Este artigo apresenta os resultados da operação piloto de um sistema de medição de apartamentos comerciais de recursos energéticos (daqui em diante ASKUE) em condições reais da cidade, com base em equipamentos LoRaWAN domésticos.
Desde 2010, nossa empresa cria sistemas de contabilidade comercial e técnica nos serviços habitacionais e comunitários. Por muito tempo, usamos com sucesso os canais e equipamentos de comunicação "clássicos" para criar sistemas de contabilidade. Um dos projetos de referência da empresa foi a criação do maior sistema da época da Federação Russa de aluguel de casas e apartamentos comerciais comuns, responsável por 1200 prédios de apartamentos na cidade de Saransk em 2014.
No início de 2017, começamos a pesquisar ativamente as tecnologias LPWAN e IoT. Uma das direções do desenvolvimento da IoT são os modems de rádio de ultra baixa potência, que permitem que os dispositivos da IoT funcionem autonomamente por vários anos a partir da bateria e transmitam dados por distâncias relativamente longas. As principais tecnologias nessa área são LoRaWAN e NB-IoT. E se o padrão NB-IoT ainda estiver no estágio de áreas de cobertura piloto para operadoras móveis, o equipamento LoRaWAN já será produzido e implantado em massa na Rússia. Foi com a LoRaWAN que decidimos realizar a operação de teste e, no caso de testes bem-sucedidos, introduzir essa tecnologia.
O que gostamos na tecnologia LoRaWAN?
- Em primeiro lugar, a distância de transmissão de rádio declarada é 10 vezes maior que outras tecnologias sem fio usadas para telemetria (RF433, ZigBee, Z-Wave), o que na prática permite reduzir o número de estações base.
- Em segundo lugar, a tecnologia permite a instalação de modems de rádio de baixa potência alimentados por baterias em dispositivos de medição e sensores, enquanto a duração da bateria dos dispositivos será de 5 a 10 anos. Por exemplo, os medidores de água dos apartamentos sempre foram um problema para nós durante a conexão. E no caso do LoRaWAN, você pode organizar a coleta de dados no banheiro do apartamento sem arruinar o reparo, sem somar as linhas de sinal e suprimento. Além disso, as baterias, no caso do LoRaWAN, durarão até a próxima substituição do medidor.
- Em terceiro lugar, o uso de suas próprias estações base e frequências não licenciadas. Não há cobrança pela transferência de dados, ao contrário do uso do GSM e de sua encarnação NB-IoT.
Declaração do problema e descrição do sistema de contabilidade de teste
Então, queríamos verificar a operação do equipamento LoRaWAN. De certa forma, tivemos a sorte de conhecer imediatamente colegas da empresa Vega Absolute, de Novosibirsk, na conferência da Internet das Coisas. Após um pequeno estudo das soluções disponíveis no início de 2017, percebemos que o equipamento Western está disponível ou o que a Vega Absolute faz e várias startups. O equipamento “Vega-Absolute” foi selecionado e os objetivos da operação piloto foram formulados. Decidimos realizar em Penza.
Nós usamos:
- Modems SI-13-485 para operação RS485 no modo "canal transparente";
- Modems com contadores de pulso Vega SI-11;
- Estação base Vega BS-1;
As tarefas da operação de teste foram formuladas da seguinte maneira:
- Teste a troca de informações com um medidor “em operação” para medição de eletricidade via RS-485 via modem de rádio SI-13-485, estude as características da pesquisa;
- Construa um sistema de medição com medidores de apartamentos para eletricidade e água e realize operações de teste de longo prazo em um ambiente urbano.
A arquitetura do sistema contábil era assim:
Troca de informações com o medidor elétrico Mercury-206 via RS-485 através do "canal de comunicação transparente"
O suporte a seguir foi usado para teste:
- Servidor ASKUE que se conecta ao servidor LoRaWAN IOT Vega;
- Equipamento de formação de canal do modem LoRaWAN - SI-13-485 da estação base (BS);
- Medidor elétrico Mercury-206 PLNO (conexão via RS485).
Para organizar um canal de comunicação transparente na bancada de testes, foi instalado e configurado um software especial que organiza um "canal transparente" de comunicação com o dispositivo conectado via canal de rádio LoRaWAN. A análise de tráfego mostrou que a troca com o dispositivo é muito lenta, como regra, a resposta do dispositivo vem com um atraso de 11 segundos. Com esse atraso, o período total da pesquisa do dispositivo depende muito do número de parâmetros do medidor sendo pesquisado, isso se deve aos recursos do protocolo de troca LoRaWAN (quantos parâmetros do medidor podem ser obtidos por solicitação) e à necessidade de ler dados históricos do arquivo do medidor.
Portanto, ao ler 15 parâmetros operacionais do instrumento Mercury-206, o período total de atualização de dados foi em média de 70 segundos, no entanto, o período final de pesquisa depende fortemente do conjunto de parâmetros selecionado (tags) e, na pior das hipóteses, o período de pesquisa para 15 tags foi de 160 segundos.
Ao ler dados históricos, o tempo para receber um arquivo diário de energia ativa em um ponto de medição da tarifa era de 11 segundos, a velocidade de obtenção do perfil de potência era de 48 "meia hora" a cada 70 segundos.
Além disso, para analisar a estabilidade da troca, foi organizado um longo prazo por 3 dias, durante o qual foi realizado um levantamento contínuo dos parâmetros do contador conectado, a fim de identificar possíveis problemas. Como resultado, houve problemas com a pesquisa e fomos recomendados a realizar uma pesquisa com muito menos frequência. Como resultado, a pesquisa dos parâmetros do dispositivo pelo driver foi configurada para pesquisar uma vez a cada 1 hora e funcionou por 5 dias. Durante o período dessa execução, foi observada uma relação relativamente estável (aproximadamente 0 a 3 intervalos por dia). Ao mesmo tempo, durante o tempo de execução, um recebimento único de dados incorretos em um parâmetro foi registrado. Provavelmente, isso ocorreu devido à confusão dos pacotes de resposta do dispositivo (no protocolo de troca Mercury 206, não há possibilidade de validar o pacote de resposta).
As seguintes conclusões podem ser tiradas dos resultados do teste:- Dados os grandes atrasos no canal de comunicação, a troca de informações com os dispositivos não deve ser realizada com frequência; para tarefas de despacho, a tecnologia testada para busca por canal transparente e com protocolos de comunicação padrão do painel de controle não é aplicável.
- Ao configurar a leitura de arquivos, não é recomendável interrogar arquivos do instrumento que pressupõem uma grande quantidade de dados (perfis de potência, etc.).
Além disso, com base em nossa experiência com os protocolos de outros dispositivos de medição, os atrasos observados no canal transparente LoRaWAN - RS-485 podem impossibilitar a leitura de arquivos de outros tipos de dispositivos (medidores de calor TEM-106, TEM-104, leitura de perfis de potência com Mercury 230 e alguns outros).
Esses testes produziram resultados teoricamente esperados e demonstraram claramente por que os dispositivos IOT estão se afastando do modo de solicitação-resposta, clássico para sistemas AMR, e passando para o modo de pesquisa no lado do medidor inteligente e enviando proativamente dados do painel de controle para o servidor em um agendamento ou evento.Testes de um sistema para coletar dados de dispositivos de medição com uma saída de pulso
O experimento foi realizado nas instalações de Penza. Os objetivos do experimento foram:
- Determinação da área de cobertura real de uma estação base em condições urbanas e em áreas abertas (subúrbios);
- Verificação do nível de sinal dentro de edifícios de apartamentos na área de cobertura (o efeito de paredes e divisórias no nível do sinal);
- Seleção da antena e local de instalação da antena da estação base, determinação do efeito da antena na cobertura e no nível do sinal.
Primeira etapa. Verificou a área de cobertura externa com antena de 4,5 dBi
Nosso departamento de implementação instalou a estação base Vega BS-1 e uma antena de 4,5 dBi, que na época era fornecida com a BS. Realizamos um teste preliminar da área de cobertura externa. O mapa abaixo mostra os resultados do nosso primeiro teste: verde indica recepção bem-sucedida de um sinal BS, vermelho - não.
Conclusões: A área de cobertura com a antena completa está longe do máximo para o LoRaWAN e, no nosso caso, foi de 2 km. Tornou-se claro que precisamos abordar cuidadosamente a instalação da estação base, os 10 km reivindicados sem uma boa antena e um planejamento de rádio mínimo, mesmo em áreas abertas, não podem ser obtidos.Segunda etapa. Verificou a área de cobertura dentro dos edifícios com uma antena de 4,5 dBi
Na mesma instalação da BS, eles decidiram verificar imediatamente a operação do contador de pulsos Vega SI-11 dentro de um edifício residencial a uma distância de 422 metros da BS. Os pontos de medição estavam dentro do prédio, no 1º andar. Esperávamos outro, mas os testes mostraram que não há sinal de recepção!
Entrou em contato com aqueles. O suporte da Vega atualizou o software, mas a conexão não pôde ser estabelecida. Conduziu uma análise dos resultados e re-testou nos locais de instalação propostos dos dispositivos. Por fim, foi possível obter a transferência de pacotes de um local não coberto pela muralha da direção para a BS. Como resultado, conseguimos um resultado positivo e a transferência de pacotes foi bem-sucedida. Além disso, colocamos o SI-11 diretamente no primeiro andar da mesma casa com um BS instalado no telhado, a transmissão de pacotes também foi bem-sucedida (embora não seja recomendável colocar modems sob o BS).
Conclusões dos resultados do segundo estágio: você pode usar a solução existente ao coletar dados no mesmo MCD em que o BS está instalado, bem como no MCD e objetos localizados dentro de um raio de 300 a 400 m do local de instalação do BS, mas em cada caso, testes preliminares da cobertura do rádio . Além disso, não é recomendável instalar modems atrás de uma parede principal de mais de 500 mm na direção do BS.Os resultados estavam claramente abaixo das nossas expectativas, realizamos consultas com os especialistas da Vega e chegamos à conclusão óbvia agora: precisamos de uma boa antena BS com alto ganho, precisamos montar corretamente a BS longe da BS das operadoras de celular e outras interferências, colocá-la corretamente no telhado e repetir os testes.
Teste da terceira fase com antena de 10 dBi
Eles instalaram uma nova antena de 10 dBi da empresa Radial de Moscou a 868 MHz, o local de instalação do BS fica no telhado de um prédio de 12 andares. Infelizmente, a “vida fez ajustes” e fomos autorizados a instalar uma antena e uma BS no telhado da casa no final daquelas. construindo edifícios somente desta maneira:
Por outro lado, a direção dos pontos de medição nas casas testadas não se sobrepunha a essa tecnologia. por construção. Em seguida, testamos o alcance da comunicação em uma cidade fora das instalações. Modems foram usados no modo de emulação de envio de pulsos, sem conectar o painel de controle. A uma distância de até 6 km da BS, os pacotes passaram com sucesso, portanto, a distância máxima que podia ser obtida ao ar livre era de 6 km:
Assim, podemos esperar a transmissão de sinais de modems localizados, por exemplo, no setor privado, a uma distância máxima de 5-6 km de um BS com uma antena de 10 dBi localizada no teto de um MKD de 10 a 12 andares.Estatísticas de testes e pacotes a longo prazo
Em seguida, realizamos um teste de longo prazo com a coleta de estatísticas sobre a passagem de pacotes dos contadores de pulso SI-11 com PU Mercury. O teste envolveu 4 pontos de medição (679m, 422m, 243m, 126m do BS), mostrados abaixo:
Observe que, a uma distância de 422 m atrás da parede principal de 600 mm, na qual não havia comunicação com a antena de 4,5 dBi antes, apareceu uma conexão com a nova antena de 10 dBi, mas com perda de 10% dos pacotes. Assim, em um raio de cerca de 700 m, o nível do sinal é bastante alto (RSSI ~ 115), o que permite instalar modems nessa área dentro do MKD e transmitir dados de maneira confiável.
A foto abaixo mostra um local típico de instalação de um dispositivo de medição em uma escada em uma proteção de piso para dispositivos de medição EE aos quais um modem está conectado:
Exibição de dados do medidor Energomera CE101 no sistema. A transmissão de dados é realizada através do modem SI-11-1. O gráfico mostra dados sobre energia ativa (D, H):
Para o período de teste inicial, com duração de 144 horas, com a transmissão de pacotes uma vez por hora em fevereiro de 2018, foram obtidas as seguintes estatísticas sobre transmissão de dados:
- o número de pacotes recebidos com sucesso é de 132 em 144, ou seja, 91,6%;
- o número de tentativas frustradas - 12, das quais por engano:
- TOO_LARGE_GW_PING_ERR (ping muito grande para o BS) - 8 pcs .;
- LATENCY_ERR (atraso do servidor BS) - 4 peças.
Se você observar as estatísticas por um período mais longo, de 21/02/2018 a 18/03/2018, 142 pacotes de 624 a 23% com as configurações padrão do modem foram perdidos. Nesse sentido, o parâmetro do modem “Número de tentativas de pacotes” foi aumentado para 5 (ou seja, o modem enviará o pacote tantas vezes até receber confirmação da estação base). Como resultado, a perda de pacotes foi quase completamente eliminada. Acreditamos que este parâmetro deve ser definido de 3 a 5, dependendo dos requisitos para o consumo da bateria.
Testando a taxa de descarga da fonte de alimentação integrada dos contadores de pulso LoRaWAN SI-11
Em três meses, os elementos internos da fonte de alimentação dos modems SI-11 foram testados:
Período de testes: 19/03/2018 - 07/06/2018 (quase 3 meses):
- Condições de teste: os modems são instalados em placas na escada MKD, com temperatura positiva constante (de acordo com o sensor de temperatura dentro do modem de +26 a +29 ° C);
- Frequência de pesquisa: SI-11 No. 383336384B368A0F - 1 vez por hora, SI-11 No. 3530373550376114 - uma vez a cada 6 horas.
Tabela com dados sobre a carga restante da bateria:
Conclusões: levando em consideração os resultados obtidos, podemos estimar o tempo de operação em condições similares até 100% de descarga da bateria:
- durante a pesquisa 1 vez por hora - 45 meses ou 3,7 anos
- quando entrevistado uma vez a cada 6 horas - 135 meses ou 11,2 anos
Conclusões gerais dos resultados do teste
A tecnologia está "funcionando". O equipamento para o verão de 2018 já está disponível comercialmente na faixa de produção doméstica. A tecnologia deve ser aplicada levando em consideração suas características:
- O equipamento LoRaWAN funciona de maneira confiável em um raio de 1 km da BS no interior dos edifícios e de 5 a 6 km ao ar livre, se estiver "adequadamente preparado";
- funciona muito bem com dispositivos especialmente projetados para LoRaWAN e funciona mal (lentamente) no modo de canal transparente RS-485 devido a grandes atrasos de canal;
- No entanto, requer a instalação competente de uma BS, como qualquer equipamento de comunicação por rádio. O posicionamento correto da BS e uma boa antena são a chave do sucesso;
- os 6 a 10 anos de duração da bateria são atingíveis com a configuração correta para a frequência da coleta de dados.
- a tecnologia é ideal para a instalação dentro dos apartamentos, levando em consideração o fornecimento de água quente e água quente, bem como a eficiência energética, mas existe uma alternativa na forma de PLC