Die Erfahrung mit LoRaWAN im ASKUE-System unter realen Stadtbedingungen

In diesem Artikel werden die Ergebnisse des Pilotbetriebs eines Systems zur Messung von Energieressourcen in gewerblichen Wohnungen (im Folgenden: ASKUE) unter realen Stadtbedingungen auf der Grundlage von inländischen LoRaWAN-Geräten vorgestellt.

Seit 2010 entwickelt unser Unternehmen kommerzielle und technische Buchhaltungssysteme für den Wohnungsbau und die kommunalen Dienstleistungen. Wir haben die "klassischen" Kommunikationskanäle und -geräte lange und erfolgreich genutzt, um Buchhaltungssysteme zu erstellen. Eines der wegweisenden Projekte des Unternehmens war die Schaffung des damals größten Systems der gewerblichen gemeinsamen Haus- und Wohnungsmiete in der Russischen Föderation mit 1200 Wohngebäuden in der Stadt Saransk im Jahr 2014.

Anfang 2017 haben wir aktiv begonnen, LPWAN- und IoT-Technologien zu erforschen. Eine der Richtungen der IoT-Entwicklung sind Funkmodems mit extrem geringem Stromverbrauch, mit denen IoT-Geräte mehrere Jahre lang autonom von der Batterie aus arbeiten und Daten über relativ große Entfernungen übertragen können. Die Haupttechnologien in diesem Bereich sind LoRaWAN und NB-IoT. Und wenn sich der NB-IoT-Standard noch in der Phase der Pilotabdeckung für Mobilfunkbetreiber befindet, werden LoRaWAN-Geräte in Russland bereits in Massenproduktion hergestellt und eingesetzt. Mit LoRaWAN haben wir beschlossen, einen Testbetrieb durchzuführen und bei erfolgreichen Tests diese Technologie einzuführen.

Was hat uns an der LoRaWAN-Technologie gefallen?

• Erstens ist die angegebene Funkübertragungsentfernung zehnmal länger als bei anderen für die Telemetrie verwendeten drahtlosen Technologien (RF433, ZigBee, Z-Wave), wodurch in der Praxis die Anzahl der Basisstationen verringert werden kann.
• Zweitens ermöglicht die Technologie die Installation von Funkmodems mit geringem Stromverbrauch, die mit Batterien betrieben werden, an Messgeräten und Sensoren, während die Batterielebensdauer der Geräte 5 bis 10 Jahre beträgt. Zum Beispiel waren Wohnungswasserzähler beim Anschließen immer ein Problem für uns. Und im Fall von LoRaWAN können Sie die Datenerfassung im Badezimmer der Wohnung organisieren, ohne die Reparatur zu ruinieren, ohne die Signal- und Versorgungsleitungen zu summieren. Darüber hinaus halten die Batterien im Fall von LoRaWAN bis zum nächsten Austausch des Messgeräts.
• Drittens die Verwendung eigener Basisstationen und nicht lizenzierter Frequenzen. Im Gegensatz zur Verwendung von GSM und seiner NB-IoT-Inkarnation fallen für die Datenübertragung keine Gebühren an.

Erklärung des Problems und Beschreibung des Testabrechnungssystems

Deshalb wollten wir den Betrieb von LoRaWAN-Geräten überprüfen. In gewisser Weise hatten wir das Glück, auf der IoT-Konferenz sofort Kollegen der Novosibirsker Firma Vega Absolute zu treffen. Nach einer kleinen Untersuchung der Anfang 2017 verfügbaren Lösungen stellten wir fest, dass entweder westliche Geräte verfügbar sind oder was Vega Absolute und mehrere Startups tun. Die Ausrüstung „Vega-Absolute“ wurde ausgewählt und die Ziele des Pilotbetriebs formuliert. Wir beschlossen, es in Penza zu halten.

Wir haben verwendet:

• SI-13-485-Modems für den RS485-Betrieb im Modus „Transparenter Kanal“;
• Modems mit Vega SI-11 Impulszählern;
• Basisstation Vega BS-1;

Die Aufgaben des Versuchsbetriebs wurden wie folgt formuliert:

1. Testen Sie den Informationsaustausch mit einem „laufenden“ Messgerät zur Strommessung über RS-485 über das Funkmodem SI-13-485. Untersuchen Sie die Merkmale der Umfrage.
2. Bauen Sie ein Messsystem mit Wohnungszählern für Strom und Wasser und führen Sie einen Langzeitversuch in einer städtischen Umgebung durch.

Die Architektur des Buchhaltungssystems sah folgendermaßen aus:

Informationsaustausch mit dem Stromzähler Mercury-206 über RS-485 über den "transparenten Kommunikationskanal"

Der folgende Stand wurde zum Testen verwendet:

• ASKUE-Server, der eine Verbindung zum LoRaWAN IOT Vega-Server herstellt;
• Kanalbildende Ausrüstung der Basisstation (BS) LoRaWAN - SI-13-485 Modem;
• Stromzähler Mercury-206 PLNO (Anschluss über RS485).

Um einen transparenten Kommunikationskanal auf dem Prüfstand zu organisieren, wurde eine spezielle Software installiert und konfiguriert, die einen "transparenten Kommunikationskanal" mit dem über den LoRaWAN-Funkkanal verbundenen Gerät organisiert. Die Verkehrsanalyse ergab, dass der Austausch mit dem Gerät sehr langsam ist. Die Reaktion des Geräts erfolgt in der Regel mit einer Verzögerung von 11 Sekunden. Bei einer solchen Verzögerung hängt die Gesamtdauer der Geräteabfrage stark von der Anzahl der Parameter des zu untersuchenden Zählers ab. Dies liegt an den Merkmalen des LoRaWAN-Austauschprotokolls (wie viele Parameter des Zählers können pro Anforderung abgerufen werden) und an der Notwendigkeit, historische Daten aus dem Archiv des Zählers zu lesen.

Beim Lesen von 15 Betriebsparametern vom Mercury-206-Instrument betrug die durchschnittliche Datenaktualisierungsdauer insgesamt 70 Sekunden. Die endgültige Abfragezeit hängt jedoch stark vom ausgewählten Parametersatz (Tags) ab, und im schlimmsten Fall betrug die Abfragezeit für 15 Tags 160 Sekunden.

Beim Lesen historischer Daten betrug die Zeit für den Empfang eines täglichen Archivs aktiver Energie an einem Messpunkt für den Tarif 11 Sekunden, die Geschwindigkeit für das Erhalten des Leistungsprofils betrug 48 "halbe Stunden" alle 70 Sekunden.

Zusätzlich wurde zur Analyse der Stabilität des Austauschs ein 3-tägiger Langzeitlauf organisiert, in dessen Verlauf eine kontinuierliche Überprüfung der Parameter des angeschlossenen Zählers durchgeführt wurde, um mögliche Probleme zu identifizieren. Infolgedessen gab es Probleme mit der Umfrage, und es wurde uns empfohlen, eine Umfrage viel seltener durchzuführen. Infolgedessen wurde die Abfrage der Geräteparameter durch den Treiber so konfiguriert, dass alle 1 Stunde eine Abfrage durchgeführt wurde, und 5 Tage lang ausgeführt. Während des Zeitraums eines solchen Laufs wurde eine relativ stabile Beziehung beobachtet (ungefähr 0–3 Pausen pro Tag). Gleichzeitig wurde während der Laufzeit ein einmaliger Empfang falscher Daten zu einem Parameter aufgezeichnet. Dies geschah höchstwahrscheinlich aufgrund der Verwirrung der Antwortpakete des Geräts (im Austauschprotokoll Mercury 206 gibt es keine Möglichkeit, das Antwortpaket zu validieren).

Die folgenden Schlussfolgerungen können aus den Testergebnissen gezogen werden:

1. Angesichts der großen Verzögerungen im Kommunikationskanal sollte der Informationsaustausch mit Geräten nicht häufig durchgeführt werden. Für Versandaufgaben ist die getestete Technologie für die Abfrage über einen transparenten Kanal und mit Standardkommunikationsprotokollen des Bedienfelds nicht anwendbar.
2. Beim Einrichten des Lesens von Archiven wird nicht empfohlen, Archive vom Instrument abzufragen, die eine große Datenmenge (Leistungsprofile usw.) annehmen.

Aufgrund unserer Erfahrung mit den Protokollen anderer Messgeräte können die beobachteten Verzögerungen im transparenten LoRaWAN-RS-485-Kanal das Lesen von Archiven einiger anderer Gerätetypen (Wärmezähler TEM-106, TEM-104, Lesen von Leistungsprofilen) unmöglich machen mit Merkur 230 und einigen anderen).

Diese Tests ergaben theoretisch erwartete Ergebnisse und zeigten deutlich, warum IOT-Geräte den für AMR-Systeme klassischen Anforderungs-Antwort-Modus verlassen und auf der Seite des Smart Meters in den Abfragemodus wechseln und proaktiv Daten vom Control Panel an den Server nach einem Zeitplan oder Ereignis senden.

Tests eines Systems zum Sammeln von Daten von Messgeräten mit Impulsausgang

Das Experiment wurde in den Einrichtungen von Penza durchgeführt. Die Ziele des Experiments waren:

1. Bestimmung des tatsächlichen Versorgungsgebiets einer Basisstation unter städtischen Bedingungen und in offenen Gebieten (Vororten);
2. Überprüfung des Signalpegels in Mehrfamilienhäusern im Versorgungsbereich (Auswirkung von Wänden und Trennwänden auf den Signalpegel);
3. Auswahl der Antenne und des Antenneninstallationsortes der Basisstation, Bestimmung der Auswirkung der Antenne auf die Abdeckung und den Signalpegel.

Erste Stufe. Überprüfte den Außenbereich mit einer 4,5-dBi-Antenne

Unsere Implementierungsabteilung installierte die Vega BS-1-Basisstation und eine 4,5-dBi-Antenne, die zu diesem Zeitpunkt mit der BS gebündelt war. Wir haben einen Vorversuch des Außenbereichs durchgeführt. Die folgende Karte zeigt die Ergebnisse unseres ersten Tests: Grün zeigt den erfolgreichen Empfang eines BS-Signals an, Rot - Nr.



Schlussfolgerungen: Der Versorgungsbereich mit der kompletten Antenne liegt weit vom Maximum für LoRaWAN entfernt und betrug in unserem Fall 2 km. Es wurde klar, dass wir uns der Installation der Basisstation vorsichtig nähern müssen, die beanspruchten 10 km ohne eine gute Antenne und eine minimale Funkplanung, selbst in offenen Bereichen, können nicht erreicht werden.

Zweite Stufe. Überprüfte den Abdeckungsbereich in Gebäuden mit einer 4,5-dBi-Antenne

Bei derselben BS-Installation beschlossen sie, den Betrieb des Vega SI-11-Impulszählers in einem Wohngebäude in einer Entfernung von 422 Metern von der BS sofort zu überprüfen. Die Messpunkte befanden sich im Wohnhaus im 1. Stock. Wir haben ein anderes erwartet, aber Tests haben gezeigt, dass es kein Empfangssignal gibt!

Kontaktiert diese. Vega-Support, aktualisierte die Software, aber die Verbindung konnte nicht hergestellt werden. Durchführung einer Analyse der Ergebnisse und erneutes Testen an den vorgeschlagenen Installationsorten der Geräte. Schließlich war es möglich, die Übertragung von Paketen von einem Ort, der nicht von der Kapitalmauer bedeckt war, von der Richtung zur BS zu erhalten. Infolgedessen konnten wir ein positives Ergebnis erzielen und die Paketübertragung war erfolgreich. Darüber hinaus haben wir SI-11 direkt im ersten Stock desselben Hauses mit einer auf dem Dach installierten BS platziert. Die Paketübertragung war ebenfalls erfolgreich (obwohl nicht empfohlen wird, Modems unter der BS zu platzieren).



Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen der zweiten Stufe: Sie können die vorhandene Lösung verwenden, wenn Sie Daten in derselben MCD erfassen, in der die BS installiert ist, sowie in der MCD und in Objekten, die sich in einem Radius von 300 bis 400 m vom BS-Installationsort befinden, aber in jedem Fall vorläufige Tests der Funkabdeckung . Darüber hinaus wird nicht empfohlen, Modems hinter einer Hauptwand von mehr als 500 mm in Richtung BS zu installieren.

Die Ergebnisse lagen deutlich unter unseren Erwartungen, wir haben Konsultationen mit Vegas Experten durchgeführt und sind jetzt zu dem offensichtlichen Schluss gekommen: Wir brauchen eine gute BS-Antenne mit hohem Gewinn, wir müssen die BS korrekt von der BS des Mobilfunkbetreibers und anderen Störungen entfernen, sie korrekt auf dem Dach platzieren und die Tests wiederholen.

Dritter Phasentest mit 10 dBi Antenne

Sie installierten eine neue 10-dBi-Antenne der Moskauer Firma Radial mit 868 MHz. Der Installationsort der BS befindet sich auf dem Dach eines 12-stöckigen Gebäudes. Leider wurden „Anpassungen am Leben vorgenommen“ und wir durften am Ende eine Antenne und eine BS auf dem Dach des Hauses installieren. Gebäude nur auf diese Weise bauen:



Andererseits überlappte die Richtung zu den Messpunkten in den getesteten Häusern diese Technologie nicht. durch den Bau. Als nächstes testeten wir den Kommunikationsbereich in einer Stadt außerhalb des Geländes. Modems wurden im Emulationsmodus zum Senden von Impulsen verwendet, ohne das Bedienfeld anzuschließen. In einer Entfernung von bis zu 6 km von der BS wurden die Pakete erfolgreich weitergeleitet, sodass die maximale Entfernung im Freien 6 km betrug:



Daher können wir eine Signalübertragung von Modems erwarten, die sich beispielsweise im privaten Sektor in einer Entfernung von maximal 5 bis 6 km von einer BS mit einer 10-dBi-Antenne befinden, die sich auf dem Dach eines 10-12-stöckigen MKD befindet.

Langzeittests und Paketstatistiken

Dann führten wir einen Langzeittest mit der Sammlung von Statistiken über den Durchgang von Paketen von Impulszählern SI-11 mit PU-Quecksilber durch. Der Test umfasste 4 Messpunkte (679 m, 422 m, 243 m, 126 m von der BS entfernt) (siehe unten):



Beachten Sie, dass an einem Punkt in einer Entfernung von 422 m hinter der Hauptwand von 600 mm, an dem zuvor keine Kommunikation mit der 4,5-dBi-Antenne bestand, eine Verbindung mit der neuen 10-dBi-Antenne hergestellt wurde, jedoch mit einem Paketverlust von 10%. In einem Radius von ca. 700 m ist der Signalpegel daher recht hoch (RSSI ~ 115), sodass Sie Modems in diesem Bereich innerhalb des MKD installieren und zuverlässig Daten übertragen können.

Das Foto unten zeigt einen typischen Installationsort eines Messgeräts auf einer Treppe in einem Bodenschild für EE-Messgeräte, an die ein Modem angeschlossen ist:



Anzeige der Daten vom Messgerät Energomera CE101 im System. Die Datenübertragung erfolgt über das SI-11-1-Modem. Die Grafik zeigt Daten zur aktiven Energie (D, H):



Für den ersten Testzeitraum von 144 Stunden mit der stündlichen Übertragung von Paketen im Februar 2018 wurden die folgenden Statistiken zur Datenübertragung erstellt:

• Die Anzahl der erfolgreich empfangenen Pakete beträgt 132 von 144, was 91,6% entspricht.
• die Anzahl der erfolglosen Versuche - 12, von denen versehentlich:
• TOO_LARGE_GW_PING_ERR (zu großer Ping an die BS) - 8 Stk.;
• LATENCY_ERR (BS Server Delay) - 4 Stk.

Wenn Sie sich die Statistiken für einen längeren Zeitraum vom 21.02.2008 bis zum 18.03.2008 ansehen, gingen 142 von 624 ~ 23% der Pakete mit den Standardmodemeinstellungen verloren. In diesem Zusammenhang wurde der Modemparameter "Anzahl der Paketwiederholungen" auf 5 erhöht (dh das Modem sendet das Paket so oft, bis es eine Bestätigung von der Basisstation erhält). Infolgedessen wurde der Paketverlust fast vollständig beseitigt. Wir glauben, dass dieser Parameter abhängig von den Anforderungen an den Batterieverbrauch von 3 bis 5 eingestellt werden sollte.

Testen der Entladerate der eingebauten Stromversorgung von LoRaWAN SI-11-Impulszählern

Innerhalb von drei Monaten wurden die eingebauten Stromversorgungselemente der SI-11-Modems getestet:

Testzeitraum: 19.03.2008 - 07.06.2008 (fast 3 Monate):

1. Testbedingungen: Modems werden in Platinen auf der MKD-Treppe installiert, konstante positive Temperatur (laut Temperatursensor im Modem von +26 bis +29 ° C);
2. Abrufhäufigkeit: SI-11 Nr. 383336384B368A0F - 1 Mal pro Stunde, SI-11 Nr. 3530373550376114 - einmal alle 6 Stunden.

Tabelle mit Daten zur verbleibenden Batterieladung:



Schlussfolgerungen: Unter Berücksichtigung der erzielten Ergebnisse können wir die Betriebszeit unter ähnlichen Bedingungen bis zu 100% Batterieentladung schätzen:

• während der Umfrage 1 Mal pro Stunde - 45 Monate oder 3,7 Jahre
• bei einmaliger Befragung alle 6 Stunden - 135 Monate oder 11,2 Jahre

Allgemeine Schlussfolgerungen aus den Testergebnissen

Die Technologie "funktioniert". Die Ausrüstung für den Sommer 2018 ist bereits im Bereich der Inlandsproduktion im Handel erhältlich. Die Technologie sollte unter Berücksichtigung ihrer Merkmale angewendet werden:

1. LoRaWAN-Geräte arbeiten zuverlässig in einem Umkreis von 1 km von der BS innerhalb von Gebäuden und bis zu 5-6 km im Freien, wenn sie „richtig vorbereitet“ sind.
2. funktioniert hervorragend mit Geräten, die speziell für LoRaWAN entwickelt wurden, und funktioniert im transparenten Kanalmodus RS-485 aufgrund großer Kanalverzögerungen schlecht (langsam);
3. Es erfordert jedoch die kompetente Installation eines BS wie jedes Funkkommunikationsgerät. Die richtige BS-Platzierung und eine gute Antenne sind der Schlüssel zum Erfolg.
4. Die behauptete Batterielebensdauer von 6 bis 10 Jahren ist mit der richtigen Einstellung für die Häufigkeit der Datenerfassung durchaus erreichbar.
5. Die Technologie ist ideal für die Installation in Wohnungen, um die Warmwasser- und Warmwasserversorgung sowie die Energieeffizienz zu berücksichtigen. Es gibt jedoch eine Alternative in Form einer SPS