Автоматизация контроля и учёта ресурсов в сфере ЖКХ идёт семимильными шагами, можно сказать, что это веление времени — технологии достигли такого уровня, что автоматизация этих процессов становится не только возможной, но и достаточно легко осуществимой относительно простыми средствами.
Ну а лёгкость введения в строй новых современных систем учёта в сочетании с теми преимуществами, которые они дают, делает автоматизацию сферы ЖКХ просто неизбежной.
Сегодня мы поговорим об одном из аспектов этого процесса — беспроводных стандартах связи для автоматического снятия показаний счетчиков воды. Это тема довольно специфичная и может показаться немного сложной для неподготовленного читателя, но мы постараемся всё изложить предельно простым и популярным языком, чтобы вы могли понять все нюансы рассматриваемой темы.
Типичные примеры умных счётчиков расхода воды
Статья будет также полезной для молодых специалистов, только начинающих свой путь в мир высоких IT технологий и управления жизнеобеспечением современных городов, населённых пунктов, промышленных и сельскохозяйственных объектов.
Инфраструктура снятия показаний
Для того, чтобы понимать всё дальнейшее повествование, нам вначале нужно познакомиться с инфраструктурой снятия показаний счётчиков и устройством ЖКХ телеметрических сетей.
Базовая схема такой сети подразумевает наличие автономных умных счётчиков, установленных непосредственно в точках снятия показаний (в нашем случае на трубах горячего и холодного водоснабжения) и некой «базовой станции», которая агрегирует данные с этих счётчиков и пересылает их (проводным или беспроводным способом) через интернет на сервера хранения и аналитики обслуживающей ЖКХ компании.
Наряду с наиболее распространённой базовой схемой работы телеметрических сетей ЖКХ, существуют и различные варианты и модификации этих сетей. Например, в случае использования технологии NB-IoT отсутствуют базовые станции ЖКХ компании, а каждый счётчик имеет встроенную SIM-карту и передаёт данные напрямую операторам сотовых сетей.
Также есть варианты организации сетей, когда умные датчики имеют в своём составе Wi-Fi чипы и подключаются к общедомовым или даже индивидуальным квартирным роутерам.
Поскольку само направление автоматизации ЖКХ хозяйства ещё новое, то на рынке и среди решений присутствует множество вариантов и стандартов их реализации. Эти решения постоянно совершенствуются и конкурируют между собой и постепенно свободные рыночные механизмы естественным путём отбракуют неэффективные решения и оставят наиболее отвечающие потребностям людей и обслуживающих компаний (по критериям удобство/надёжность/стоимость и т. д.).
Далее мы кратко познакомимся с основными беспроводными стандартами связи для автоматического снятия показаний счетчиков воды и разберём их особенности, преимущества и недостатки.
LoRa
Начнём мы с LoRa — это, можно сказать, родоначальник всего направления снятия телеметрических показаний в сфере ЖКХ. Разработчикам стандарта удалось совместить несовместимое — сделать возможной связь (передачу данных) на дальние расстояния (от сотен метров до десятков километров) при небольшом потреблении энергии при передаче.
Технические подробности. LoRa (Long Range) — это энергоэффективный вид модуляции сигнала (линейная частотная модуляция). Для работы LoRa обычно используются разрешённый в России и свободный частотный диапазон 868 МГц (LoRa может работать также в частотном диапазоне 433 МГц и некоторых других), ширина канала 125 кГц (тоже может изменяться от 7,8 до 500 кГц), максимальная скорость передачи данных 5 кб/с.
Это удалось сделать благодаря использованию линейно частотной модуляции и высокочувствительных приёмников, позволяющих принимать сигнал амплитудой даже меньшей, чем уровень шума окружающего эфира.
Разумеется, как и за всё, нужно чем-то платить и за столь выдающиеся характеристики по дальности и энергоэффективности передачи данных, в данном случае пришлось заплатить низкой скоростью работы протокола — это максимум 5 кб/с. В результате LoRa может применяться только для передачи небольших объёмов телеметрической информации. LoRa также поддерживает двустороннюю передачу данных и различные классы оборудования.
Передающийся LoRa сигнал имеет возможность тонкой настройки своих параметров, позволяя настроить приёмник и передатчик в соответствии с решаемой задачей — больше дальность, скорость или помехозащищённость передачи.
Базовая схема LoRa передачи данных в сфере ЖКХ состоит из умных счётчиков (в основном только передающих данные) и базовых станций (шлюзов), имеющих радиус обслуживания около километра и работающих с несколькими сотнями счётчиков. Далее базовые станции, как правило, по проводным Ethernet каналам передают агрегированные данные на сервера в облачном хранилище для дальнейшей обработки, хранения и использования для тарификации и предоставления информации в личном кабинете пользователя системы.
Благодаря своей энергоэффективности умные LoRa-счётчики могут работать автономно от батарей годами. Реальная продолжительность жизни LoRa-счётчика зависит от конкретной модели, ёмкости установленной батареи и алгоритма взаимодействия счётчика с базовой станцией.
LPWAN и LoRaWAN
LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) — это дальнейшее развитие технологии LoRa, которое заключается в добавлении к базовому физическому уровню L1 сетевой модели OSI канального уровня и протокола передачи данных.
В варианте использования только LoRa технологии, разработчикам приходится самостоятельно решать проблемы сетевого взаимодействия между датчиками и базовой станцией, что не всегда удобно и легко реализовать. Поэтому использование готовой технологии LPWAN, объединяющий в себе и физический и канальный уровни передачи данных намного упрощает, удешевляет и ускоряет проектирование систем передачи данных и телеметрии.
LPWAN является базовым вариантом использования LoRa технологии для построения энергоэффективных сетей передачи данных и телеметрии. Существует также усовершенствование этой системы, которое называется LoRaWAN (Long Range wide-area networks). LoRaWAN добавляет новые улучшенные спецификации и протокол в стандарт LPWAN.
Поскольку отрасль беспроводной передачи телеметрии быстро развивается, то существует множество конкурирующих и дополняющих друг друга стандартов, в которых легко запутаться. Если представить всё предельно просто, то можно построить следующую иерархию зависимостей:
- LoRa — это стандарт модуляции сигнала и физический уровень беспроводной передачи данных.
- LPWAN — это объединение стандарта LoRa с канальным уровнем передачи данных и соответствующий протокол сетевого взаимодействия.
- LoRaWAN — это улученные спецификации и протокол передачи данных для LPWAN сетей.
В целом, в LoRaWAN удачно сочетаются в готовом виде как дальнобойность и энергоэффективность LoRa модуляции сигнала, так и готовые решения по передаче, приёму и маршрутизации данных.
Структурно схема организации LoRaWAN сети похожа на вышерассмотренную схему организации сети LoRa. Здесь также присутствуют (в основном однонаправленные) счётчики и базовая станция, собирающая с них данные. Дальнейшая обработка данных в облаке также происходит по вышерассмотренной схеме.
Стоит также отметить, что дальность связи между счётчиками и базовой станцией составляет в среднем около километра и может колебаться в зависимости от плотности и высотности застройки и прочих факторов. Часто для решения проблемы снятия показаний со счётчиков, установленных в неблагоприятных условиях (например, в подвалах) используется перекрытие обслуживающих участков несколькими базовыми станциями.
Ну и последнее, что хотелось бы здесь отметить, LoRaWAN является одним из самых популярных стандартов для построения сетей беспроводной передачи данных в ЖКХ. Также не забудем упомянуть, что это открытый стандарт, доступный для реализации всем желающим.
Узкополосные стандарты (Sigfox, UNB и т. п.)
Наряду с рассмотренными выше технологиями LoRa и LoRaWAN, существуют также так называемые «узкополосные» стандарты энергоэффективной передачи данных на большие расстояния, которые подходят для использования в сфере ЖКХ. Это стандарты UNB, XNB, OpenUNB, Sigfox, NB-Fi и т. п.
Основное их отличие от вышерассмотренных стандартов семейства LoRa заключается в том, что передаваемый сигнал занимает не широкую полосу в 125 кГц, а намного более узкую, например, в 1 кГц и даже меньше.
С одной стороны, благодаря более узкой полосе, удаётся сосредоточить энергию сигнала в небольшом промежутке частот и тем самым повысить его энергетику и соотношение сигнал/шум, но с другой стороны, при использовании такого подхода возникают некоторые трудно устранимые проблемы, наподобие необходимости использовать прецизионные высокостабильные (а значит более дорогие) кварцы для стабилизации несущей частоты передаваемого сигнала, а также значительно возрастает нагрузка на базовую станцию, которой нужно в реальном времени декодировать множество сигналов (каналов), что также не лучшим образом сказывается на её стоимости и сложности программного обеспечения.
Среди узкополосных стандартов есть как проприетарные UNB, XNB («Стриж»), Sigfox, NB-Fi, так и свободные, например, OpenUNB.
Построение сетей на узкополосных стандартах похоже на построение LoRa-сетей, только со всеми ранее отмеченными особенностями — более мощной и дорогой базовой станцией и большим количеством подключаемых датчиков (в нашем случае счётчиков). Также нужно отметить, что узкополосные сети строятся на основе вышеупомянутого стандарта LPWAN
Время жизни датчиков в узкополосных сетях также велико и при правильном их проектировании исчисляется годами от одного комплекта батарей.
NB-IoT
Теперь рассмотрим ещё один стандарт организации передачи данных, который используется в сфере ЖКХ. Речь пойдёт о стандарте NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) — это так называемый стандарт сотовой связи для устройств телеметрии, созданный для сотовых сетей нового поколения.
Основное отличие стандарта NB-IoT от рассмотренных выше заключается в совсем другой идеологии работы и передачи данных. Здесь уже не строятся специализированные WAN (сети масштаба района), а все заботы по сбору и транспортировке данных перекладываются на плечи специальных операторов (в настоящее время речь идёт о привычных всем сотовых операторах МТС, Билайн, Мегафон и т. п., в дальнейшем могут появиться специализированные IoT операторы).
Технические подробности. NB-IoT относится к т. н. CioT (Cellular IoT). Ширина частотного канала NB-IoT составляет 200 кГц. Бюджет линии связи 164 дБм. Максимальная скорость передачи данных около 100 кб/с. Передача сигналов в разных полосах частот у разных операторов в диапазоне от 453 до 2690 МГц.
Для связи используются устройства, имеющие в своём составе «симку» оператора и устройство может просто подключиться к соответствующей сети и начать передавать (получать) данные.
К достоинствам такого решения можно отнести простоту организации сети — все эти заботы берёт на себя оператор связи. К недостаткам можно отнести:
- зависимость от сотового оператора
- необходимость абонентской платы (например, на сайте МТС заявлена цена от 150 рублей в год)
- возможность работы только стационарных устройств
- большие задержки связи при использовании режимов энергосбережения
Но в целом, NB-IoT это жизнеспособная и развивающаяся технология энергоэффективной передачи данных на большие расстояния (в данном случае вплоть до глобального уровня, поскольку агрегацией данных занимается сотовый оператор).
Wi-Fi
Wi-Fi в сфере сбора и передачи ЖКХ данных стоит несколько особняком. С одной стороны это всем привычная и широко распространённая технология и Wi-Fi роутер есть практически в каждом доме и каждой квартире, но с другой стороны, Wi-Fi как технология имеет множество недостатков для применения в рассматриваемой сфере сбора данных в ЖКХ.
Технические подробности. Wi-Fi работает в диапазоне 2,4 ГГц и имеет широкую полосу пропускания, что с одной стороны хорошо, но с другой стороны широкая полоса пропускания не востребована в ЖКХ отрасли и, к тому же, приводит к повышенному потреблению энергии.
Основным недостатком рассматриваемой технологии является её значительное энергопотребление и сделать долгоживущий счётчик расхода воды на этой технологии весьма непросто, но, в принципе, возможно.
Также здесь отрицательными факторами являются небольшое расстояние передачи сигнала (около 100 метров) и неконтролируемость инфраструктуры передачи данных в случае использования, например, квартирного роутера. Эти проблемы тоже, в принципе, решаемые, но в целом Wi-Fi остаётся маловостребованной технологией в сфере сбора телеметрии в ЖКХ.
Проприетарные протоколы и системы
Ну и последнее, что хочется упомянуть в этом обзоре — это проприетарные (частные, закрытые и нестандартные) протоколы и системы. В принципе, в мире существует множество аппаратных и программных средств, позволяющих построить систему сбора телеметрии с приборов учёта и контроля расхода ресурсов в ЖКХ и некоторые компании выпускают свои нестандартные частные решения.
Подобные системы вполне могут работать хорошо и полностью выполнять возложенные на них задачи, но концептуально лучше конечно использовать стандартные (популярные) решения, а также ориентироваться в своём выборе на открытые хорошо документированные и поддерживаемые сообществом стандарты.
Более подробно узнать о протоколах связи для IoT вы можете из нашей статьи Протоколы связи для IoT.
Безопасность данных
Важным аспектом для всех рассматриваемых систем является проблема безопасности передаваемых и хранимых данных. Поскольку в сфере ЖКХ приходится иметь дело тарификацией расхода ресурсов, то вопрос обеспечения безопасности выходит на первый план — любая подобная система должна обеспечивать надёжное шифрование трафика на всех этапах передачи данных, а также иметь защиту от подделки и перепрограммирования (и клонирования) умных счётчиков и датчиков.
Сама тема безопасности IoT систем является очень обширной и выходящей за рамки этой статьи, об этом мы поговорим подробно в другой раз в одной из наших статей.
Заключение
В заключение можно сказать, что наиболее популярными и перспективными технологиями сбора телеметрии и данных в сфере ЖКХ можно назвать LoRaWAN и NB-IoT, но развитие техники не стоит на месте и, возможно, вскоре мы увидим и ещё более интересные стандарты и протоколы.
Более подробно узнать о производителях умных счётчиков воды вы можете из нашей статьи Производители счетчиков воды и контроллеров для удаленного снятия показаний.
