Пн-Пт: с 9.00 до 18.00
 
Заказать звонок
 
Технология LoRaWAN над Санкт-Петербургом для системы мониторинга потерь

Технология LoRaWAN над Санкт-Петербургом для системы мониторинга потерь

Технология LoRaWAN над Санкт-Петербургом для системы мониторинга потерь

Выбор объекта

Для реализации IoT-проекта по построению сети LoRaWAN в городских условиях специалистами AURORA Mobile Technologies был выбран непростой, но характе́рный для нынешнего времени объект: типичный «муравейник» комфорт-класса на окраине Петербурга рядом с метро (рис. 1).

Район новый, вышек сотовых операторов не хватает. Сейчас внутри домов далеко не везде есть покрытие сотовых сетей. Сам по себе объект достаточно сложный. Это очень плотная и высотная городская застройка: площадь 25 га, 18 жилых домов высотностью от 16 до 20 этажей, 6 тыс. квартир, плотность — 40 тыс. жителей на кв. км.

Карта выбранного объекта

В домах уже есть счётчики тепла, воды, электричества, оборудованные M-Bus-выходом, но установлены они в железобетонных коробах с железными дверями, что вызывает проблемы с качеством связи.

В качестве «пилота» было решено начать с учёта тепла на 1100 квартир. Почему именно с этого? Тепло — достаточно дорого́й ресурс. Если в конце месяца не сходится баланс расходов (между домовым и индивидуальным счётчиками), управляющая компания вкладывает свои или кредитные средства, соответственно, теряет оборотные средства или вынуждена обслуживать креди́т.

Эту проблему решает качественный и рабочий тепловой учёт. Но без удалённого сбора данных качественного учёта не получается. Во-первых, люди врут. Несознательно, конечно. Записывают данные в разные даты, ошибаются в записях, уезжают в отпуск и пишут сразу наперёд числа «из головы», забывают сдать данные в этом месяце. Даже самая ответственная бабушка с листочком бумажки не решит эту проблему, она болеет, плохо видит цифры, иногда ошибается. Во-вторых, в любом доме могут быть протечки и нарушения режимов подачи тепла. Об этих проблемах управляющая компания хочет знать сразу, в течение суток. Опять же, возникают претензии к качеству предоставляемых услуг от жильцов.

В Санкт-Петербурге есть такой портал — «Наш Санкт-Петербург» (gorod.gov.spb.ru), куда жильцы пишут о любых замеченных проблемах. И решения проблем от управляющей компании требуют уже «сверху». Это портит имидж компании, заставляет раздувать претензионный и юридический отделы для разбора этих претензий, кроме того, за проблемы с этого портала, которые не были решены в нормативный срок, могут вполне последовать штрафы и прочие санкции (например, за отсутствие тепла в отопительный период). Поэтому жизненно важно узнавать о проблемах как можно раньше и приступать к решению проблем до того, как о них сообщат жильцы.

Отсюда вытекают основные задачи:

  • полностью избежать человеческого фактора;
  • видеть актуальную информацию сразу;
  • экономить на этом деньги;
  • беречь репутацию.

Вот эти задачи и решает удалённый сбор данных.

Идеи по реализации

Вариант 1

Использовать выход M-Bus на тепловых счётчиках. Но сразу же возникает вопрос к стоимости реализации. Требуется изменённый проект на «слаботочку», кабель, его монтаж, ремонт отделки в сданных квартирах стоят денег. При этом на объекте кабельная трасса идёт в другом коллекторном шкафу. Да и в целом оборудование для M-Bus заметно дороже.

Вариант 2

Применить нестандартные решения на базе радиоканала. Но они привязаны к оборудованию одного производителя. Добавить, убавить, поменять оборудование — только у одного производителя. Это неудобно для заказчика, заказчик всегда хочет иметь вариант на «чёрный день».

Вариант 3

Использовать стандартные технологии — LTE, 3G, GPRS и т. д. Но к ним есть три вопроса: стоимость контракта на каждую точку учёта, энергопотребление и покрытие сети. Причём покрытие сети — в первую очередь. Это новые дома и железные коллекторные шкафы, на данный момент покрытия нет или оно очень слабое. А что касается NB-IoT, то нет не только покрытия, но и коммерческой реализации сетей за пределами Иннополиса и лабораторий операторов.

Вариант 4

Остановиться на LPWAN-технологиях. А конкретно — на LoRaWAN. И вот почему:

  • высокая энергоэффективность, годы работы от батарей.
  • открытые и всем известные решения, присутствие множества производителей оборудования на рынке.
  • низкая стоимость реализации, эксплуатации. По сравнению с проводными решениями, LoRaWAN вместе с оборудованием в два — пять раз дешевле в реализации; нет ежемесячных платежей для держателя сети; огромное количество устройств в сети, соответственно, нужно меньшее количество оборудования (базовых станций, БС).
  • приём есть там, где нужно, так как сеть организуется под задачу, в необходимом месте и с необходимыми параметрами; нет зависимости от третьих лиц.
  • все данные находятся в руках одной компании, без пересылки через операторов и облачные сервисы.
  • большие расстояния связи, в городской застройке — до 5 км, в полях — до 20 км.

Сравнение рассмотренных подходов к решению поставленной задачи приведено в таблице.

LoRaWAN
Nb-IoT Проводные решения Кастомизированные решения на радиоканале LTE, GPRS, 3G
Нет привязки к существующему покрытию Нет коммерческих сетей в нужном районе Монтаж от 2 до 5 раз дороже Решения закрыты и завязаны только на оборудование и ПО одного производителя Низкая энергоэффективность
Полностью открытые решения Привязка к операторским услугам Оборудование СИЛЬНО дороже
Высокая стоимость контракта с оператором
Низкая стоимость



Реализация проекта

В общем случае схема построения сетей LoRaWAN представлена на рис.

Схема подключения по проекту

На объекте установлены конечные устройства с LoRaWAN. Они раз в заданный промежуток времени передают данные на БС. БС передаёт данные на Network-сервер и от него же получает управляющие команды. В нашем случае в качестве Network-сервера было использовано открытое решение loraserver.io. Network-сервер передаёт данные дальше, на Application-сервер, где уже развёрнуты база данных, веб-сервер, форма для просмотра данных. Используются два ключа AES по 128 бит (до Network-сервера и до Application-сервера). Мы выбрали способ ввода устройств ABP, преднастройку, это было необходимо в целях информационной безопасности. Конечно, в этом случае приходится заранее проделать больше работы, по сравнению с ОТАА. Но все ключи прописаны заранее и по воздуху не передаются.

Базовая станция

Для реализации проекта была выбрана БС RisingHF RHF2S008. Следует подчеркнуть особенности этой БС, определившие наш выбор:

  • сертификация от LoRa Alliance;
  • надёжное уличное исполнение;
  • диапазон рабочих температур –55…+85 °C;
  • железный корпус, который не боится ультрафиолета;
  • PoE-питание, что избавляет от необходимости вести на кровлю электропитание (адаптер PoE устанавливается в шкафу оператора широкополосного доступа в техническом помещении, и БС соединена со шкафом одним-единственным Ethernet-кабелем Cat.6, упакованным в гофрированный шланг, без контакта с наружной средой).

Корпус базовой станции

Установка станции

Монтаж БС осуществляли своими силами рядом с антенной на крыше. Антенна была поднята на 4 метра над уровнем кровли на антенной мачте, а снизу мачты мы установили БС.

Конечные устройства

Вега M-Bus-1

Специально для проекта совместно с компанией «Вега-Абсолют» был разработан конвертер из M-Bus в LoRaWAN — Вега M-Bus-1. Он поддерживает подключение до 10 счётчиков тепла к одному преобразователю. Батарейное питание рассчитано на весь срок поверки тепловых счётчиков с больши́м запасом, степень защиты — IP68.

Учитывая сложности объекта, особым преимуществом прибора стала выносная антенна, обеспечивающая лучший приём. Конвертер снимает данные по температуре входа и выхода, по мгновенному и накопленному расходу теплоносителя, по накопленному расходу тепла и серийный номер теплосчетчика.

Устройство монтировали на обычную DIN-рейку. Все счётчики соединяли с преобразователем по топологии «звезда». Монтаж очень прост в реализации и может быть осуществлён даже низкоквалифицированным персоналом. Кроме того, в домовых системах на объекте и для учёта остальных ресурсов (воды, электричества) использовались и другие конечные устройства компании «Вега-Абсолют».

Вега СИ-11

Прибор Вега СИ-11 имеет четыре входа для счёта импульсов, два из которых могут быть перенастроены в дискретные (охранные). Например, считаем импульсы от двух счётчиков, подключаем дополнительно датчик затопления любого производителя и датчик задымления.

Вега СИ-12

У Вега СИ-12 есть по два счётных входа и выхода. С использованием электрических приводов можно, например, перекрыть воду удалённо в случае форс-мажора.

Вега СИ-21

Вега СИ-21 — это Вега СИ-11 в другом исполнении. Он имеет усиленный корпус и выносную антенну, уже использовался нами в этом объекте на домовых устройствах.

Усиление конструкции прибора было сделано, поскольку в подвалах слабый приём, более тяжёлые условия окружающей среды, есть риски затопления устройства.

Вега СИ-13–232/485

Интерфейсы 485 и 232 — одни из самых популярных в промышленных решениях, с огромным стеком промышленных и бытовых протоколов. С этими устройствами мы не завязаны на конкретные протоколы связи, они работают в режиме «прозрачного канала» с интерфейсами RS-232 и RS-485. И также имеют дискретные входы для дополнительного оборудования, те же датчики затопления и задымления.

Дополнительно Вега СИ-13 умеют самостоятельно опрашивать наиболее популярные на рынке электросчётчики компании «Меркурий» с выходом RS-485 и CAN.

Оценка покрытия

Замеры производились тестером сети Вега ТС-11. Принцип замера — выбор ключевых точек на карте, образующих равномерную круговую диаграмму и замер уровня сигнала в этой точке. При нажатии на кнопку тестер сети отправляет запрос в сеть LoRaWAN и получает в ответ уровень сигнала и количество БС, от которых пришёл ответ.

Как показали замеры, результаты по дальности связи перекрыли наши потребности во много раз (на рис. требуемый квартал обведён красной линией).

Квартал покрытия

Организованная сеть обеспечивает связь в подвалах на расстоянии 2 км и до 5 км на открытой местности. Эти параметры были достигнуты при использовании антенны на 10 дБи, поднятой на 4 м над кровлей самого высокого здания в районе (60 м). Уровень сигнала в железобетонных коллекторах всего квартала на уровне SNR +2...+8 и RSSI меньше 110.

Используемое ПО

Программное обеспечение (ПО) заказчик использовал своё, изменив его под формат пакетов LoRaWAN. Оно уже обладает необходимым функционалом, умеет строить отчёты, проводить простую аналитику (протечка, низкая температура на входе и т. д.).

Перспективы

Несмотря на то что этот проект уже самый большой в России для технологии LoRaWAN, на этом он не закончен. Следующим этапом на этом объекте станет развитие учёта тепла на все 6 тыс. квартир, появится учёт воды, электричества, поквартирный и общедомовой. Будет создано своё учётное ПО для ко́мплексного закрытия требований заказчика.

В более отдалённой перспективе управляющей компании будут предложены дополнительные сервисы: датчик вибрации на окна, датчик открытия дверей на помещения УК, мониторинг параметров тепловой сети, электросети.

Управляющая компания сможет предлагать дополнительный сервис для жильцов: датчик контроля качества воздуха, удалённый доступ к данным от метеостанции на крыше, контроль доступа в квартиры и помещения, электронная система с датчиками парковки на гостевом паркинге, удалённый доступ к личному кабинету потребителя и т. д.