تقدم هذه المقالة نتائج التشغيل التجريبي لنظام قياس الشقق التجارية لموارد الطاقة (المشار إليها فيما يلي باسم ASKUE) في ظروف المدينة الحقيقية القائمة على معدات LoRaWAN المحلية.
منذ عام 2010 ، قامت شركتنا بإنشاء أنظمة محاسبة تجارية وفنية في مجال الإسكان والخدمات المجتمعية. لقد استخدمنا منذ فترة طويلة بنجاح قنوات ومعدات الاتصال "الكلاسيكية" لإنشاء أنظمة محاسبية. كان أحد المشاريع البارزة للشركة هو إنشاء أكبر مشروع في ذلك الوقت في نظام الاتحاد الروسي للمنازل التجارية المشتركة وشقق الإيجار التي تمثل 1200 مبنى سكني في مدينة سارانسك في عام 2014.
في أوائل عام 2017 ، بدأنا بنشاط في البحث عن تقنيات LPWAN و IoT. أحد اتجاهات تطوير إنترنت الأشياء هو أجهزة المودم الراديوي منخفضة الطاقة للغاية ، والتي تسمح لأجهزة إنترنت الأشياء بالعمل بشكل مستقل لعدة سنوات من البطارية وإرسال البيانات عبر مسافات طويلة نسبيًا. التقنيات الرئيسية في هذا المجال هي LoRaWAN و NB-IoT. وإذا كان معيار NB-IoT لا يزال في مرحلة مناطق التغطية التجريبية لمشغلي الهواتف المحمولة ، فإن معدات LoRaWAN يتم إنتاجها ونشرها على نطاق واسع بالفعل في روسيا. قررنا مع LoRaWAN أن نجري عملية تجريبية ، وفي حالة نجاح الاختبارات ، نقدم هذه التقنية.
ما الذي أعجبنا في تقنية LoRaWAN؟
- أولاً ، إن مسافة الإرسال الراديوي المعلنة أطول بعشر مرات من التقنيات اللاسلكية الأخرى المستخدمة في القياس عن بُعد (RF433 ، ZigBee ، Z-Wave) ، والتي تسمح عمليًا بتقليل عدد محطات القاعدة.
- ثانيًا ، تسمح التكنولوجيا بتركيب أجهزة مودم لاسلكية منخفضة الطاقة تعمل بالبطاريات على أجهزة القياس وأجهزة الاستشعار ، في حين أن عمر بطارية الأجهزة سيكون 5-10 سنوات. على سبيل المثال ، كانت عدادات المياه في الشقة دائمًا مشكلة بالنسبة لنا عند الاتصال. وفي حالة LoRaWAN ، يمكنك تنظيم جمع البيانات في حمام الشقة دون إتلاف عملية الإصلاح ، دون تلخيص خطوط الإشارة والإمداد. علاوة على ذلك ، ستستمر البطاريات ، في حالة LoRaWAN ، حتى الاستبدال التالي للمقياس.
- ثالثا ، استخدام محطات القاعدة الخاصة بهم والترددات غير المرخصة. لا توجد رسوم لنقل البيانات ، على عكس استخدام GSM وتجسيد NB-IoT الخاص به.
بيان المشكلة ووصف نظام محاسبة الاختبار
لذا ، أردنا التحقق من تشغيل معدات LoRaWAN. لقد كنا محظوظين ، إلى حد ما ، للقاء زملاء من شركة نوفوسيبيرسك فيغا أبسولوت في مؤتمر إنترنت الأشياء. بعد دراسة بسيطة للحلول المتاحة في بداية عام 2017 ، أدركنا أن المعدات الغربية متاحة ، أو ما تفعله شركة Vega Absolute والعديد من الشركات الناشئة. تم اختيار معدات "Vega-Absolute" وصياغة أهداف العملية التجريبية. قررنا عقده في بينزا.
استخدمنا:
- أجهزة مودم SI-13-485 لتشغيل RS485 في وضع "القناة الشفافة" ؛
- أجهزة المودم مع عدادات نبضة Vega SI-11 ؛
- المحطة الأساسية Vega BS-1 ؛
تم صياغة مهام العملية التجريبية على النحو التالي:
- اختبار تبادل المعلومات مع عداد "تشغيل" لقياس الكهرباء عبر RS-485 عبر مودم الراديو SI-13-485 ، ودراسة ميزات المسح ؛
- بناء نظام قياس مع عدادات الشقة للكهرباء والمياه وإجراء عملية تجريبية طويلة الأمد في بيئة حضرية.
بدت بنية النظام المحاسبي كما يلي:
تبادل المعلومات مع العداد الكهربائي Mercury-206 عبر RS-485 من خلال "قناة اتصال شفافة"
تم استخدام الحامل التالي للاختبار:
- خادم ASKUE الذي يتصل بخادم LoRaWAN IOT Vega ؛
- معدات تشكيل قناة محطة القاعدة (BS) LoRaWAN - SI-13-485 ؛
- عداد كهربائي Mercury-206 PLNO (اتصال عبر RS485).
لتنظيم قناة اتصال شفافة على منصة الاختبار ، تم تثبيت برنامج خاص وتكوينه لتنظيم "قناة شفافة" للاتصال بالجهاز المتصل عبر قناة راديو LoRaWAN. أظهر تحليل حركة المرور أن التبادل مع الجهاز بطيء للغاية ، وكقاعدة عامة ، تأتي استجابة الجهاز بتأخير 11 ثانية. مع هذا التأخير ، تعتمد الفترة الإجمالية لاستقصاء الجهاز كثيرًا على عدد معلمات العداد الذي يتم مسحه ، ويرجع ذلك إلى ميزات بروتوكول تبادل LoRaWAN (عدد معلمات العداد التي يمكن الحصول عليها لكل طلب) والحاجة إلى قراءة البيانات التاريخية من أرشيف العداد.
لذلك ، عند قراءة 15 معلمة تشغيلية من أداة Mercury-206 ، بلغ متوسط فترة تحديث البيانات 70 ثانية ، ومع ذلك ، فإن فترة الاستقصاء النهائية تعتمد بشدة على مجموعة المعلمات (العلامات) المحددة ، وفي أسوأ الحالات ، كانت فترة الاستقصاء لـ 15 علامة 160 ثانية.
عند قراءة البيانات التاريخية ، كان وقت تلقي أرشيف يومي للطاقة النشطة عند نقطة قياس واحدة للتعريفة هو 11 ثانية ، وكانت سرعة الحصول على ملف تعريف الطاقة 48 "نصف ساعة" كل 70 ثانية.
بالإضافة إلى ذلك ، لتحليل استقرار البورصة ، تم تنظيم تشغيل طويل لمدة 3 أيام ، تم خلاله إجراء مسح مستمر لمعلمات العداد المتصل لتحديد المشاكل المحتملة. ونتيجة لذلك ، كانت هناك مشكلات في الاستطلاع وأوصينا بإجراء استطلاع أقل تكرارًا. ونتيجة لذلك ، تم تكوين استقصاء معلمات الجهاز من قبل السائق للاقتراع مرة واحدة كل ساعة وعمل لمدة 5 أيام. خلال فترة هذا الجري ، لوحظت علاقة مستقرة نسبيًا (حوالي 0-3 فواصل في اليوم). في نفس الوقت ، أثناء وقت التشغيل ، تم تسجيل إيصال لمرة واحدة لبيانات غير صحيحة على معلمة واحدة. على الأرجح ، حدث هذا بسبب الخلط بين حزم الاستجابة للجهاز (في بروتوكول التبادل Mercury 206 لا توجد إمكانية للتحقق من صحة حزمة الاستجابة).
يمكن استخلاص النتائج التالية من نتائج الاختبار:- نظرًا للتأخيرات الكبيرة في قناة الاتصال ، لا ينبغي إجراء تبادل المعلومات مع الأجهزة كثيرًا ؛ لإرسال المهام ، لا يتم تطبيق التكنولوجيا التي تم اختبارها للاستقصاء عبر قناة شفافة وبروتوكولات الاتصال القياسية للوحة التحكم.
- عند إعداد قراءة المحفوظات ، لا يوصى باستجواب المحفوظات من الأداة التي تفترض كمية كبيرة من البيانات (ملفات تعريف الطاقة ، وما إلى ذلك).
بالإضافة إلى ذلك ، استنادًا إلى تجربتنا مع بروتوكولات أجهزة القياس الأخرى ، فإن التأخير الملحوظ في قناة LoRaWAN - RS-485 الشفافة يمكن أن يجعل من المستحيل قراءة الأرشيفات من بعض الأنواع الأخرى من الأجهزة (عدادات الحرارة TEM-106 ، TEM-104 ، قراءة ملفات تعريف الطاقة مع عطارد 230 وبعض الآخرين).
أسفرت هذه الاختبارات عن نتائج متوقعة نظريًا وأظهرت بوضوح سبب تحرك أجهزة IOT بعيدًا عن وضع الاستجابة للطلب ، والكلاسيكية لأنظمة AMR ، والانتقال إلى وضع الاستطلاع على جانب العداد الذكي وإرسال البيانات بشكل استباقي من لوحة التحكم إلى الخادم وفقًا لجدول زمني أو حدث.اختبارات نظام لجمع البيانات من أجهزة القياس بإخراج نبضي
أجريت التجربة في منشآت بينزا. أهداف التجربة كانت:
- تحديد منطقة التغطية الحقيقية لمحطة قاعدة واحدة في الظروف الحضرية وفي المناطق المفتوحة (الضواحي) ؛
- التحقق من مستوى الإشارة داخل المباني السكنية في منطقة التغطية (تأثير الجدران والأقسام على مستوى الإشارة) ؛
- اختيار الهوائي وموقع تركيب الهوائي لمحطة القاعدة ، وتحديد تأثير الهوائي على مستوى التغطية والإشارة.
المرحلة الأولى. فحص منطقة التغطية الخارجية بهوائي 4.5 ديسيبل
قام قسم التنفيذ لدينا بتركيب محطة قاعدة Vega BS-1 وهوائي 4.5 dBi ، والذي تم تجميعه في ذلك الوقت مع BS. أجرينا اختبارًا أوليًا لمنطقة التغطية الخارجية. توضح الخريطة أدناه نتائج اختبارنا الأول: يشير اللون الأخضر إلى استقبال ناجح لإشارة BS ، باللون الأحمر - لا.
الاستنتاجات: منطقة التغطية مع الهوائي الكامل بعيدة عن الحد الأقصى ل LoRaWAN ، وفي حالتنا ، كانت 2 كم. أصبح من الواضح أننا بحاجة إلى الاقتراب بعناية من تركيب محطة القاعدة ، والمطالبة بـ 10 كيلومترات بدون هوائي جيد والحد الأدنى من التخطيط الراديوي ، حتى في المناطق المفتوحة ، لا يمكن الحصول عليها.المرحلة الثانية. فحص منطقة التغطية داخل المباني بهوائي 4.5 ديسيبل
في نفس تركيب BS ، قرروا التحقق على الفور من تشغيل عداد النبض Vega SI-11 داخل مبنى سكني على مسافة 422 مترًا من BS. كانت نقاط القياس داخل المبنى السكني ، في الطابق الأول. توقعنا آخر ، لكن الاختبارات أظهرت أنه لا توجد إشارة استقبال!
اتصلت تلك. دعم Vega ، تحديث البرنامج ، ولكن تعذر تأسيس الاتصال. إجراء تحليل للنتائج وإعادة اختبارها في مواقع التركيب المقترحة للأجهزة. أخيرًا ، كان من الممكن الحصول على نقل الحزم من مكان لا يغطيه جدار العاصمة من الاتجاه إلى BS. ونتيجة لذلك ، تمكنا من الحصول على نتيجة إيجابية ونجح نقل الحزم. بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بوضع SI-11 مباشرة في الطابق الأول من نفس المنزل مع تثبيت BS على السطح ، كما كان نقل الحزمة ناجحًا أيضًا (على الرغم من أنه لا يوصى بوضع أجهزة مودم تحت BS).
استنتاجات من نتائج المرحلة الثانية: يمكنك استخدام الحل الحالي عند أخذ البيانات في نفس MCD حيث تم تثبيت BS ، وكذلك في MCD والأشياء الموجودة داخل دائرة نصف قطرها 300-400 متر من موقع تركيب BS ، ولكن في كل حالة ، اختبار أولي للتغطية اللاسلكية . بالإضافة إلى ذلك ، لا يوصى بتركيب أجهزة مودم خلف جدار رئيسي يزيد عن 500 مم في اتجاه محطة BS.كانت النتائج أقل من توقعاتنا بشكل واضح ، وعقدنا مشاورات مع خبراء Vega وتوصلنا إلى استنتاج واضح الآن: نحن بحاجة إلى هوائي BS جيد مع مكاسب عالية ، يجب علينا تركيب BS بشكل صحيح بعيدًا عن BS مشغل الشبكة الخلوية والتداخل الآخر ، ووضعه بشكل صحيح على السطح وتكرار الاختبارات.
اختبار المرحلة الثالثة بهوائي 10 ديسيبل
قاموا بتركيب هوائي 10 ديسيبل جديد من شركة Radial في موسكو بتردد 868 ميجاهرتز ، وموقع التثبيت لمحطة BS على سطح مبنى مكون من 12 طابقًا. لسوء الحظ ، "قامت الحياة بتعديلات" وسمح لنا بتركيب هوائي و BS على سطح المنزل في نهاية تلك. بناء المباني بهذه الطريقة فقط:
من ناحية أخرى ، فإن الاتجاه إلى نقاط القياس في البيوت المختبرة لم يتداخل مع هذه التقنية. عن طريق البناء. بعد ذلك ، قمنا باختبار نطاق الاتصال في مدينة خارج المبنى. تم استخدام أجهزة المودم في وضع المحاكاة لإرسال النبضات ، دون توصيل لوحة التحكم. على مسافة تصل إلى 6 كم من المحطة القاعدة ، مرت الحزم بنجاح ، وبالتالي ، كانت المسافة القصوى التي يمكن الحصول عليها في الهواء الطلق 6 كم:
وبالتالي ، يمكننا أن نتوقع إرسال إشارة من أجهزة المودم الموجودة ، على سبيل المثال ، في القطاع الخاص ، على مسافة تصل إلى 5-6 كيلومترات كحد أقصى من محطة قاعدة بهوائي 10 ديسيبل لكل بوصة موجود على سطح مكون من 10-12 قصة MKD.اختبار طويل الأمد وإحصائيات الحزمة
ثم أجرينا اختبارًا طويل الأمد مع جمع الإحصائيات حول مرور حزم عدادات النبض SI-11 مع PU Mercury. تضمن الاختبار 4 نقاط قياس (679 م ، 422 م ، 243 م ، 126 م من BS) ، كما هو موضح أدناه:
لاحظ أنه عند نقطة على مسافة 422 مترًا خلف الجدار الرئيسي البالغ 600 مم ، حيث لم يكن هناك اتصال مع هوائي 4.5 ديسيبل آبيتر من قبل ، ظهر اتصال مع هوائي 10 ديسيبل جديد ، ولكن مع فقدان الحزمة بنسبة 10٪. وبالتالي ، في نصف قطر يبلغ حوالي 700 م ، يكون مستوى الإشارة مرتفعًا جدًا (RSSI ~ 115) ، مما يسمح لك بتثبيت أجهزة المودم في هذه المنطقة داخل MKD ونقل البيانات بشكل موثوق.
توضح الصورة أدناه موقع التثبيت النموذجي لجهاز قياس على سلم في درع أرضي لأجهزة قياس EE التي يتصل بها المودم:
عرض البيانات من العداد Energomera CE101 في النظام. يتم إرسال البيانات من خلال مودم SI-11-1. يعرض الرسم البياني بيانات عن الطاقة النشطة (D ، H):
لفترة الاختبار الأولية ، التي استمرت 144 ساعة ، مع إرسال الحزم مرة واحدة في الساعة في فبراير 2018 ، تم الحصول على الإحصائيات التالية حول نقل البيانات:
- بلغ عدد الطرود المستلمة بنجاح 132 من 144 ، أي 91.6٪.
- عدد المحاولات غير الناجحة - 12 منها بطريق الخطأ:
- TOO_LARGE_GW_PING_ERR (ping كبير جدًا على BS) - 8 قطع ؛
- LATENCY_ERR (تأخير خادم BS) - 4 قطع.
إذا نظرت إلى الإحصائيات لفترة زمنية أطول من 02/21/2018 إلى 03/18/2018 ، فقد تم فقد 142 حزمة من 624 ~ 23٪ مع إعدادات المودم الافتراضية. في هذا الصدد ، تم زيادة معلمة المودم "عدد مرات إعادة محاولة الحزمة" إلى 5 (أي أن المودم سيرسل الحزمة عدة مرات حتى يتلقى تأكيدًا من المحطة الأساسية). ونتيجة لذلك ، تم القضاء على فقدان الحزم بالكامل تقريبًا. نعتقد أنه يجب تعيين هذه المعلمة من 3 إلى 5 ، اعتمادًا على متطلبات استهلاك البطارية.
اختبار معدل التفريغ لمصدر الطاقة المدمج في عدادات نبض LoRaWAN SI-11
في غضون ثلاثة أشهر ، تم اختبار عناصر إمداد الطاقة المدمجة لأجهزة مودم SI-11:
فترة الاختبار: 03/19/2018 - 06/07/2018 (حوالي 3 أشهر):
- شروط الاختبار: يتم تركيب أجهزة المودم في لوحات على درج MKD ، درجة حرارة موجبة ثابتة (وفقًا لمستشعر درجة الحرارة داخل المودم من +26 إلى +29 درجة مئوية) ؛
- تردد الاقتراع: SI-11 رقم 383336384B368A0F - مرة واحدة في الساعة ، SI-11 رقم 3530373550376114 - مرة واحدة كل 6 ساعات.
جدول مع بيانات حول شحن البطارية المتبقية:
الاستنتاجات: مع الأخذ في الاعتبار النتائج التي تم الحصول عليها ، يمكننا تقدير وقت التشغيل في ظروف مماثلة حتى تفريغ البطارية بنسبة 100 ٪:
- خلال المسح مرة واحدة في الساعة - 45 شهرًا أو 3.7 سنوات
- عند إجراء مقابلة مرة كل 6 ساعات - 135 شهرًا أو 11.2 سنة
استنتاجات عامة من نتائج الاختبار
التكنولوجيا "تعمل". المعدات لصيف 2018 متاحة تجارياً بالفعل في نطاق الإنتاج المحلي. يجب تطبيق التكنولوجيا مع مراعاة ميزاتها:
- تعمل معدات LoRaWAN بشكل موثوق داخل دائرة نصف قطرها كيلومتر واحد من BS داخل المباني وما يصل إلى 5-6 كم في الهواء الطلق إذا تم "إعدادها بشكل صحيح" ؛
- يعمل بشكل رائع مع الأجهزة المصممة خصيصًا لـ LoRaWAN ، ويعمل بشكل سيئ (ببطء) في وضع القناة الشفافة RS-485 بسبب تأخيرات القناة الكبيرة ؛
- ومع ذلك ، فهي تتطلب تركيبًا مناسبًا لمحطة BS ، مثل أي معدات اتصالات لاسلكية. وضع BS الصحيح وهوائي جيد هما مفتاح النجاح ؛
- يمكن تحقيق عمر البطارية المطالب به من 6 إلى 10 سنوات تمامًا من خلال الإعداد الصحيح لتكرار جمع البيانات.
- التكنولوجيا مثالية للتركيب داخل الشقق لحساب الماء الساخن وإمدادات المياه الساخنة ، وكذلك كفاءة الطاقة ، ولكن هناك بديل في شكل PLC