В статье раскрыты преимущества протокола LoRaWAN для построения систем учета ресурсов. Представлены конечные устройства LoRaWAN, базовые станции и программное обеспечение для построения сетей. Данные решения использует компания «ЕвроМобайл», системный интегратор, занимающийся беспроводными технологиями вот уже 15 лет. В статье рассказано о реализации отдельных проектов этим системным интегратором.
Компания «ЕвроМобайл», г. Санкт-Петербург
В современном мире, которым, казалось бы, правит частная инициатива, государство по-прежнему является мощным драйвером развития. Оно вполне способно (и не только в России), провозгласив какой-то курс, разработать конкретную программу реализации и выделить на это очень большие средства, что даст мощный толчок развитию современных технологий. Таким мощным импульсом для развития интернета вещей (IoT) в нашей стране стало принятие в 2017 году программы «Цифровая экономика Российской Федерации», в которой прямо написано о реализации технологии LPWAN и указаны этапы ее внедрения.
Работа, как всегда, началась с пилотных проектов. Так, в 18 муниципальных образованиях России по инициативе Министерства строительства РФ сегодня реализуются зоны внедрения новой технологии. Одновременно с этим корпорация «Росатом» в своих 25 атомных городах работает над воплощением идеи «умного города» и тестирует различные IoT-технологии, в том числе LPWAN.
В одном из атомных городов поставку оборудования осуществляет компания «ЕвроМобайл». Вся деятельность этого известного российского интегратора начиная с 2004 года связана с беспроводными технологиями: радиосвязью, GPS/ГЛОНАСС, GSM, Wi-Fi и другими, способными обеспечить беспроводной канал связи. Разумеется, остаться в стороне от проектов, развивающих новую и популярную беспроводную технологию, компания никак не могла.
Плюсы сети LoRaWAN
Раз уж мы заговорили об «умном городе», следует отметить, что в городах основную часть интернета вещей составляют приборы учета и системы их контроля. Поэтому будет логично остановиться на решениях LoRaWAN именно для систем учета ресурсов (АСКУЭ).
Современная АСКУЭ с удаленной связью, которая постоянно собирает информацию со счетчиков и датчиков и анализирует ее с помощью программного обеспечения, великолепно справляется со всеми недостатками традиционного сбора данных о потреблении ресурсов, такими как:
- невозможность удаленно выявить неисправность прибора учета и воздействие магнитного поля;
- несвоевременная и некорректная подача данных о потреблении;
- невозможность оперативно выявить и определить место аварии, а также незаконное подключение к ресурсам;
- низкая точность анализа, которая отрицательно сказывается на планировании бюджета.
Но технологии удаленной связи бывают разные. Почему же именно протоколу LoRaWAN сегодня отдается предпочтение? Потому что это самое дешевое, гибкое и простое решение. Попробуем это обосновать.
Рис. 1. Общая схема сети LoRaWAN (увеличить изображение)
Сеть LoRaWAN состоит из трех основных компонентов (рис. 1):
- конечных приборов, поддерживающих протокол LoRaWAN, способных подключаться к счетчикам и датчикам;
- базовых станций (они же шлюзы, они же гетвеи). В основном служат как шлюзы, получая пакет от конечных приборов и отправляя его дальше на серверное ПО;
- серверного ПО, с которого эти данные можно забрать. У сервера есть открытое IP, благодаря которому может выполняться интеграция с любой SCADA, любым ПО верхнего уровня.
Важнейшая особенность сети LoRaWAN заключается в том, что каждый из этих трех элементов может быть заменен аналогичными решениями от разных производителей. Иными словами, при построении сети можно использовать оборудование разных марок, не испытывая никаких затруднений. Можно устанавливать шлюзы разных типов (уличные, домашние), применять различный софт (платные платформы, облачные ресурсы, ПО из открытых источников). Все эти элементы в сети LoRaWAN взаимозаменяемы.
Во многом именно открытостью и объясняется массовое применение LoRaWAN в IoT-решениях. Эта технология имеет спецификацию и поддерживается LoRa-альянсом, что не дает производителям разрабатывать слишком разные приборы. Благодаря открытой спецификации многие разработчики получают возможность выпускать приборы, которые в дальнейшем смогут использоваться в одной общей системе и благополучно взаимодействовать. Насыщенность рынка взаимозаменяемыми приборами, во‑первых, снижает цену решений (а значит, и себестоимость системы), а во‑вторых, исключает проблемы при масштабировании или модернизации сети.
Кроме того, если базовая станция и сервер принадлежат пользователю, то ему не потребуется вносить абонентскую плату. Таким образом, пользователь может выбирать: становиться ли полным собственником системы или обладать только конечными приборами, возложив ответственность за инфраструктуру на оператора связи (тем более что сегодня в России операторы LoRaWAN уже существуют).
И еще один важнейший плюс: все приборы работают в разрешенном (нелицензируемом) частотном диапазоне. Практически любой человек может, взяв конечный прибор, базовую станцию и ПО, развернуть у себя сеть LoRaWAN и выполнить небольшой пилотный проект без каких-либо административных затруднений.
И все элементы системы LoRaWAN есть в продуктовом портфеле компании «ЕвроМобайл». На них и остановимся подробнее.
Конечные устройства LoRaWAN-сети
Компания «ЕвроМобайл» предлагает конечные устройства «Вега СИ‑11» и «Вега СИ‑13», с помощью которых можно дооснастить систему учета, обеспечив ее работу по протоколу LoRaWAN без замены уже существующих приборов. «Вега СИ‑11» и «Вега СИ‑13» – это LoRaWAN-модемы, которые собирают показания и, преобразовав их в LoRaWAN-формат, отправляют на базовую станцию, откуда потом эти показания, преобразованные в Ethernet-формат, транслируются на серверное ПО.
«Вега СИ‑11» – более простое устройство, счетчик импульсов. К нему можно подключать всевозможные приборы учета с импульсным выходом: счетчики электричества, воды или тепла. «Вега СИ‑13» – это универсальный прибор. Может работать как в режиме модема, переводя пакеты из интерфейса RS‑485 / RS‑232 в LoRaWAN, так и в режиме прибора, опрашивающего измерительные устройства.
Также компания «ЕвроМобайл» располагает приборами ЦЭ2726А (АО «Энергомера») и «Меркурий 206» (ГК «Инкотекс») для переоснащения парка электросчетчиков. Иными словами, если срок службы прибора истекает и его пора менять, то логично будет заменить его счетчиком со встроенным модулем LoRaWAN, так как в скором будущем сети LoRaWAN будут охватывать всё большие территории.
Внутри приборов ЦЭ2726А и «Меркурий 206» установлен модуль, накапливающий и передающий данные непосредственно в сеть LoRaWAN. Счетчики ЦЭ2726А предназначены для многотарифного (до 4 тарифов) учета активной энергии в однофазных сетях переменного тока номинальной частотой 50 Гц. Отвечают требованиям ГОСТ 31818.11-2012 и ГОСТ 31819.21-2012. Степень защиты корпуса от проникновения воды и пыли соответствует IP51.
Счетчики «Меркурий 206» предназначены для многотарифного (до 4 тарифов) учета активной энергии в однофазных сетях переменного тока номинальной частотой 50 Гц. Отвечают требованиям ГОСТ 31818.11-2012 и ГОСТ 31819.21-2012. «Меркурий 206» оснащены реле ограничения мощности, которое может срабатывать как по внутренним событиям, так и по команде с сервера.
Для газовых приборов учета предназначен модем «Вега GM‑2» (рис. 2). К сожалению, пока он способен работать только с газовыми счетчиками производства компании Elster. Модем очень просто устанавливается и после опломбировки сразу же готов к использованию. Он снимает показания через импульсный выход счетчика и отправляет их на сервер. Модем оснащен двумя датчиками Холла, один из которых осуществляет подсчет текущих показаний, а другой расположен таким образом и имеет такой уровень чувствительности, что реагирует только на присутствие внешнего магнитного поля (например, при размещении вблизи счетчика газа сильного магнита для вывода из строя механизма подсчета). После пяти минут магнитного воздействия счетчик отправляет в сеть соответствующее сообщение. Для защиты от несанкционированного доступа модем имеет датчик вскрытия корпуса. Также имеются два охранных входа и два управляющих выхода.
Рис. 2. Модем «Вега GM‑2»: а – внешний вид; б – модем, установленный на газовый счетчик
Для учета расхода воды компания «ЕвроМобайл» предлагает счетчики «БЕТАР» с интегрированным модулем LoRaWAN производства «Вега-АБСОЛЮТ». Кроме того, в этих целях можно применять «Вега СИ‑11», причем на четыре прибора учета потребуется всего один модем. И все-таки, как показал опыт специалистов компании «ЕвроМобайл», счетчик со встроенным модулем LoRaWAN обеспечивает самый точный учет. Поэтому компания включила в свой портфель целый набор приборов учета воды «БЕТАР»: СХВЭ‑15, СГВЭ‑15, СХВЭ‑20 и СГВЭ‑20.
Базовые станции
Второй элемент сети – базовая станция «Вега БС‑2.2», предназначенная для разворачивания сети LoRaWAN на частотах диапазона 863–870 МГц (рис. 3). Питание базовой станции и сообщение с сервером осуществляется через канал Ethernet. Кроме того, сообщение с сервером может поддерживаться через канал 3G (есть два варианта исполнения: базовая станция без 3G и базовая станция с 3G-модемом и ГЛОНАСС). Станция оборудована встроенной антенной GPS, для того чтобы можно было построить карту, увидеть, где находятся шлюзы, протестировать зону покрытия и развертывание системы. Базовая станция «Вега БС‑2.2» имеет предустановленное ПО Packet forwarder. Монтаж базовой станции достаточно прост, она устанавливается на мачту совместно с антенной. Работает в интернете по протоколу SSH. Также поддерживается операционная система Linux.
Рис. 3. Базовая станция «Вега БС‑2.2»
Серверное ПО
Один из главнейших элементов системы – сервер и визуализация – предоставляется пользователю совершенно бесплатно компанией «Вега-АБСОЛЮТ», производителем сетевых приборов LoRaWAN. Сервер, как и вся прочая софтовая часть, доступен для скачивания на сайте компании. Все данные с базовой станции попадают на сервер. Увидеть эти данные визуализированными можно с помощью программы Vega Pulse.
Доступность бесплатного ПО – огромное преимущество для всех, кто начинает осваивать технологию и строит сеть LoRaWAN собственными силами. Специалисты компании «ЕвроМобайл» с радостью окажут техподдержку всем пользователям на этапе запуска и тестирования системы.
Реализация проектов
На нескольких примерах продемонстрируем, как специалисты компании «ЕвроМобайл» подходят к проектам своих заказчиков.
Построение АСКУЭ и охранной системы
Начнем с проекта, который был выполнен для г. Череповца, где в комплексе домов потребовалось реализовать поквартирный учет воды по сети LoRaWAN. Это были новостройки, в которых автоматизированный учет планировался изначально, а потому были установлены счетчики с импульсным выходом. Для системы интегратор решил применить счетчик импульсов «Вега СИ‑11», что вполне устроило заказчика, которому требовалось только получать показания. Всего было установлено 11 модемов, и все они были подключены к одной базовой станции, в зоне покрытия которой находился и прибор учета на насосной станции для водозабора (рис. 4).
Рис. 4. Зоны покрытия двух базовых станций: на первую (рис. слева) передаются показания с общедомовых расходомеров и насосной станции; ко второй (рис. справа) подключены магнитоконтактные датчики для контроля вскрытия дверей
Однако при реализации проекта возникла еще одна задача. Водоканалу Череповца понадобилось обезопасить крыши на своих объектах, закрыв туда доступ посторонним. Для того чтобы организовать автоматизацию контроля вскрытия дверей и соответственно прохода на крышу, специалисты компании «ЕвроМобайл» решили использовать магнитоконтактные датчики «Вега Smart-MC0101», работающие на LoRaWAN. Так как сервер был уже установлен, система протестирована и сеть запущена, больших сложностей в интеграции не возникло. Магнитоконтактные датчики были установлены на свои места и присоединены к системе. Для опроса этих датчиков потребовалась вторая базовая станция, к которой сейчас подключено порядка 15 зданий. Так был реализован контроль доступа на крышу (рис. 4).
После осуществления пилотного проекта заказчик имеет возможность постепенно масштабировать систему без особых затрат. Ведь основная работа была сделана на этапе запуска сервера, так что теперь достаточно будет разместить новую базовую станцию, подключить ее к существующему серверу и устанавливать новые приборы, которые будут находиться в зоне действия этой станции.
Адаптация к сети LoRaWAN датчика MBus
Другой проект был сложнее с точки зрения инженерных решений. По протоколу LoRaWAN потребовалось автоматизировать сбор данных о расходе воды. Проблема состояла в том, что счетчики Sensus HRI, фиксирующие показания, были совершенно не предназначены для работы в сети LoRaWAN. Бесконтактный датчик уровня вращения имел подключение к сети M‑Bus. Это очень распространенная европейская шина, посредством которой можно передавать небольшие объемы данных. У нее относительно низкая скорость и не очень большая дальность (до 1000 метров), по ней можно подключить до 250 устройств. Однако заказчик категорически не желал менять этот счетчик на другой, поскольку использовал его давно, и устройство хорошо себя зарекомендовало.
Для начала потребовалось проверить на проводном уровне, как работает это оборудование. Для этого был использован конвертер TechBase, прямой преобразователь M-Bus в RS‑232. После сочленения двух устройств работа счетчика была проверена с помощью программного инструмента для проверки параметров MiniCom от компании Sensus. Выяснилось, что считывание параметров производится, в программе отражается и серийный номер счетчика, и текущие показания воды, и воздействие магнитного поля (что тоже было проверено с помощью обычного магнита).
После проверки предстояло реализовать подключение счетчика без проводов. Для этого был использован конвертер M‑Bus производства компании «Вега-АБСОЛЮТ». Сеть была построена следующим образом. Счетчик Sensus был подключен к конвертеру M‑Bus. С конвертера по радиоканалу пакеты данных передаются на базовую станцию. На выходе базовой станции организовано Ethernet-подключение, которое необходимо для сервера. Либо по локальным, либо по интернет-сетям (это зависит от конкретного случая) данные попадают на сервер и в софт верхнего уровня. Здесь находятся три программы. Одна из них, LoRa2TCP, это преобразователь от ООО «Вега-АБСОЛЮТ». Данное ПО работает посредством IP и преобразует Ethernet-пакеты в пакеты TCP, которые может воспринять практически любое внешнее приложение, работающее по TCP. Таким образом, АСКУЭ, работающие по TCP, могут напрямую подключаться к программному продукту LoRa2TCP.
Второй продукт – это MiniCom3 – программа, написанная Sensus для опроса самого счетчика. К сожалению, MiniCom3 не работает по TCP, это приложение, которое умеет опрашивать только «железные» COM-порты, поэтому понадобилась еще одна прослойка в виде так называемого виртуального COM-порта. С этой целью был использован бесплатный программный продукт от компании Tibbo VSP/VC.
Как видим, вместо двух элементов – начального и конечного – в сети появились дополнительные компоненты, предназначенные для обеспечения беспроводного подключения.
Детектор газа
И наконец, еще одно интересное решение – создание домашнего детектора газа.
За основу был взят домашний газоанализатор. При изучении данного оборудования оказалось, что реализовать его подключение к беспроводной сети достаточно сложно. Для этого потребовался бы некий блок-реле, стоимость которого сопоставима со стоимостью самого датчика. Чтобы избежать этого дорогостоящего варианта, был выбран другой путь: проведена небольшая и недорогая доработка, в результате которой было выполнено подключение к светодиодам, расположенным на лицевой панели спектроанализатора. Теперь загорание красного светодиода вызывало работу охранного входа счетчика импульсов «Вега СИ‑11», и в ПО верхнего уровня отправлялся сигнал о срабатывании спектроанализатора. Затем были проведены тесты: к устройству поднесли зажигалку и вытравили из нее немного газа. Сигнализатор отработал данную ситуацию как ПОРОГ2: включил звуковую сигнализацию и красный светодиод. А в интернете появилось извещение о срабатывании спектроанализатора.
Данные примеры показывают, как творчески и рачительно подходят специалисты компании «ЕвроМобайл» к решению задач своих клиентов.
Статья опубликована в журнале "ИСУП" № 5(77)_2018
Компания «ЕвроМобайл», г. Санкт-Петербург,
тел.: +7 (800) 550-7506,
e‑mail: info@euroml.ru,
сайт: euromobile.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
