator or automatic battery charger (with advanced charge characteristic) will help save money. Best is IUIa-characteristic, IU characteristic is second choice.

Starter batteries are the cheapest batteries available, but they may not be the best option. There are special solar batteries on the market which are designed for use in solar systems. They allow deeper recharging cycles (down to 50% charge, depending on type) and have a low self-discharge current. The same applies to most sealed lead acid batteries. Sealed lead acid batteries are more expensive but safer to handle.

Truck or car batteries that carry the label maintenance-free should have neglectable low self-discharge current. However, maintenance-free batteries still need maintenance. The level of the electrolyte fluid must be checked frequently, especially in hot climate. If there is loss of electrolyte, distilled water has to be used to fill up the fluid. Neglecting this will ruin the battery.

Charging your batteries too much will destroy them too! The charging current in a battery buffered system must be regulated. Excessive and unlimited charging will destroy the battery. If the voltage in the battery is too high, the water component of the sulfuric acid will be cracked up by electrolysis, causing an atmosphere which contains a concentrated amount of oxygen. Oxygen is very corrosive and will destroy internal connectors.

Progettare un sistema con batteria tampone

Le cose si semplificano se è disponibile una presa di corrente instabile che faccia il suo lavoro ogni tanto. In questo caso, tutto ciò di cui abbiamo bisogno è un caricatore automatico decente capace di caricare completamente una batteria di dimensioni sufficienti. Un caricatore switching che accetti un grosso range di tensioni in ingresso e con delle caratteristiche di carica sofisticate è preferibile. Proteggerebbe contro gli sbalzi di tensione della rete elettrica. Un semplice caricatore progettato per i 230 Volt AC fornirà poca o nessuna corrente di carica in presenza di 200 Volt o meno in ingresso. Non è importante per quanto tempo lavori, non farà mai raggiungere la carica completa. D'altro canto si brucerà non appena riceverà un voltaggio poco superiore di quello atteso o semplicemente danneggerà le batterie dopo un pò. Uno stabilizzatore di voltaggio AC che impedisca al caricatore di bruciarsi con voltaggi eccessivi può essere davvero una buona idea in molte situazioni.

Un sistema a batteria tampone appare così:

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Supponiamo che il nostro dispositivo assorba 7 Watt a 12 Volt. Abbiamo bisogno di tenerlo in funzione 24 ore al giorno, quindi il dispositivo assorbirà:

168 Wh = 24h * 7 W

A 12 Volt la corrente in ampere sarà:

14 Ah = 168 Wh / 12 Volt

Ora, ammettiamo che, occasionalmente, abbiamo situazioni in cui la corrente di rete manca per una settimana.

98 Ah = 14 Ah/giorno * 7 giorni
1176 Wh = 98 Ah * 12 Volt

Se facciamo scaricare la batteria dal 100% al 30% della carica, quindi consumando il 70% della sua capacità, abbiamo bisogno di una capacità di:

140 Ah = 98 ah / 0.7

Sono disponibili batterie per camion di queste dimensioni.

Normalmente la corrente torna per 5 ore al giorno, quindi il sistema funzionerà per 19 ore a batteria.

133 Wh = 19h * 7 Watt

Caricando e scaricando, la batteria non sarà mai efficiente al 100%. Ci saranno sempre perdite di energia nella batteria, quindi dobbiamo caricarla con più energia di quanta ne prendiamo. L'efficienza di carica/scarica è normalmente circa il 75%.

177.4 Wh = 133 Wh / 0.75

Vogliamo caricarla aggressivamente e raggiungere la piena carica in 5 ore.

Consideriamo l'efficienza di carica:

166 Wh = 148 Wh / 0.75

Convertiamo in Ah:

14.8 Ah = 177.4 Wh / 12 Volt

Consideriamo il tempo di carica:

2.96 A = 14.8 Ah / 5h

Mentre carichiamo, l'access point o router continua ad assorbire corrente. 7 Watt sono equivalenti a 0.6 Ampere a 12 Volt:

3.56 A = 2.96 A + 0.6 A

Dovremmo considerare che il processo di carica rallente in prossimità della fine della carica. Sarebbe meglio avere una corrente iniziale di carica maggiore di quella calcolata per raggiungere una carica del 100%. Un tempo di carica di 5 ore è abbastanza breve. quindi un caricatore IUIa con 8 Ampere o più è un buon investimento.

Anche una batteria da camion economica dovrebbe durare 5 anni, ammettendo di controllare l'elettrolito frequentemente. Non dimentichiamo di usare anche un circuito di disconnessione a bassa tensione. Non è un errore sovradimensionare un sistema simile di qualche grado. Non importa quanto sia ben progettato un sistema, la batteria si esaurirà e dovrà essere sostituita. In generale quindi, è più economico sovradimensionare la sorgente di alimentazione che le batterie.

Progettare un sistema alimentato con energia solare o eolica

La quantità di energia che possiamo ricavare con un sistema alimentato a energia solare o eolica dipende dal luogo in cui ci troviamo e dal periodo nell'anno. Di solito troveremo informazioni sull'energia della radiazione solare o sulla velocità del vento tramite gli enti amministrativi competenti per la metereologia. Essi raccolgono queste nformazioni negli anni e possono dirci cosa aspettarci in ogni periodo dell'anno. Sono disponibili poi programmi per calcoli e simulazioni su sistemi solari, PVSOL è uno di questi, di tipo commerciale (e costoso). E' disponibile una versione demo in diverse lingue.

Calcolare esattamente quanta energia produrrà un sistema solare in un certo luogo è un grosso lavoro. I calcoli coinvolgono diversi fattori come temperatura, ore di sole, intensità della radiazione, riflessione ambientale, allineamento dei pannelli solari e così via. Un programma di simulazione e i dati metereologici sono un buon modo per iniziare ma, ricordiamoci che nel mondo reale, anche della semplice sporcizia sui pannelli solari può rovinare i risultati dei nostri calcoli teorici.

Stimare la quantità di energia prodotta da un generatore eolico è difficile se ci sono ostacoli attorno al generatore. L'approccio empirico sarebbe misurare la velocità attuale del vento sul posto per un anno che non è molto pratico.

Questa vorrebbe essere una guida pratica. Se un sofisticato programma per computere e dei dati metereologici dettagliati non sono disponibili per la nostra regione, è suggeribile costruire un sistema pilota. Se la batteria non viene caricata a sufficienza, bisognerà aumentare il numero o la dimensione dei pannelli solari. Come detto precedentemente, mantenere i consumi al minimo è molto importante per evitare alti costi inattesi.

Se un sistema necessita del 100% di uptime, bisogna iniziare considerando il peggior periodo dell'anno. Dobbiamo decidere se il sistema necessita di un'accumulo di energia sovradimensionato o di una sorgente di corrente sovradimensionata per fornire corrente nei periodi calmi. Potrebbe essere molto più economico se qualcuno caricasse il sistema con un generatore a scoppio in tempi tranquilli.

Unire energia solare e eolica ha senso maggiormente nelle aree con stagioni ventose con poco sole. Ad esempio, in Germania, in inverno il sole fornisce solo il 10% dell'energia fornita in estate. In primavera e autunno non c'è ancora molta energia solare ma c'è molto vento. Sono necessarie grandi batterie dato che è possibile che nè i pannelli solari nè il generatore eolico fornisce abbastanza energia durante l'inverno.

In condizioni simili, un sistema progettato per il 100% di uptime richiede dei margini di sicurezza decenti e molta capacità di stoccaggio dell'energia. La carica dovrebbe essere aggressiva per raggiungere la piena carica il più spesso possibile durante i periodi di tempo buono. I pannelli solari potrebbero richiedere la sostituzione ogni 25 anni mentre una batteria di un sistema che non ha potenza di ricarica sufficiente potrebbe richiedere una sostituzione all'anno!

Circuiti

Un sistema solare autonomo consiste di:

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Figura 7.8: Un sistema alimentato con energia solare o eolica.

Entrambi i sistemi sono connessi alla stessa batteria se energia solare ed eolica sono combinate.

Energia eolica

Un generatore eolico è un'opzione evidente quando si progetta un sistema autonomo per la ripetizione del segnale wireless su una collina o montagna. Utilizzando l'energia eolica è importante che la velocità del vento sia abbastanza alta nei siti circondati da oggetti. La velocità media del vento nell'anno dovrebbe essere di almeno 3 - 4 metri al secondo, e il generatore eolico dovrebbe essere alto 6 metri più degli oggetti presenti nel raggio di 100 metri. Un luogo lontano dalla costa normalmente non ha sufficente vento per supportare un sistema alimentato a energia eolica.

Energia solare

Nella maggior parte dei casi, un sistema che usi solo pannelli solari è la migliore soluzione. Normalmente è molto semplice trovare un posto adatto a pannelli solari ed essi non contengono parti meccaniche in movimento che necessitino di manutenzione.

Per un sistema solare è importante che i pannelli solari siano montati con il miglior angolo e allineamento rispetto al sole. L'angolazione migliore varia durante l'anno e dipende dalla posizione del luogo. E' buona norma considerare anche la polvere, forglie o uccelli che possano sporcare un pannello solare. L'angolo di montaggio ottimale può essere quasi piatto con la conseguenza che lo sporco si fermi sul pannello solare richiedendo una pulizia frequente.

Durante il giorno l'ombra non deve coprire il pannello solare, perchè i pannelli solari sono formati da celle solari connesse a catena. Una catena è forte quanto il suo elemento più debole. Se qualcosa copre completamente una cella di un pannello solare, ad esempio una foglia, l'intero pannello solare non produrrà corrente. Anche l'ombra di un cavo ridurrà significativamente la quantità di energia prodotta dal sistema solare!

Regolatori di carica

I regolatori di carica per generatori eolici sono differenti dai regolatori per pannelli solari. Se il sistema si avvale di energia eolica e solare, richiederà due regolatori. Ogni regolatore deve essere connesso ai terminali della batteria direttamente (tramite un fusibile, ovviamente!).

Influenza della ricerca del punto di potenza massima

I produttori di pannelli solari sono ottimisti quando calcolano la potenza dei loro pannelli. Per questo, la potenza prodotta effettivamente da un pannello è significativamente minore di quella dichiarata nel data sheet. Il livello di potenza è raggiunto solo ad un certo voltaggio, con il pannello ad una temperatura di 20 gradi Celsius e con una radiazione solare di 1000 Watt per metro quadro. Ciò non è realistico perchè un pannello solare diventa davvero caldo a 1000 Watt di radiazione per metro quadro. La maggiore temperatura riduce la potenza effettiva erogata da un pannello. Non si può far granchè al riguardo oltre tenere a mente che un pannello non raggiunge mai il livello di potenza dichiarato.

L'influenza del voltaggio di uscita del pannello è da considerarsi più importante nei sistemi autonomi. Se viene usato un semplice regolatore di carica, il voltaggio del pannello scende al livello del voltaggio della batteria. Un pannello solare potrà avere la migliore efficienza a 18 Volt producendo 1 Ampere a 300 Watt/m a 30 gradi Celsius. Questo punto di massima efficienza è chiamato Punto di potenza massima o MPP.

In questo modo, il nostro pannello produrrà:

18 Watt = 18 Volt * 1 Ampere

Se questo pannello è connesso ad una batteria a 12.3 Volt, la corrente sarà leggermente maggiore che nell'MPP, forse 1.1 Ampere, ma il voltaggio del pannello scenderà al livello della batteria:

13.5 Watt = 12.3 Volt * 1.1 Ampere

Nel nostro esempio l'efficenza sarà solo del 75% con un semplice regolatore di carica. Questo problema può essere risolto utilizzando un regolatore solare con inseguimento del punto di massima potenza. Un regolatore-MPP ben progettato raggiunge un'efficienza del 90%. Un sistema con un regolatore semplice non raggiungerà mai più del 70% del livello di potenza dato dal produttore.

Aumentare la capacità di batterie e pannelli solari

Se vogliamo combinare due (o più) batterie per aumentare la capacità, dobbiamo connetterle in parallelo che significa interconnettere entrambi i terminali positivi con un cavo di grosso diametro. Dobbiamo predisporre un fusibile per ogni cavo vicino ogni terminale positivo. Interconnetteremo poi i terminali negativi senza fusibili. I pannelli solari si possono interconnettere allo stesso modo senza fusibili.

Circuito di disconnessione batterie scariche

Il carico (access point, router wireless o gli altri dispositivi) dovranno esser connessi al regolatore di carica. La maggior parte dei regolatori di carica sono dotati di un circuito che disconnette il carico al di sotto di una certa tensione di batteria (LVD Low Voltage Disconnect). Il circuito di disconessione a bassa tensione non dovrebbe mai aver bisogno di disconnettere se non nel caso di un grave errore di progettazione o di presenza di guasti. Se succede che vi siano due o piò regolatori nel sistema che abbiano un circuito di disconnessione a bassa tensione, allora dovremo collegare gli apparecchi ad un solo regolatore. Altrimenti i regolatori potranno danneggiarsi.

Calcolo

Il calcolo di un sistema solare non è molto differente da un sistema a batteria tampone (come spiegato precedentemente). Ovviamente i lassi di tempo in cui non ci sarà energia disponibile per la ricarica potrebbero essere molto lunghi, e non c'è corrente di carica fissa da utilizzarsi per il calcolo.

Un sistema ben progettato dovrebbe essere in grado di ricaricare completamente una batteria scarica in pochi giorni in buone condizioni metereologiche fornendo al contempo corrente agli apparati.