Технология LoRaWAN в распределении газа и воды

Что такое умный учет ресурсов

Почти до конца XX века для учета потребления газа, воды, тепла и электричества использовали только устройства с механическими накопителями показаний. Абоненты сами фиксировали их показания и сообщали поставщикам ресурсов, поэтому последние часто получали данные с опозданием или ошибками — из-за человеческого фактора. Были и другие проблемы:

• абоненты использовали различные уловки, чтобы занизить данные о расходе ресурсов
• контролеры зависели от пользователей: если абонента не было дома или он не предоставлял контролеру доступ к прибору учета, проверить показания счетчика было невозможно
• поставщики несли убытки из-за невыявленных аварий и утечек

С развитием технологий ситуация изменилась: в 1990-е годы появились цифровые счетчики, а также возможность передавать данные автоматически через информационные сети. Приборы учета стали точнее и совершеннее, и у них появились новые функции. В дальнейшем интернет вещей (IoT) позволил пользователям и поставщикам даже удаленно управлять устройствами. Все эти инновации открыли совершенно новые возможности: умные устройства автоматически снимают и передают данные, сообщают об авариях и других событиях, многие процессы автоматизированы. Преимущества современных технологий очевидны: комфорт, точность и экономичность.

Умный учет ресурсов активно внедряют во многих уголках мира: страны Евросоюза, Китай, Япония, США, Канада, Мексика, Бразилия, Индия и многие другие. Так, согласно отчету мониторинга рынков за сентябрь 2023 года от ACER, к концу 2022 года в 13 странах доля умных электросчетчиков уже составляла 80% и более от общего количества приборов учета. В таблице ниже представлены сведения о степени интеграции умного учета данных и возможностях, которые умные технологии предоставляют поставщикам ресурсов в этих странах.

Что такое Smart Grid

Smart Grid (умная сеть) — это комплекс устройств, программ, технологий и решений, обеспечивающий поставщикам ресурсов современную цифровую инфраструктуру, автоматизированный учет данных и удобную их обработку. В умных сетях применяются IT-решения. Без таких систем невозможно создание современных умных городов.

Умная сеть включает  следующие компоненты:

• конечные устройства (умные счетчики или радиомодули)
• шлюзы
• сеть передачи данных
• программное обеспечение оператора
• умные датчики

Конечные устройства с помощью цифровых интерфейсов фиксируют показания счетчиков, обеспечивают хранение данных во внутренней памяти и затем в соответствии с графиком и настройками передают их на шлюзы. Конечными устройствами могут быть умные счетчики со встроенными радиомодулями, а также радиомодули для учета воды и радиомодули для учета газа.

Шлюзы, или базовые станции принимают данные от определенного количества конечных устройств и передают их по сети на сервер.

Сеть передачи данных обеспечивает доставку информации на сервер по проводным или беспроводным каналам связи с использованием соответствующих протоколов. Для передачи данных счетчиков используют сети с низким энергопотреблением (LPWAN).

Программное обеспечение позволяет поставщику ресурсов получать данные в удобном для него формате, обрабатывать и хранить их.

Умные датчики устанавливают везде, где можно автоматизировать фиксацию событий и снятие параметров и показаний:

• наличие протечек
• влажность и температура
• наполнение контейнеров
• срабатывание различных датчиков
• передача текущей геолокации 
• передача данных измерений

Эти устройства посылают сигнал поставщику ресурсов, если происходит авария или другая внештатная ситуация, предусмотренная функциональностью датчика.

Далее мы детально рассмотрим второй компонент решения — сеть передачи данных LoRaWAN.

Сети LoRaWAN с поддержкой IoT для распределения коммунальных услуг

LoRaWAN — это сетевой протокол, позволяющий передавать небольшие по объему пакеты данных с минимальными затратами энергии, что позволяет использовать автономные источники электроэнергии без необходимости замены в течение нескольких лет. Ранее такое было невозможно. 

Данный метод базируется на технологии LoRa — способе модуляции, где для передачи данных используют нелицензируемые диапазоны частот. При этом сигналы обладают высокой проникающей способностью, что обеспечивает возможность использовать технологию LoRa в городах с плотной застройкой и даже получать данные от устройств, размещенных в подвалах.

Технология LoRa и протокол LoRaWAN обеспечивают беспроводную двустороннюю связь, защищенную шифрованием. Конечные устройства передают данные о потреблении по радиоканалу на шлюзы, а затем — уже по сети интернет данные поступают на сервер, и там становятся доступными поставщикам услуг.

Таким образом, LoRaWAN позволяет построить сеть со следующими характеристиками:

• высокая проникающая способность через препятствия
• автономность 
• двусторонняя радиосвязь
• высокая дальность передачи сигнала
• гарантированная защита данных
• легкое и недорогое масштабирование сети

Все эти свойства помогают строить современные умные сети учета газа и воды.

Как сети LoRaWAN используют в умном учете ресурсов

Технология LoRa позволяет осуществить интегрировать умные сетевые решения для эффективного управления газом и водой быстро, легко и с минимальными инвестициями.

Низкая стоимость развертывания сети. У сетей LoRaWAN есть преимущество перед сетью интернет: их можно развернуть на любой местности со сравнительно небольшими вложениями. Для этого необходимо лишь приобрести и установить необходимое количество базовых станций (шлюзов) .  Реализация аналогичной задачи традиционным способом требует прокладывания кабелей, установки серверного и телекоммуникационного оборудования. Все это обойдется поставщикам газа и воды в разы дороже.

Высокая проникающая способность через препятствия. Счетчики абонентов и общедомовые приборы учета могут располагаться в подвальных помещениях, многоэтажных высотных зданиях и крупных офисных центрах. Сигналы в таких локациях встречают на своем пути множество физических преград (например, стен и перекрытий) и влиянию радиопомех. Высокая проникающая способность сети LoRaWAN частот позволяют максимально снизить воздействие этих факторов на распространение сигнала. Поэтому сети на базе LoRaWAN можно использовать в мегаполисах и местах с плотной застройкой.

Двусторонняя связь. Некоторые приборы учета оснащены дополнительными функциями, позволяющими поставщикам услуг удаленно взаимодействовать с ними. Например, для удаленной настройки частоты передачи данных. Для таких ситуаций требуется, чтобы умное устройство было способно не только передавать сигнал, но и принимать его. Двусторонняя связь протокола LoRaWAN обеспечивает такую возможность.

Энергоэкономичность. Умные устройства, работающие по протоколу LoRaWAN, не передают данные постоянно, а отправляют их через определенный интервал времени в соответствии с настройками. Кроме того, в сети LoRaWAN данные передаются на низкой скорости, что позволяет экономить заряд батарейки. Благодаря этому беспроводные умные устройства учета данных могут работать автономно  в течение нескольких лет. Например, радиомодули Jooby для учета газа и воды способны служить до 15 лет (в зависимости от настроек частоты передачи данных) без необходимости замены батарейки.

Покрытие. Сеть LoRaWAN обеспечивает передачу данных в радиусе до 15 км от шлюза  на открытой местности и на расстояние до 5 км в условиях городской застройки.  Наращивать емкость сети просто — просто увеличивать количество шлюзов по принципу сотовой сети. 

Надежность. Решение гарантирует безопасную передачу данных: они защищены шифрованием.

Преимущества автоматизации учета газа и воды

Вводя умный учет данных, поставщики воды и газа обеспечивают абонентам удобную систему передачи показаний, а себе — следующие преимущества:

• своевременное получение точных данных
• простую и удобную аналитику
• возможность отслеживать аварии, несанкционированное воздействие на приборы учета и возможные  хищения ресурсов
• снижение затрат на обслуживание клиентов — нет необходимости в контроллерах
• повышение собираемости оплаты

Решения для удаленного учета показаний могут также использовать ОСМД, управляющие компании, муниципалитеты, застройщики и интернет-провайдеры. Используя решения и продукты Jooby, наша команда помогла наладить дистанционный учет данных нескольким жилым комплексам и газопоставляющей компании «Полтавагаз».

Применение умного учета ресурсов позволяет поставщикам модернизировать инфраструктуру, обеспечить точный, своевременный и удобный учет показаний счетчиков, ввести комфортное управление данными и уменьшить энергопотребление в системах поставки газа и воды. С LoRaWAN масштабирование сети не требует больших инвестиций и обходится значительно дешевле, чем с применением сети интернет.