Обзор технологий беспроводной передачи данных для учета газа .
Развитие современных электронных технологий, всемирная модернизация и автоматизация различных производственных процессов и учета, появление таких понятий как интернет вещей, нейросети, искусственный интеллект, блокчейн, все более настойчиво подгоняют правительство России, мотивируя принимать различные инициативы и законные акты для цифровизации экономики. В частности ряд Федеральных законов и инициатив по автоматизации учета энергоресурсов в ЖКХ и применения умных приборов учета уже начали действовать и ресурсоснабжающим организациям необходимо быстрее определяться, какие технологии учета, сбора, передачи и хранения данных взять за основу для применения в своих системах.
На данный момент самыми продвинутыми в этом плане закономерно являются энергетики. Не имея проблем с электропитанием своих устройств, они уже второе десятилетие так или иначе испытывают и применяют различные технологии сбора данных, постепенно эволюционируя вместе с развитием электроники от проводных систем (Ethernet, PLC), беспроводных операторских GSM/GPRS, беспроводных малого радиуса действия с разновидностями ZigBee, Z-Wave, D-mesh и т.д. (не получивших правда широкого распространения) к современным LPWAN технологиям, активно тестируемым в настоящее время.
В газовой отрасли ввиду малой доступности, а в большинстве случаев и невозможности обеспечить электропитание, различным технологиям передачи данных порезвиться не удалось. Время застыло для консервативных газовиков в основном на применении GSM/GPRS связи, сначала для сбора данных и управления промышленными узлами учета газа, а не так давно с дикими затратами началось оснащение счетчиками с GPRS модемами и абонентского сектора.
Конечно отдельные энтузиасты от Газпрома пытались внедрить современные системы сбора данных, основанные на радиоканальных решениях ближнего радиуса действия – таких как wavenis, применяемую «Эльстер газэлектроникой», систему АСКУГ «МНПП Сатурн», применяемую на счетчиках завода «Газдевайс» и дальнего радиуса - систему сбора данных на LPWAN технологии «TelePort» (новое наименование «Аура360»), выполненную на электронных счетчиках Вектор-Т, выпускаемых Ростовским предприятием НПП «Скайметр». Были выполнены и даже до сих пор функционируют пилотные внедрения в реальных условиях в республике Адыгея, Московской области, в Ставропольском крае, но почему-то руководители газораспределительных предприятий так и не решились внедрять новые технологии учета и сбора данных, теряя фантастические суммы на потерях из-за недостоверного учета газа и на содержание многочисленного штата контроллеров.
Но время не стоит на месте, стоимость энергоресурсов растет, количество приборов учета увеличивается, правительство принимает все большее число законов обязывающих вести интеллектуальный автоматизированный учет энергоресурсов, тенденции рынка и смежные отрасли (энергетики, тепловики, водоканалы) все больше отрываются от газовой отрасли в части автоматизации и применения новых технологий. На этой волне начал просыпаться и интерес руководителей подразделений Газпрома к системам автоматизированного сбора данных.
Давайте рассмотрим существующие на данный момент и перспективные технологии, для применения в бытовых приборах учета газа.
АСКУГ на базе GSM технологии.
Начнем пожалуй с самой известной, самой изученной, самой применяемой в газораспределении и самой неподходящей для бытовых счетчиков беспроводной технологии связи – GSM/GPRS. На достоинствах особо останавливаться не буду, их и так все знают – готовая инфраструктура, обширная карта покрытия, простота внедрения, хорошие скорость и объем передаваемых данных и т.д., но подробно освещу недостатки.
Первый недостаток GSM это стоимость. Причем не только стоимость самого модема, но также стоимость дальнейшего использования – регулярная абонентская плата оператору связи, стоимость батареи, стоимость ее более частой, относительно других, более энергоэффективных технологий, замены, стоимость самого счетчика, вмещающего такое габаритное устройство и т.д.
Второй недостаток, это энергоэффективность – она крайне низкая. Ввиду особенностей протокола связи, заставляющего регистрироваться в сети и поддерживать соединение, технологии связи и мощности радиоизлучения, среднее потребление достаточно велико, даже несмотря на режимы сна, а пиковое потребление модема при регистрации в сети или отправке пакета данных может достигать 2 Ампер при питании от 3х вольтовой батареи. Соответственно для более-менее долгосрочной работы устройства необходимо применять объемные крупногабаритные батареи 16-18А/ч, способные дать в импульсе такой ток и желательно известных, дорогих производителей.
Третий - габариты. Сами GSM модули и обвязка достаточно габаритны, примерно в 2-3 раза больше LPWAN радиомодемов, плюс объемная и дорогущая батарея, как правило типоразмера D. Габариты модулей и батарей тянут за собой и габариты корпусов счетчиков и соответственно удорожание конструкции.
Далее, недостатки менее существенные, с которыми можно мириться, но …
Четвертый – отсутствие полноценной обратной связи. Т.е. она есть, но для этого надо применять либо статические IP адреса, либо применять различные ухищрения, типа регулярного пинга сервера, либо дозвона и т.д. Ну и опять же, какая обратная связь, если для экономии батарей модемы как правило вгоняют в сон с пробуждением раз в сутки для передачи данных.
Пятый недостаток вытекает из достоинства – готовая инфраструктура оператора. Т.е. там, где нет покрытия сети, связи нет и не будет. Там, где связь неуверенная, а таких районов до сих пор очень много, тоже ставить счетчики с GSM очень рискованно, так как нет гарантии что половина из них выйдет на связь.
Шестой недостаток – Сим-карты. Сами сим-карты не очень любят низких температур, а их контакты критичны к влаге и загрязнениям и соответственно им необходимо периодическое обслуживание. Да и из строя они нет-нет да и выходят, испытано.
Ну и седьмое, возможно самое главное – уже достаточно много установили дорогущих счетчиков с GSM/GPRS модемами по цене телевизора, средний срок службы у которых 15 лет, но сотовые операторы постепенно отказываются от 2G сетей, за рубежом уже вовсю идет этот процесс. Начался он и у нас, оборудование заменят и частоты 2G постепенно отдадут более перспективным и современным NB-IoT/LTE-M/ EC-GSM и через несколько лет Газпром столкнется с необходимостью либо модернизации либо замены так быстро устаревших, но не выработавших свой срок приборов учета. А это колоссальные средства.
Перспективные GSM технологии.
Следующим пунктом рассмотрим перспективные, но еще широко не применяемые на практике технологии сотовой связи для IoT - Nb-IoT/LTE-M/ EC-GSM. Считается что эти технологии относятся к сотовым LPWAN сетям, хотя можно сильно поспорить насчет их энергоэффективности.
По широко анонсированному Nb-IoT, информации до сих пор очень мало, только анонсы, рекламные статейки и не очень информативные исследования и испытания в тестовых зонах. Более того, Nb-IoT требует наличия соответствующего оборудования на базовых станциях операторов либо переоборудования существующего, работавшего на 2G, а модемы с поддержкой данной технологии в промышленных масштабах пока не производятся. Однако исходя из этих обрывочных сведений, можно сделать некоторые выводы:
- технология обещает быть более экономичной, чем решения на базе традиционных GSM-GPRS-3g-LTE модемов, тем не менее, потребление устройств будет в разы выше, чем в LPWAN решениях (согласно разным источникам порядка 50-100 мка в режиме ожидания).
- устройства имеют гораздо более высокую мощность передающего тракта, что потребует более мощной батареи (сравнимую с той, что и в GPRS модеме).
- стоимость модулей ожидается на уровне текущих GSM-модемов ввиду аналогичной сложности.
- габариты модулей также, думаю, не порадуют производителей миниатюрных устройств, да и батарея будет достаточно большой.
- также не ожидается поддержка обратной связи в режиме реального времени с приемлемой экономичностью.
- ну и с покрытием в будущем будут те же нюансы, что и сейчас с 2G сетями, а в данный момент его нет вообще и вряд ли существенные изменения наступят в течении 2х лет.
Подытожим - данная технология может с успехом заменить GPRS в системах со стационарным питанием и будет применяться в автономных приборах или датчиках с достаточно редкой передачей данных, не нуждающихся в управлении со стороны оператора. В принципе получаем тот же GPRS, но немного поэкономичнее. Одно радует – абонентская плата, по словам операторов связи, обещает быть ниже чем сейчас.
Радиосети для умного дома.
Технологии радиосвязи ближнего радиуса действия, такие, как Wavenis, ZigBee, Z-Wave и другие наверное не имеет большого смысла рассматривать, ввиду их явной ограниченности применения, сложности настройки, низкой энергоэффективности, малой дальности, низкой защищенности и т.д. Перспектив их массового применения не просматривается, хотя и возможна.
Отдельно можно остановиться на сетях персональной связи ближнего действия Bluetooth и Wi-Fi, они могут применяться, как облегчающие технологии снятия показаний потребителем. Такое решение тоже имеет место быть, но системой АСКУГ назвать их нельзя, т.к. это просто разновидность ручного сбора показаний потребителем или контролером со всеми присущими недостатками.
LPWAN технологии.
А вот на несотовых LPWAN технологиях дальнего радиуса действия постараемся остановиться немного подробнее.
LPWAN (англ. Low-power Wide-area Network — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия») — собирательное понятие ряда беспроводных технологий передачи небольших по объёму данных на дальние расстояния, разработанных для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей. LPWAN является одной из беспроводных технологий, обеспечивающих среду сбора данных с различного оборудования: датчиков, счётчиков и сенсоров
Общие преимущества LPWAN сетей
- Большая дальность передачи радиосигнала по сравнению с другими беспроводными технологиями используемыми для телеметрии: GPRS или ZigBee, Wi-Fi, Wavenis, достигает 10—15 км.
- Низкое энергопотребление у конечных устройств, благодаря минимальным затратам энергии на передачу небольшого пакета данных и небольшой разрешенной мощности передаваемого радиосигнала.
- Высокая проникающая способность радиосигнала в городской застройке при использовании частот субгигагерцового диапазона.
- Высокая масштабируемость сети на больших территориях, возможность обеспечить сбор данных в любом месте.
- Отсутствие необходимости получения частотного разрешения и платы за радиочастотный спектр, вследствие использования нелицензируемых частот.
- Невысокая стоимость устройств.
- Очень малые габариты устройств и элементов питания.
Несотовых LPWAN технологий на данный момент существует примерно около десятка, как зарубежных, так и отечественной разработки. Не имеет смысла рассматривать все из них, остановимся на рассмотрении 3х наиболее применяемых на данный момент в России.
Это зарубежная технология LoRaWan, которой владеет компания SemTech и продвигаемая международным Lora-Альянсом, отечественные протоколы XNB и Nb-Fi, разработанные компаниями Стриж и Вавиот (когда-то это была одна компания Стриж и протоколы имеют несущественные отличия, для краткости дальше будем просто называть их Стриж), а также технология LINC, разработанная компанией «РиА-Групп» и применяемая в системе сбора данных и управления устройствами IoT «Аура360».
Несмотря на общие достоинства, описанные выше, каждая из этих технологий имеет свои достоинства и свои существенные недостатки, ограничивающие их применение в различных отраслях.
Рассмотрим возможность применения каждой из них в рамках АСКУГ бытовых потребителей.
Каждая из этих технологий хорошо подходит для АСКУГ в части дальности передачи данных, энергоэффективности, миниатюрности и стоимости решений. Различия начинаются в возможностях каждой системы, которые мы свели в таблицу для удобности сравнения.
Данные взяты из сети интернет и могут быть не совсем точными.
Аура - LINC | Стриж/Вавиот | LoRaWan | |
---|---|---|---|
Происхождение технологии | Россия | Условно Россия (доработанный французский SigFox) |
США |
Частота передачи данных | Субгигагерцовый диапазон | Субгигагерцовый диапазон | Субгигагерцовый диапазон |
Ширина канала | 12,5кГц (UNB) | 100Гц (UNB) | 125кГц |
Скорость передачи данных | Базовая 1200 бит/с В разных режимах - 300-100 000 Бит/с |
Стандартный режим 100 бит/сек Возможны 1000 / 9600 бит/сек |
0,3 – 11 кБит/сек |
Длительность передачи стандартного пакета | Стандартный пакет около 0,4 сек | Стандартный пакет около 6 сек | При SF12 для максимальной дальности 2,7 – 3,5сек |
Интервал передачи данных для автономных устройств | По умолчанию 2 часа, (настр. от 1 мин до 1 года) |
12 – 24 часа | 12 - 24 часа |
Наличие обратного канала | Постоянный полудуплекс на всех режимах работы и на всех устройствах | Условно. Реализован на другой частоте с помощью отдельного передатчика и антенны (не для устройств на батарейном питании) |
Полноценно только в режиме С (не для устройств на батарейном питании) |
Режим сквозного канала | Да. Работает со всеми устройствами | Нет | Нет |
Дистанционное обновление программного обеспечения | Да. Работает со всеми устройствами. | Условно, на близком расстоянии (не для устройств на батарейном питании) |
Возможно в режиме С, для устройств на стационарном питании, в версии 1.1 |
Конфигурирование устройств | Да. Работает со всеми устройствами. | Только устройств на стационарном питании | Возможно в режиме С, для устройств на стационарном питании |
Работа без доступа в сеть интернет | Да | Нет | Нет |
Шифрование по ГОСТ | TLS1.3, длина ключей 256bit | xtea256 / aes128 | AES128 |
Режим ретрансляции | Да, до 5 уровней | Нет | Нет |
Старт технологии | Коммерческие внедрения с 2013 года | Коммерческие внедрения с 2014 года | Коммерческие внедрения с 2016 года |
Судя по этим данным, в зависимости от функционала газовых счетчиков можно применить ту или иную технологию. Например если от счетчика требуется передача данных раз – два в сутки, минимум данных – текущие показания, показания на конец суток, состояние тревог, напряжение батареи, невысокая защищенность данных, то подойдет и LoRaWan и Cтриж с Вавиотом.
Если же набор данных будет существенно больше и к стандартным данным добавить:
- показания температуры, газа и наружного воздуха,
- состояние отсечного клапана,
- показания датчика давления,
- уровень шума радиоэфира,
- уровень сигнала,
и необходимым функционалом и свойствами будут:
- высокая защищенность данных
- гибкая настройка интервала передачи данных от 1 минуты,
- удаленное управление счетчиком и клапаном в любой момент времени,
- возможность локального опроса с помощью мобильной станции,
- считывание расширенных данных и конфигурирование счетчика удаленно по радиоканалу,
- обновление прошивки радиомодуля,
- построение локальных сетей без использования интернета,
- возможность применения системы в условиях сложного рельефа местности,
то идеально подойдет для таких задач система «Аура360» с технологией передачи данных LINC. Тем более, что опыт построения системы АСКУГ бытовых потребителей на электронных счетчиках газа у Ауры360 есть.