Опыт применения технологии LoRaWAN в городских электрических сетях
Содержание
Введение
В конце прошлого года приказом от 22 декабря Росстандарт утвердил национальный стандарт протокола LoRaWAN для интернета вещей. Узнав об этом, мы решили проанализировать результаты внедрения данной технологии у наших клиентов и поделиться с вами практическим опытом применения счетчиков с LoRaWAN-модулями.
На технологии беспроводной передачи данных LoRaWAN остановили свой выбор многие электросетевые предприятия, рассчитывая обеспечить бесперебойный сбор данных по всем своим счетчикам. Изучив характеристики, заявленные производителями оборудования, раньше и мы рекомендовали обратить внимание на данную технологию. Но сейчас, «пощупав технологию руками», мы советуем обратить внимание на ряд факторов, ограничивающих применение технологии, чтобы максимально эффективно использовать все возможности LoRaWAN сетей и не разочароваться.
Технические характеристики технологии LoRaWAN
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) - это технология беспроводной передачи данных, разработанная для сбора информации с датчиков и устройств на больших расстояниях.
Принцип работы
Принцип работы технологии LoRaWAN основан на комбинации двух основных компонентов: устройств LoRa (LoRa devices) и базовых станций (gateway). Устройства LoRa являются конечными узлами, которые собирают данные и передают их через радиоканалы. Базовые станции принимают данные от устройств LoRa и передают их в облако или центральную систему.
Скорость передачи данных
Технология LoRaWAN использует модуляцию LoRa для передачи данных на скорости, зависящей от выбранного диапазона частот и настроек сети. Обычно скорость передачи данных варьируется от 0,3 кбит/с до 50 кбит/с на канал.
Особенности передачи
Для передачи данных могут использоваться радиочастоты в нерегулируемом диапазоне. Благодаря применению метода доступа ALOHA, устройства могут передавать данные независимо друг от друга по множеству радиоканалов. Технологией LoRaWAN поддерживается до 64 каналов для передачи данных. Это количество в некоторых регионах может быть расширено за счет применения каналов с другими ширинами полосы пропускания. Но есть и ограничение: при одновременной передаче данных по одному и тому же каналу может происходить коллизия, что может привести к потере данных.
Преимущества технологии
Технология LoRaWAN была разработана компанией Semtech, которая заявляет следующие преимущества:
| Преимущество | Описание |
|---|---|
| Дальность передачи | LoRaWAN обеспечивает дальность передачи данных до нескольких километров в городских условиях и до нескольких десятков километров в сельской местности. Это позволяет охватить большие территории с помощью небольшого количества базовых станций. |
| Низкое энергопотребление | Устройства, использующие технологию LoRaWAN, потребляют очень мало энергии, что позволяет им работать на батарейках в течение длительного времени. Это особенно важно для устройств, которые работают в отдаленных местах или труднодоступных условиях. |
| Возможность соединения с большим количеством устройств | LoRaWAN поддерживает соединение с большим количеством устройств одновременно. Это делает технологию идеальной для развертывания сетей Интернета вещей (IoT), где требуется связь с большим количеством датчиков и устройств. |
| Низкая стоимость развертывания | Развертывание сетей LoRaWAN требует меньших инвестиций в сравнении с другими бесподными технологиями. Базовые станции LoRaWAN могут быть установлены на существующих структурах, таких как здания или вышки, что снижает затраты на инфраструктуру. |
| Гибкость и масштабируемость | Технология LoRaWAN позволяет гибко настраивать параметры передачи данных в зависимости от требований конкретного применения. Она также масштабируется, позволяя добавлять новые устройства и расширять сеть по мере необходимости. |
Эти преимущества делают технологию LoRaWAN очень привлекательной для различных применений, включая умные города, где требуется вести учет различных видов энергетических и коммунальных ресурсов.
Опыт эксплуатации LoRaWAN
Окунувшись в теорию, переходим к практике.
Начнем с публикации результатов сбора профиля мощности по счетчикам с LoRaWAN-модулями по одному из наших клиентов:
Результаты сбора профиля мощности по 13 счетчикам: серая ячейка – нет данных за сутки, синяя ячейка – за сутки собраны полные данные, сине-серая ячейка – за сутки собраны не полные данные.
В данном примере за месяц данные по профилю мощности не были собраны полностью ни по одному из счетчиков. Если мы откроем страницу с собранным профилем мощности по одному из счетчиков, то увидим, какие данные были потеряны:
График с профилем мощности по одному из счетчиков: красная заливка показывает временные зоны, в которые данные о потреблении не были получены.
Причины проблем со сбором данных
Почему же такое происходит?
Дело в том, что система, построенная на технологии LoRaWAN, имеет ряд ограничений. Давайте рассмотрим более подробно все факторы, которые необходимо учитывать при построении сети LoRaWAN.
Факторы, влияющие на эффективность LoRaWAN
Фактор 1. Региональные особенности: количество каналов LoRaWAN
Счетчики обмениваются информацией с базовой станцией по радиоканалу. По одному радиоканалу базовая станция одномоментно может принимать данные только от одного счетчика. Если же в одно и тоже время передача данных будет происходить по двум и более счетчикам, то возникнет коллизия, и базовая станция не примет показаний ни по одному из счетчиков. С ростом количества счетчиков, возрастает вероятность коллизий, и качество приема данных будет снижаться.
- Если вы планируете на одну базовую станцию «посадить» большое количество счетчиков, выбирайте базовые станции с 2 схемами SX1301.
- При конфигурации оборудования LoRaWAN (сервера, базовой станции и оконечных устройств) проверяйте настройки частотного плана, чтобы было задействовано максимальное количество каналов.
Фактор 2. Региональные особенности: мощность передачи сигнала
Еще один фактор, который сказывается на скорости передачи данных – это мощность передачи радиосигнала.
Так, например, в США максимальная мощность передатчика в не лицензируемом диапазоне частот может составлять 1Вт, в то время как в России – не больше 100 мВт, причем не во всем диапазоне.
К сожалению, по данному фактору у нас нет рекомендаций, т.к. это законодательные ограничения, которые не нарушить из-за угрозы штрафов.
Фактор 3. Антенна базовой станции LoRaWAN
В первую очередь давайте посмотрим, как происходит общение со счетчиками.
Каждое устройство для передачи данных выбирает случайный канал и случайное время сеанса передачи. Если у вас на счетчике настроено подтверждение получения данных, то счетчик будет ждать ответа от базовой станции об успешном получении пакета.
- Используйте антенны с большим коэффициентом усиления, чтобы лучше «слышать» счетчики и принимать данные на более высокой скорости.
- Не настраивайте опрос счетчиков в прозрачном режиме. В этом случае будут происходить длинные сеансы передачи данных базовой станцией, и она не сможет принимать данные от других счетчиков.
- Не используйте длинные кабели (максимально 2м.), соединяющие антенну с базовой станцией. Дополнительное увеличение длины кабеля между антенной и базовой станцией будет приводить к потере чувствительности антенны.
- Следует отдавать предпочтение производителям, предлагающим базовые станции с несколькими антеннами (с разделением на прием/отдачу).
- Постарайтесь подальше развести друг от друга антенны на прием и на отдачу. Однако расстояние ограничено длиной кабеля.
Фактор 4. Препятствия и помехи
Помимо бетонных перекрытий препятствием прохождению сигнала могут стать бетонные стены, зеленые насаждения, холмы и т.п. С учетов этих факторов базовая станция должна располагаться в таком месте, чтобы до каждого счетчика было как можно меньше препятствий.
- Устанавливайте антенну на улице, желательно на крыше здания, минимум на 5-7 метров выше окружающих строений.
- Устанавливайте счетчики только после проверки уровня сигнала тестером.
- Выбирайте место расположения базовых станций LoRaWAN подальше (удаление на 30м. минимум) от других источников радиосигнала.
- В месте расположения базовой станции не должно быть металлических конструкций и прочих предметов, создающих «радиотень» или зону пониженного радиосигнала.
- Учитывайте диаграмму направленности антенны. В горизонтальной плоскости антенна имеет круговую направленность, но в вертикальной нет.
Фактор 5. Объем передаваемых данных
Современные требования к учету электроэнергии не ограничиваются однократным сбором показаний. Важно понимать с какими параметрами поступает электроэнергия, по какому графику происходит потребление, вовремя узнавать об отключениях и о попытках злоумышленников вмешаться в работу счетчиков.
- Для обеспечения интервального учета не перегружайте базовую станцию электросчетчиками.
- При расширении количества счетчиков свыше 150, увеличивайте количество базовых станций.
Фактор 6. Конкуренция за эфир
Давайте предположим, что вы учли все предыдущие факторы и вам удалось настроить на качественном уровне получение данных со счетчиков по сети LoRaWAN.
Ориентируясь на ваш положительный опыт, предприятие водоснабжения решило также установить свою базовую станцию для опроса водосчетчиков.
Казалось бы, разработчики технологии LoRaWAN учли это, заложив шифрование пакетов, благодаря чему чужие базовые станции не смогут расшифровать данные от ваших счетчиков, а ваши базовые станции не распознают данные от чужих счетчиков и будут их отбраковывать.
Но усугубится проблема загрузки базовой станции «лишними» пакетами: водосчетчики также будут передавать данные одновременно с вашими счетчиками, что приведет к росту коллизий. Из-за увеличения нагрузки на базовую станцию, опрос счетчиков может ухудшиться.
Выводы и рекомендации
По нашему мнению, любая технология сбора данных для того, чтобы стать стандартом для повсеместного применения, должна обладать рядом качеств:
Экономическая эффективность
Да, с ограничениями: счетчики со встроенными LoRaWAN модулями имеют доступную стоимость. При обслуживании одной базовой станцией от 50 однофазных счетчиков (например, Меркурий 204), или 30 трехфазных (например, Меркурий 234), стоимость системы будет сравнима с GPRS, но позволит экономить на услугах связи.
Работоспособность из коробки
Да, с ограничениями: счетчики могут автоматически присоединиться к базовой станции после внесения на LoRaWAN-сервер идентификаторов устройства и ключей. Система будет в целом работоспособной, но для улучшения качества сбора данных могут потребоваться изменения конфигурации.
Высокая надежность передачи данных
Да, с большими ограничениями: со счетчиков успешно собираются посуточные показания, но есть множество внешних факторов, которые могут повлиять на качество сбора данных. Часть из этих факторов могут быть неподвластны владельцу сети LoRaWAN.
Соответствие современным требованиям
Да, с большими ограничениями: российские производители устройства LoRaWAN прилагают большие усилия, чтобы добиться соответствия системы учета требованиям ПП РФ №890. Однако, в силу региональных ограничений по нелицензируемому частотному диапазону и по мощности передатчиков, при увеличении числа счетчиков, приходящихся на одну базовую станцию свыше 100, качество сбора данных начинает сильно ухудшаться.
Легкая техподдержка
Скорее нет: для обеспечения работоспособности системы нужно учитывать слишком много факторов и обладать специфическими знаниями. Качество работы системы может быть в любой момент нарушено внешними факторами, разобраться с которыми в силе только высококлассные специалисты.
Безопасность
Да: все данные, передаваемые устройствами шифруются, что препятствует несанкционированному доступу к данным и защищает конфиденциальность потребителей.
Масштабируемость
Да, с большими ограничениями: с увеличением количества счетчиков, сбор данных может сильно ухудшиться. Масштабируемость происходит за счет увеличения количества дорогостоящих базовых станций.
Открытость
Да: сбор данных от базовой станции происходит по открытому протоколу. Базовая станция способна работать с устройствами различных производителей.
Соответствие стандартам
Да: эффективность применения LoRaWAN в качестве технологии Интернета вещей (IoT) признана во всем мире. В России утвержден национальный стандарт протокола LoRaWAN.
Наши рекомендации
Мы считаем технологию LoRaWAN ограничено годной к применению городскими электрическими сетями. Не стоит применять технологию и для сбора интервальных данных с приборов учета, если на базовую станцию будет приходиться свыше 150 счетчиков. При этом, мы можем рекомендовать использование LoRaWAN в сельской местности и в садовых товариществах для получения ежесуточных показаний со счетчиков.
Обоснование рекомендаций
- ПП РФ №890 предписывает обеспечить сбор интервальных данных по всем вновь вводимым приборам учета электроэнергии, а значит нагрузка на каналы связи будет постоянно расти,
- изначально LoRaWAN создавалась как энергоэффективная технология для передачи данных для автономных устройств и не рассчитана на обмен «тяжелыми» пакетами с большим объемом информации,
- региональные особенности не позволяют на 100% использовать возможности технологии,
- в сельской местности нет высокоэтажной застройки и пониженная вероятность возникновения помех радиосигналу,
- потребители в сельской местности редко используют почасовые тарифы, поэтому частичная потеря интервальных данных не является критичной.
