научный журнал «Актуальные исследования» #40 (67), октябрь '21

Организация децентрализованного коммуникационного взаимодействия устройств на основе LoRa

Статья посвящена разработке решения для автоматизации сбора и обработки информации с приборов учета потребления энергетических ресурсов. Рассмотрены основные коммуникационные технологии, используемые в IoT. Разработана логическая структура сети на основе предлагаемого подхода. Разработан лабораторный образец устройства, реализующий разрабатываемый подход для систем телеметрии ЖКХ.

Аннотация статьи
телеметрия
управление энергоресурсами
беспроводные коммуникации
учет потребления
LoRa
Ключевые слова

Активно проводимая сегодня цифровая трансформация затрагивает широкий спектр сфер человеческой деятельности. Наиболее яркими примерами участников этого процесса являются банковский сектор, государственный сектор, сфера развлечений и т.д. Но, по данным на 2018 год, среди всех прочих наименьшую долю цифровых технологий в своей структуре имеет сектор жилищно-коммунальных услуг - не более 2% [8].

Более того, по состоянию на 2018 год, доля автоматизированных приборов учета потребления в целом составляет не более 15%, причем эта цифра также учитывает промышленность, которой традиционно присущ высокий уровень автоматизации технологических процессов [2].

В данной работе рассматривается проблема разработки решений для автоматизации процессов сбора, и обработки данных с приборов, измеряющих потребление энергетических ресурсов: холодной и горячей воды, тепловой энергии, электрической энергии и т.д.

В рамках данной статьи решены следующие задачи:

  1. Проанализированы основные коммуникационные технологии, используемые в IoT;
  2. Разработана логическая структура сети на основе предлагаемого подхода;
  3. Разработан лабораторный образец устройства, реализующий разрабатываемый подход для систем телеметрии ЖКХ.

На сегодняшний день разработано большое множество технологий, способных обеспечить устойчивый канал связи, как проводной, так и беспроводной, не требуя при этом больших материальных или же энергетических затрат. Так как проблема автоматизации, стоит уже давно и достаточно широко, было введено понятие интернета вещей (IoT) – концепции сетей, обеспечивающих межмашинные коммуникации (M2M) различного рода устройств с целью создания особой цифровой инфраструктуры с высокой степенью интеграции.

Следует сделать краткий обзор наиболее популярных сегодня IoT-технологий и выделить слабые и сильные стороны в контексте решаемой задачи, то есть простоты и доступности организации сети как со стороны организации, обслуживающей счетчик, так и владельца помещения [3].

NB-IoT (NarrowBand IoT – узкополосный интернет вещей) – технология, базирующаяся на основе LTE Advanced, что дает ей широкий ряд преимуществ (низкая стоимость оборудования, развитая инфраструктура, обширная зона покрытия), за счет того, что базируется на основе сетей сотовых операторов. Данная технология предоставляет возможность операторам связи, помимо традиционных, оказывать услуги в более чем 50 сферах.

Скорее ограничением, чем недостатком данной технологии является необходимость использования SIM-карт, которое подразумевает дополнительные расходы на обслуживание. Также следует упомянуть, что в силу специфики работы подобных технологий, на приграничных территориях зачастую возникает пересечение зон покрытия операторов и устройство оказывается в зоне международного роуминга.

Sigfox – создана одноименной компанией для организации глобальных сетей интернета вещей, преимущественно включающих в себя простые устройства с низким энергопотреблением и малым количеством передаваемых в сеть данных. Функционирует в нелицензируемых диапазонах частот (868-915 МГц), а также имеет высокую степень энергоэффективности (заявляется до 20 лет автономной работы от двух батарей типа АА) и достаточно большой радиус эффективной передачи данных (заявлено до 50 км на открытой местности).

Ограничением технологии является малое количество передаваемых данных в рамках одного пакета: в сутки устройство способно отправить до 140 сообщений, содержащих максимум 12 байт полезной информации, что пригодно преимущественно для мониторинга одного – двух параметров. Кроме того, она является проприетарным решением, что ограничивает использование технологии для создания новых решений сторонними разработчиками и никак не представлено на российском рынке.

LoRa – сравнительно молодая технология, впервые представленная в 2015 году компанией Semtech, позволяющая разворачивать сети межмашинных соединений на расстоянии до 20 км и со скоростью соединения до 50 кбит/с. Максимальный объем одного передаваемого сообщения составляет 255 байт, что обеспечивает достаточную пропускную способность канала и одновременно сохранность данных. Также для защиты информации используется аппаратное шифрование AES – 64 или AES-128.

Ключевой особенностью технологии является открытый стек протоколов LoRaWAN, позволяющий обеспечить оптимальную работу сетевых устройств относительно возложенных на них задач. На территории Российской Федерации функционирует в частотном диапазоне 868 МГц.

Однако, при общей доступности и «открытости» технологии, при построении WAN сетей, существует ограничение в форме необходимости регистрации базовых станций, выступающих в роли координаторов узлов сети и промежуточного шлюза, через который поток данных от конечных устройств движется к серверному оборудованию.

Weightless P – это узкополосная технология LPWAN для IoT-решений, требующих высокую плотность конечных устройств, долгосрочную службу батареи, и двунаправленную связь. Особенностями этой технологии являются масштабируемость, оптимизация восходящей и нисходящей линии связи, широкая зона покрытия, длительный срок службы батареи и безопасная сеть. Преимуществом является большая емкость сети и относительно высокая скорость передачи данных.

В качестве ключевого недостатка данной технологии следует указать малый радиус передачи информации равный 2 км, что делает невозможным использование на приборах учета, расположенных на большом удалении от населенных пунктов или иных коммуникационных узлов.

Таким образом, среди всех прочих, было отдано предпочтение технологии LoRa, потому что при сопоставимом и, что важно, достаточном функционале она является открытой для сторонних разработчиков, что позитивно сказывается на динамике ее развития: создаются новые продукты, сообщества, базовая технология становится более доступной.

Как было указано ранее, выбранная технология требует наличия базовых станций для организации сети, и в случае, когда количество устройств не превышает пару десятков, ее покупка становится экономически нецелесообразной.

 Для решения данной проблемы разработана концепция для создания программно-аппаратного комплекса с целью организации коммуникационного взаимодействия в автоматических системах контроля учета потребления энергоресурсов со структурой (рис. 1) [5].

Рис. 1. Пример структуры организации сети сбора данных с измерительных приборов
КУ – коммуникационное устройство; МРС – модуль радиосвязи; МК – микроконтроллер

В основе создаваемого комплекса лежит автономное коммуникационное устройство, для реализации которого не требуется большого количества структурных элементов и функциональных узлов, среди которых ключевыми элементами являются микроконтроллер и модуль связи. В основе сети лежит одноранговая топология с динамической маршрутизацией.

В ходе разработке предлагаемого решения возникла задача разработки протокола, так как предлагаемый LoRaP2P функционал не обеспечивает должного уровня сохранности и приватности передаваемых данных.

Рассмотреть построение сети на базе предлагаемого решения решено в контексте общепринятой модели OSI [6].

OSI включает следующие уровни:

Физический (Physical): определяет форму представления данных и их обмена на уровне радиосигнала. Не затрагивается в ходе разработки, так как уже реализован на аппаратном уровне в передатчике, согласно стандарта IEEE 802.15.4 [7].

Канальный (Data link): Ответственный за адресацию и целостность пакетов данных (на физическом уровне). Состояние в рамках реализации аналогично физическому уровню – реализация уже осуществлена на аппаратном уровне.

Сетевой (Network): отвечает за логическую маршрутизацию. В рамках разрабатываемого протокола на данном уровне определены основные параметры части основного пакета передаваемых данных: поля, типы данных, объем полезной информации и т.д. За основу для разработки структуры пакетов данных был взят протокол ModBus, который успешно используется в системах автоматизации уже более 30-ти лет.

Транспортный (Transport): отвечает за сохранность доставляемой информации и ее доставку. На данном уровне регламентируется процесс маршрутизации и проведения сеансов связи.

Сеансовый (Session): ответственный за сеансы связи. Данный уровень не затрагивается в рамках протокола, однако реализован в виде специализированного серверного программного обеспечения, предназначенного для организации сбора и хранения данный с приборов учета потребления подключенных к устройствам.

Представительский (Presentation): представление и шифрование данных. Реализация шифрования стандартными алгоритмами для реализации требований по безопасности канала связи.

Прикладной (Application): предназначен для интерпретации данных для предоставления конечному пользователю.

Таким образом, реализуемый протокол охватывает сетевой и транспортный уровень сети по OSI. Для его реализации было решено использовать вышеупомянутый протокол ModBus в качестве шаблона пакетов данных: «нативная» интеграция данного протокола позволит упростить дальнейшее использование разрабатываемого решения на фоне засилья проприетарных протоколов, создаваемых буквально каждым производителем оборудования автоматизации, которые иногда не имеют обратной совместимости.

Для реализации разработанных алгоритмов был создан лабораторный образец устройства структуру которого составляют [4, с.131]:

  • микроконтроллер;
  • радиомодуль;
  • сетевой или автономный источник питания;
  • дополнительные компоненты, необходимые для стабильной работы устройства и реализации дополнительного функционала.

Для изготовления устройства были выбраны микроконтроллер ATMega 328Р. и сетевой модуль UM801LP, так как как они просты и удобны в использовании, а также имеют высокие показатели по энергоэффективности. Устройство питается от литий-ионного аккумулятора типа 18650 с номинальным напряжением в 3,7 В. Дополнительно, для индикации процессов работы устройства, осуществления коммуникационного обмена по линиям RX и TX интерфейса UART применена светодиодная сигнализация. Для обеспечения требуемого качества питающего напряжения используем линейный стабилизатор LM317, обеспечивающий 3,3 В.

В результате было разработано устройство, его схема (рис. 2 (а)), а внешний вид представлен на (рис. 2 (б)).

(а)

(б)

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема (а) и внешний вид (б) лабораторного образца устройства

Основываясь на предлагаемой схеме сетевого взаимодействия, была разработана схема организации сети с использованием разработанного устройства (рис. 3) [1].

Рис. 3. Структура сенсорной сети с использованием разработанного устройства

Данная структура включает в себя приборы учета потребления энергоресурсов (нижний функциональный уровень), коммуникационное оборудование (средний функциональный уровень) и серверная платформа (верхний функциональный уровень). На базе разработанной сети успешно производятся эксперименты, в частности по определению возможных конфигураций сети и вычислению оптимальных параметров передающих устройств в зависимости от внешних условий.

Разработка специализированных решений является ресурсоемкой задачей, требующей учитывания любых, пусть даже самых незначительных, нюансов, так как они могут оказать существенное влияние на конечный результат. В ходе исследования было замечено, что главной проблемой большинства новых технологий и устройств является их обособленность от других подобных и сложность использования в сторонних разработках. Такой подход может привести к тому, что изначально «прорывных» технологий могут просто остаться незамеченными в виду встреченных со стороны пользователей трудностями.

Таким образом, ключевыми факторами в проектировании любого устройства должны быть не только инновационные или экономические составляющие, но и комплексная доступность со стороны конечного потребителя.

Текст статьи
  1. Белоусов А.В., Кошлич Ю.А., Гребеник А.Г. Анализ корреляционной взаимосвязи технологических переменных систем управления энергоснабжением и жизнеобеспечением зданий // Информационные системы и технологии. 2016. Том 93. №. С. 57-62.
  2. Воронка российской цифровизации: кто лидер внедрения IoT в РФ? [Электронный ресурс]. URL: https://www.retail-loyalty.org/news/voronka-rossiyskoy-tsifrovizatsii-kto-lider-po-vnedreniyu-iot-v-rf/.
  3. Кумаритова Д.Л., Киричек Р.В. Обзор и сравнительный анализ технологий LPWAN сетей // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. № 4. С. 33–48.
  4. Смирнов, Ю.А. Технические средства автоматизации и управления: уч. Пособие / Ю.А. Смирнов. Санкт-Петербург: Лань, 2017. 456 с.
  5. Стан В.К., Кошлич Ю.А., Белоусов А.В. Технологические аспекты выбора аппаратной базы для построения коммуникационных устройств на базе технологии LoRa // ВОПРОСЫ МЕТОДОЛОГИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК: СОВРЕМЕННЫЙ КОНТЕКСТ: Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. 2019. С. 154-159.
  6. Эталонная сетевая модель OSI, уровни модели OSI [Электронный ресурс]. URL: http://infocisco.ru/network_model_osi.html.
  7. IEEE 802.15.4 standard document [Электронный ресурс]. URL: http://ecee.colorado.edu/~liue/teaching/comm_standards/2015S_zigbee/802.15.4-2011.pdf.
  8. Koshlich Yu., Trubaev P.A., Belousov A. An approach of energy resources control system design // 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference: Informatics, geoinformatics and remote sensing, SGEM. 201 Vol.18.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 16 октября по 22 октября
Осталось 4 дня до окончания
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
26 октября
Загрузка в eLibrary
26 октября
Рассылка печатных экземпляров
03 ноября