системы управления освещением по технологии LORAWan

[samsony1]

система управления освещением LoRaWan+PLC от Ambiot

Компания ámbiot занимается разработкой аппаратного и программного обеспечения, применяемого для автоматизации в сфере промышленного интернета вещей (IIoT) и умных городов, а также проектирует и разрабатывает интеллектуальные пункты энергоснабжения и умные опоры городского освещения. Главная задача компании — сделать IIoT простым и удобным. Использует идеологию гибридных систем. Вся продукция компании разрабатывается и производится в России.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks) - технология беспроводной передачи малого объема данных на большие расстояния, использующая топологию «Звезда».
Система состоит из нескольких компонентов: конечные устройства различных типов (сенсоры, контроллеры светильников), базовая станция оператора, предназначенная для сбора данных с конечных устройств для последующей их передачи на сервер сети.

Преимущества технологии LoRaWAN:
 - простой, быстрый и экономичный способ разворачивания территориально распределенной системы учета и управления;
 - высокое качество и надежность системы, обеспеченные адаптацией базовых элементов системы, прошедших многолетнюю успешную эксплуатацию;
 - возможность выборочной установки приборов только у проблемных потребителей для контроля, ограничения или отключения потребления электроэнергии, что значительно сокращает затраты на систему и дает возможность контролировать незаконные подключения, предотвращать хищения электроэнергии;
 - возможность оперативного и малозатратного расширения системы;
 - заказчик может проводить расширение системы самостоятельно;
 - технология обеспечивает высокую помехозащищенность каналов связи и надежное шифрование данных;
 - независимость от конкретного оператора связи, возможность развернуть свою сеть, приобретая в собственность базовую станцию, сервер LoRaWAN и ПО верхнего уровня;
 - стоимость точки учета значительно ниже, по сравнению с точкой учета оснащенной отдельно стоящим или встроенным GSM/GPRS –модемом.

подробнее - здесь
описание - здесь

[samsony1]

Применение беспроводных систем управления и мониторинга является актуальной тенденцией для многих отраслей. В том числе такие системы активно внедряются в уличное освещение. Новый импульс переходу на беспроводные технологии для данного применения дало появление новой технологии LoRa. И хотя она разрабатывалась для решения более широкого круга задач, в итоге именно освещение стало тем приложением, для которого преимущества технологии раскрылись наиболее полно.

Традиционный подход к управлению уличным освещением подразумевает включение и выключение группы светильников, параллельно подключенных к одной линии электропитания. На группу светильников устанавливается шкаф управления освещением, в котором находится так называемый астрономический таймер. Этот таймер по заложенной в него программе подает управляющие сигналы на включение и выключение питания группы светильников, в зависимости от времени захода и восхода солнца на данную дату в данной местности. Сигналы с таймера подаются на мощное электромеханическое реле, непосредственно исполняющее команды, включая и выключая подачу питания. Периодически шкаф открывается специалистами, осуществляющими обслуживание системы освещения, они проверяют работоспособность реле, коммутирующего питание светильников и, при необходимости, точно настраивают время, отсчитываемое астрономическим таймером.

Недостатки такой системы вполне очевидны: необходимость регулярного обслуживания оборудования, единственным способом отслеживания сбоев в промежутках между проверками являются жалобы жителей населенного пункта, сложности при добавлении в светильник дополнительных функций. Тем не менее дешевизна и автономность такой системы в пределах группы светильников (т. е. нужно подводить к шкафу управления только провода питания, но не провода связи) привела к тому, что именно такой подход сейчас повсеместно используется.

источник - здесь

[samsony1]

Известен и другой подход к управлению уличным освещением, когда сигналы на включение и выключение подаются на шкафы управления централизованно, с единого пульта, стоящего в диспетчерской. Для этого к каждому шкафу проложен кабель связи. В результате нет необходимости в обслуживании астрономических таймеров в отдельных шкафах. К тому же по кабелю связи можно получать данные мониторинга состояния оборудования в шкафу. Такой подход применяется на территориях, где высокая плотность населения (например, часть Москвы, находящаяся в пределах МКАД), а также на федеральных трассах. В остальных случаях прокладка кабеля связи является затратным мероприятием, не окупающим потенциальную выгоду.

LoRa относится к семейству технологий беспроводной связи под общим названием LPWAN (англ. Low Power Wireless Access Network — маломощные беспроводные сети). В это семейство входят протоколы, отличающиеся низким уровнем энергопотребления оборудования связи.

источник - здесь

[samsony1]

Зачем нужны беспроводные технологии?
В том случае, если применяется передача данных без проводов, становится рентабельной реализация централизованного управления всеми уличными светильниками, по крайней мере, в пределах населенного пункта, вне зависимости от плотности населения и статуса проходящих через него трасс. В простейшем случае мониторинг сводится к контролю наличия напряжения на проводах, по которым питание подается на группу светильников. Наличие напряжения в моменты времени, когда светильники должны работать, и отсутствие их в моменты, когда они должны быть выключены, свидетельствует о правильности работы реле. Поскольку реле является электромеханическим устройством, его неисправность является одной из наиболее распространенных причин, почему ночью не включается освещение на некоторых улицах.

источник - здесь

[samsony1]

Современные опоры уличного освещения выполняют множество функций. Например, на них, помимо светильников, устанавливают камеры видеонаблюдения и датчики экологического состояния окружающей среды. Планируется устанавливать на таких столбах еще и станции зарядки.

Традиционный подход требует подводить отдельное электропитание к дополнительному оборудованию, установленному на опорах освещения, поскольку питание светильника днем отключается. Для того, чтобы к опоре подходила только одна линия электропитания, необходимо обеспечить размещение реле коммутации рядом со светильником. Подводить кабель связи, через который бы подавались сигналы управления, к каждому светильнику, невыгодно, проще завести еще один кабель электропитания для дополнительного оборудования. Но беспроводное управление позволяет решить данную проблему и подводить к опоре только один кабель электропитания, круглосуточно находящийся под напряжением.

Светодиодные светильники можно без проблем диммировать в широких пределах, добиваясь тем самым снижения энергопотребления и уменьшения световой нагрузки на окружающую среду. На улицах, где в данный момент интенсивность движения транспорта низкая, уровень освещенности можно уменьшить, а где высокая — следует повысить. Для этого нужно подавать управляющие сигналы на каждый светильник. И, опять-таки, именно беспроводные технологии позволяют сделать такой подход экономически выгодным.

источник - здесь

[samsony1]

Принцип работы LoRa
Для мониторинга и управления в освещении и ЖКХ не требуются большие скорости передачи данных, зато требуется низкая стоимость оборудования и возможность длительной работы от автономного источника. Например, если светильник не работает, нужно точно определить, с чем это связано — с его поломкой или с отсутствием напряжения питания. Для этого приемопередатчик должен работать и при отсутствии напряжения в сети.

Название технологии LoRa расшифровывается как Long Range, то есть, в переводе с английского, «большая дальность». Максимальное расстояние, на котором обеспечивается связь между модулями, — до 10 км в условиях городской застройки. Для беспроводных систем связи, используемых для целей управления оборудованием, это большое расстояние.

На открытом пространстве и при высоко поднятой антенне дальность связи по протоколу LoRa значительно увеличивается. Мировой рекорд был установлен в 2017 г., когда при подъеме антенны аэростатом на высоту 38 м была достигнута дальность связи 703 км.

Технология LoRa была создана в 2008 г. французской фирмой Cycleo. В 2012 г. Cycleo была куплена американской компанией Semtech. В 2015 году Semtech создала LoRa Alliance — некоммерческую организацию по продвижению технологии LoRa, в которую сейчас входят более 500 компаний, в том числе такие известные как IBM и Cisco. С этого момента началось победоносное шествие LoRa по миру.


архитектура сети


источник - здесь

[samsony1]

Разработчики LoRa ограничили скорость передачи значениями, которые вполне достаточны для управления освещением, решения задач в области ЖКХ, транспорта и логистики. Теоретически максимальное значение скорости передачи, заложенное в протокол, составляет всего 50 кбит/с, на практике, чтобы LoRa-устройства не мешали другим средствам связи, его ограничивают на уровне около 5,5 кбит/с. Применение линейной частотной модуляции позволило сделать LoRa-устройства предельно дешевыми (стоимость коммуникационного модуля без источника питания начинается с 550 руб.), одновременно обеспечив хороший уровень защиты от помех.

LoRa содержит в себе протоколы двух уровней. LoRa PHY — это физический уровень ре-ализации технологии. Сетевой уровень, описывающий принцип построения сети с помощью LoRa, называется LoRaWAN.

Открытым сделан только протокол LoRaWAN. Что же касается LoRa PHY, то права на этот протокол полностью принадлежат компании Semtech. То есть оборудование LoRa может выпускать кто угодно, но только на основе чипов Semtech, алгоритмы работы которых не опубликованы.

LoRaWAN использует топологии сети типа «звезда» и «звезда звезд». В первом случае устанавливается одна базовая станция, соединенная со шлюзом LoRaWAN, и к ней напрямую бес-проводным способом подключаются конечные устройства, т. е. светильники. Во втором случае к шлюзу напрямую (по принципу «звезда») подключены базовые станции, каждая из которых беспроводным способом взаимодействует с конечными устройствами. В одной LoRaWAN-сети могут работать до 1 млн (!) устройств. Для уличного освещения даже крупного города вполне достаточно.

источник - здесь

[samsony1]

К недостаткам LoRa можно отнести относительно слабую защищенность от помех. Конечно, в диапазоне 868 МГц непреднамеренных помех почти нет, но если вдруг злоумышленники захотят поставить «глушилку», чтобы лишить город освещения…

Поэтому специалисты рекомендуют размещать конечные устройства в зоне видимости 2–3 базовых станций сети. В условиях наличия помех при связи с одной базовой станцией конечное устройство автоматически выбирает другую базовую станцию. Кроме этого, если местоположение базовых станций известно, можно достаточно точно определить, где находится конечное устройство по времени распространения сигнала до базовых станций. Модули GPS или ГЛОНАСС при этом не требуются.

Шлюз соединяется по каналу связи (Ethernet, мобильная связь, Wi-Fi и т. п.) с сервером LoRaWAN. В том случае, если оператор сети LoRaWAN существует отдельно от компании, ей, обслуживающей уличное освещение, предоставляя соответствующую услугу, клиент получает удаленный доступ к серверу LoRaWAN через TCP/IP-сеть.

Низкая цена LoRa-модулей и работа до 10 лет от встроенного элемента питания позволяет делать конструкцию модуля неразборной и полностью герметичной, то есть устойчивой к воздействию окружающей среды. Это очень важно именно для уличных светильников, поскольку для нормальной работы модуль беспроводной связи должен выступать из корпуса.

источник - здесь

[samsony1]

В России и других европейских странах LoRa работает в диапазоне 868 МГц, не столь загруженном, как 2,4 ГГц. Использование этого диапазона не требует лицензирования, однако, с 2020 года базовые станции LoRa подлежат обязательной регистрации. В Роскомнадзор было внесено предложение о том, чтобы регистрировать базовые стан-ции только российских производителей, однако на момент подготовки статьи официальная позиция Роскомнадзора по данному вопросу не была опубликована. Тем не менее если такое ограничение будет введено, существенных проблем оно не вызовет, так как базовые станции LoRa уже массово производятся российскими предприятиями, а использование в них импортных чипов не запрещено. Регистрация конечных устройств не требуется.

Технология LoRa позволяет обеспечить централизованное беспроводное управление уличным освещением с минимальными затратами. Благодаря ей появляется возможность расширить набор функций уличного светильника. Сети LoRaWAN могут использоваться одновременно как для уличного освещения, так и для других объектов городской инфраструктуры. Их развертывание стало первым шагом на пути к реализации концепции «умного города».

источник - здесь