Este artículo presenta los resultados de la operación piloto de un sistema de medición de recursos energéticos en apartamentos comerciales (en adelante, ASKUE) en condiciones reales de la ciudad basadas en equipos domésticos LoRaWAN.
Desde 2010, nuestra empresa ha estado creando sistemas de contabilidad comercial y técnica en los servicios de vivienda y comunales. Hemos utilizado durante mucho tiempo y con éxito los canales y equipos de comunicación "clásicos" para crear sistemas de contabilidad. Uno de los proyectos emblemáticos de la compañía fue la creación del sistema de alquiler de casas comunes y apartamentos comerciales más grande en ese momento de la Federación de Rusia que representaba 1200 edificios de apartamentos en la ciudad de Saransk en 2014.
A principios de 2017, comenzamos activamente a investigar las tecnologías LPWAN e IoT. Una de las direcciones del desarrollo de IoT son los módems de radio de ultra baja potencia, que permiten que los dispositivos de IoT trabajen de forma autónoma durante varios años desde la batería y transmitan datos a distancias relativamente largas. Las principales tecnologías en esta área son LoRaWAN y NB-IoT. Y si el estándar NB-IoT aún se encuentra en la etapa de áreas de cobertura piloto para operadores móviles, entonces el equipo LoRaWAN ya se produce en masa y se implementa en Rusia. Fue con LoRaWAN que decidimos realizar una operación de prueba y, en caso de pruebas exitosas, introducir esta tecnología.
¿Qué nos gustó de la tecnología LoRaWAN?
- En primer lugar, la distancia de transmisión de radio declarada es 10 veces más larga que otras tecnologías inalámbricas utilizadas para telemetría (RF433, ZigBee, Z-Wave), lo que en la práctica permite reducir el número de estaciones base.
- En segundo lugar, la tecnología permite la instalación de módems de radio de baja potencia alimentados por baterías en dispositivos de medición y sensores, mientras que la duración de la batería de los dispositivos será de 5 a 10 años. Por ejemplo, los medidores de agua de apartamentos siempre han sido un problema para nosotros al conectarnos. Y en el caso de LoRaWAN, puede organizar la recopilación de datos en el baño del apartamento sin arruinar la reparación, sin sumar la señal y las líneas de suministro. Además, las baterías, en el caso de LoRaWAN, durarán hasta el próximo reemplazo del medidor.
- En tercer lugar, el uso de sus propias estaciones base y frecuencias sin licencia. No hay ningún cargo por la transferencia de datos, a diferencia del uso de GSM y su encarnación NB-IoT.
Declaración del problema y descripción del sistema de contabilidad de prueba.
Por lo tanto, queríamos verificar el funcionamiento del equipo LoRaWAN. Nosotros, en cierto sentido, tuvimos la suerte de conocer de inmediato a colegas de la compañía Novosibirsk Vega Absolute en la conferencia IoT. Después de un pequeño estudio de las soluciones disponibles a principios de 2017, nos dimos cuenta de que el equipo occidental está disponible o de lo que hace Vega Absolute y de varias nuevas empresas. Se seleccionó el equipo "Vega-Absolute" y se formularon los objetivos de la operación piloto. Decidimos mantenerlo en Penza.
Utilizamos:
- Módems SI-13-485 para operación RS485 en el modo de "canal transparente";
- Módems con contadores de pulso Vega SI-11;
- Estación base Vega BS-1;
Las tareas de la operación de prueba se formularon de la siguiente manera:
- Pruebe el intercambio de información con un medidor "en funcionamiento" para la medición de electricidad a través de RS-485 a través del módem de radio SI-13-485, estudie las características de la encuesta;
- Construya un sistema de medición con medidores de apartamentos para electricidad y agua y realice operaciones de prueba a largo plazo en un entorno urbano.
La arquitectura del sistema contable se veía así:
Intercambio de información con el medidor eléctrico Mercury-206 a través de RS-485 a través del "canal de comunicación transparente"
Se utilizó el siguiente soporte para las pruebas:
- ASKUE servidor que se conecta al servidor LoRaWAN IOT Vega;
- Equipo de formación de canales de la estación base (BS) LoRaWAN - módem SI-13-485;
- Medidor eléctrico Mercury-206 PLNO (conexión a través de RS485).
Para organizar un canal de comunicación transparente en el banco de pruebas, se instaló y configuró un software especial que organiza un "canal transparente" de comunicación con el dispositivo conectado a través del canal de radio LoRaWAN. El análisis de tráfico mostró que el intercambio con el dispositivo es muy lento, como regla general, la respuesta del dispositivo viene con un retraso de 11 segundos. Con tal demora, el período total del sondeo del dispositivo depende en gran medida del número de parámetros del medidor que se está estudiando, esto se debe a las características del protocolo de intercambio LoRaWAN (cuántos parámetros del medidor se pueden obtener por solicitud) y la necesidad de leer datos históricos del archivo del medidor.
Por lo tanto, cuando se leen 15 parámetros operativos del instrumento Mercury-206, el período total de actualización de datos promedió 70 segundos, sin embargo, el período final de votación depende en gran medida del conjunto seleccionado de parámetros (etiquetas) y, en el peor de los casos, el período de votación para 15 etiquetas fue de 160 segundos.
Al leer datos históricos, el tiempo para recibir un archivo diario de energía activa en un punto de medición para la tarifa fue de 11 segundos, la velocidad para obtener el perfil de potencia fue de 48 "medias horas" cada 70 segundos.
Además, para analizar la estabilidad del intercambio, se organizó un largo recorrido de 3 días, durante el cual se realizó una encuesta continua de los parámetros del contador conectado para identificar posibles problemas. Como resultado, hubo problemas con la encuesta y se nos recomendó realizar una encuesta con mucha menos frecuencia. Como resultado, el sondeo de los parámetros del dispositivo por parte del controlador se configuró para sondear una vez cada 1 hora y funcionó durante 5 días. Durante el período de tal carrera, se observó una relación relativamente estable (aproximadamente 0–3 descansos por día). Al mismo tiempo, durante el tiempo de ejecución, se registró una recepción única de datos incorrectos en un parámetro. Lo más probable es que esto haya sucedido debido a la confusión de los paquetes de respuesta del dispositivo (en el protocolo de intercambio Mercury 206 no hay posibilidad de validar el paquete de respuesta).
Las siguientes conclusiones se pueden extraer de los resultados de la prueba:- Dadas las grandes demoras en el canal de comunicación, el intercambio de información con los dispositivos no debe llevarse a cabo con frecuencia; para el envío de tareas, la tecnología probada para sondeo a través de un canal transparente y con protocolos de comunicación estándar del panel de control no es aplicable.
- Al configurar la lectura de archivos, no se recomienda interrogar los archivos del instrumento que asumen una gran cantidad de datos (perfiles de potencia, etc.).
Además, según nuestra experiencia con los protocolos de otros dispositivos de medición, los retrasos observados en el canal transparente LoRaWAN - RS-485 pueden hacer que sea imposible leer archivos de otros tipos de dispositivos (medidores de calor TEM-106, TEM-104, lectura de perfiles de potencia con Mercury 230 y algunos otros).
Estas pruebas arrojaron resultados teóricamente esperados y demostraron claramente por qué los dispositivos IOT se están alejando del modo de solicitud-respuesta, clásico para los sistemas AMR, y se están moviendo al modo de sondeo en el lado del medidor inteligente y enviando datos proactivamente desde el panel de control al servidor en un horario o evento.Pruebas de un sistema para recopilar datos de dispositivos de medición con salida de pulso
El experimento se realizó en las instalaciones de Penza. Los objetivos del experimento fueron:
- Determinación del área de cobertura real de una estación base en condiciones urbanas y en áreas abiertas (suburbios);
- Verificar el nivel de señal dentro de los edificios de apartamentos en el área de cobertura (el efecto de las paredes y particiones en el nivel de señal);
- Selección de la antena y el sitio de instalación de la antena de la estación base, determinación del efecto de la antena en la cobertura y el nivel de señal.
Primera etapa Comprueba el área de cobertura exterior con antena de 4.5 dBi
Nuestro departamento de implementación instaló la estación base Vega BS-1 y una antena de 4.5 dBi, que, en ese momento, estaba incluida con la BS. Realizamos una prueba preliminar del área de cobertura exterior. El siguiente mapa muestra los resultados de nuestra primera prueba: verde indica la recepción exitosa de una señal BS, rojo - no.
Conclusiones: El área de cobertura con la antena completa está lejos del máximo para LoRaWAN y, en nuestro caso, fue de 2 km. Quedó claro que necesitamos acercarnos cuidadosamente a la instalación de la estación base, los 10 km reclamados sin una buena antena y una planificación mínima de radio, incluso en áreas abiertas, no se pueden obtener.Segunda etapa. Verificó el área de cobertura dentro de los edificios con una antena de 4.5 dBi
En la misma instalación BS, decidieron verificar de inmediato el funcionamiento del contador de pulsos Vega SI-11 dentro de un edificio residencial a una distancia de 422 metros de la BS. Los puntos de medición estaban dentro del edificio de apartamentos, en el 1er piso. Esperábamos otro, ¡pero las pruebas han demostrado que no hay señal de recepción!
Contactado esos. El soporte de Vega actualizó el software, pero no se pudo establecer la conexión. Se realizó un análisis de los resultados y se volvió a probar en las ubicaciones de instalación propuestas de los dispositivos. Finalmente, fue posible obtener la transferencia de paquetes desde un lugar no cubierto por el muro de la capital desde la dirección a la BS. Como resultado, logramos un resultado positivo y la transferencia del paquete fue exitosa. Además, colocamos SI-11 directamente en el primer piso de la misma casa con un BS instalado en el techo, la transmisión de paquetes también fue exitosa (aunque no se recomienda colocar módems debajo del BS).
Conclusiones de los resultados de la segunda etapa: puede usar la solución existente al tomar datos en el mismo MCD donde está instalado el BS, así como en el MCD y los objetos ubicados dentro de un radio de 300-400 m desde el sitio de instalación del BS, pero en cada caso, pruebas preliminares de la cobertura de radio . Además, no se recomienda instalar módems detrás de una pared principal de más de 500 mm en la dirección de la BS.Los resultados fueron claramente inferiores a nuestras expectativas, mantuvimos consultas con los expertos de Vega y llegamos a la conclusión obvia ahora: necesitamos una buena antena BS con una alta ganancia, debemos montar correctamente la BS lejos de la BS de los operadores celulares y otras interferencias, colocarla correctamente en el techo y repetir las pruebas.
Prueba de tercera fase con antena de 10 dBi
Instalaron una nueva antena de 10 dBi de la compañía de Moscú Radial a 868 MHz, el sitio de instalación de la BS está en el techo de un edificio de 12 pisos. Desafortunadamente, "la vida hizo ajustes" y se nos permitió instalar una antena y un BS en el techo de la casa al final de esos. construyendo edificios solo de esta manera:
Por otro lado, la dirección a los puntos de medición en las casas probadas no superpuso esta tecnología. por construccion. Luego, probamos el rango de comunicación en una ciudad fuera de las instalaciones. Los módems se utilizaron en el modo de emulación para enviar pulsos, sin conectar el panel de control. A una distancia de hasta 6 km de la BS, los paquetes pasaron con éxito, por lo tanto, la distancia máxima que se pudo obtener al aire libre fue de 6 km:
Por lo tanto, podemos esperar la transmisión de señal desde módems ubicados, por ejemplo, en el sector privado, a una distancia de hasta un máximo de 5-6 km de una BS con una antena de 10 dBi ubicada en el techo de un MKD de 10-12 pisos.Pruebas a largo plazo y estadísticas de paquetes
Luego realizamos una prueba a largo plazo con la recopilación de estadísticas sobre el paso de paquetes de contadores de pulsos SI-11 con PU Mercury. La prueba incluyó 4 puntos de medición (679 m, 422 m, 243 m, 126 m de la BS), que se muestran a continuación:
Tenga en cuenta que en un punto a una distancia de 422 m detrás de la pared principal de 600 mm, en el que antes no había comunicación con la antena de 4.5 dBi, apareció una conexión con la nueva antena de 10 dBi, pero con una pérdida de paquetes del 10%. Por lo tanto, en un radio de aproximadamente 700 m, el nivel de señal es bastante alto (RSSI ~ 115), lo que le permite instalar módems en esta área dentro del MKD y transmitir datos de manera confiable.
La foto a continuación muestra una ubicación de instalación típica de un dispositivo de medición en una escalera en un protector de piso para dispositivos de medición EE a los que está conectado un módem:
Visualización de datos del medidor Energomera CE101 en el sistema. La transmisión de datos se realiza a través del módem SI-11-1. El gráfico muestra datos sobre energía activa (D, H):
Para el período de prueba inicial, que dura 144 horas, con la transmisión de paquetes una vez por hora en febrero de 2018, se obtuvieron las siguientes estadísticas sobre la transmisión de datos:
- la cantidad de paquetes recibidos con éxito es 132 de 144, que es 91.6%;
- el número de intentos fallidos - 12, de los cuales por error:
- TOO_LARGE_GW_PING_ERR (ping demasiado grande para la BS) - 8 piezas;
- LATENCY_ERR (retraso del servidor BS) - 4 piezas
Si observa las estadísticas durante un período de tiempo más largo desde el 21/02/2018 hasta el 18/03/2018, 142 paquetes de 624 ~ 23% con la configuración predeterminada del módem se perdieron. A este respecto, el parámetro del módem "Número de reintentos de paquetes" se aumentó a 5 (es decir, el módem enviará el paquete tantas veces hasta que reciba la confirmación de la estación base). Como resultado, la pérdida de paquetes se eliminó casi por completo. Creemos que este parámetro debe establecerse de 3 a 5, según los requisitos de consumo de batería.
Prueba de la tasa de descarga de la fuente de alimentación incorporada de los contadores de pulsos LoRaWAN SI-11
En tres meses, se probaron los elementos de fuente de alimentación incorporados de los módems SI-11:
Período de prueba: 19/03/2018 - 07/06/2018 (casi 3 meses):
- Condiciones de prueba: los módems se instalan en tableros en la escalera MKD, temperatura positiva constante (según el sensor de temperatura dentro del módem de +26 a +29 ° C);
- Frecuencia de sondeo: SI-11 No. 383336384B368A0F - 1 vez por hora, SI-11 No. 3530373550376114 - una vez cada 6 horas.
Tabla con datos sobre la carga restante de la batería:
Conclusiones: teniendo en cuenta los resultados obtenidos, podemos estimar el tiempo de funcionamiento en condiciones similares hasta un 100% de descarga de la batería:
- durante la encuesta 1 vez por hora - 45 meses o 3.7 años
- cuando es entrevistado una vez cada 6 horas - 135 meses o 11.2 años
Conclusiones generales de los resultados de la prueba.
La tecnología está "funcionando". El equipo para el verano de 2018 ya está disponible comercialmente en la gama de producción nacional. La tecnología debe aplicarse teniendo en cuenta sus características:
- El equipo LoRaWAN funciona de manera confiable dentro de un radio de 1 km de la BS dentro de los edificios y hasta 5-6 km al aire libre si está “preparado adecuadamente”;
- funciona muy bien con dispositivos especialmente diseñados para LoRaWAN, y funciona mal (lentamente) en el modo de canal transparente RS-485 debido a grandes retrasos en el canal;
- Sin embargo, requiere la instalación competente de un BS, como cualquier equipo de comunicación por radio. La colocación correcta de BS y una buena antena son la clave del éxito;
- Los 6-10 años de duración de la batería son bastante alcanzables con la configuración adecuada para la frecuencia de la recopilación de datos.
- la tecnología es ideal para la instalación dentro de apartamentos para tener en cuenta el agua caliente y el suministro de agua caliente, así como la eficiencia energética, pero existe una alternativa en forma de PLC