Moderné metódy diaľkových odpočtov, zberu a spracovania dát

Článok sa zaoberá problematikou diaľkového odpočtu stavu vodomerov v kontexte moderných technológií, ktoré umožňujú efektívny zber dát bez potreby manuálnych obhliadok. Popisuje základné typy snímačov (REED, OPTO, indukčné), ich výhody a obmedzenia v závislosti od typu inštalácie. Detailne analyzuje technológie diaľkového prenosu dát – najmä IoT siete (LoRa, Sigfox, NB-IoT) a rádiový odpočet (pochôdzkový, hybridný, fixný). Zdôrazňuje potrebu jednotného systému odpočtu kompatibilného s rôznymi typmi vodomerov a schopného integrácie s aplikáciou pre koncového používateľa. Výsledkom je návrh systémového riešenia, ktoré je škálovateľné a umožňuje postupný prechod od manuálnych k plne automatizovaným metódam zberu dát.

Úvod

Diaľkový odpočet dát sa v dnešnom svete veľkých energetických úspor a pri zodpovednom prístupe k nakladaniu s energiami, zdrojmi a finančnými nákladmi javí ešte dôležitejší ako v minulosti.

Jednoduchý automatický zber dát významne uľahčuje bežne používané spôsoby odčítavania stavu konvenčných mechanických vodomerov. Zaniká potreba obhliadky vodomerov, výjazdov servisných technikov, čo má za následok úsporu finančných prostriedkov prevádzkovateľa vodovodnej siete.

Systémové riešenie nám negarantuje len vysokú presnosť merania a promptný zber dát, ale navyše aj možnosť zberu ostatných ukazovateľov spotreby. Zvýšená prehľadnosť získaných dát umožňuje konečnému spotrebiteľovi optimalizovať spotrebiteľské správanie a prispievať tak k zodpovednému nakladaniu s pitnou, surovou aj odpadovou vodou.

Presnosť všetkých diaľkových odpočtov závisí od spoľahlivosti odčítania stavu vodomera. Pri mechanických vodomeroch môže dochádzať k odchýlkam medzi skutočným stavom vodomera a odčítaným stavom. Veľkosť tejto odchýlky závislosti od toho aká metóda odpočtu (resp. digitalizácia informácií) z mechanického vodomeru je použitá.

1. Princípy využívané na odčítanie (resp. digitalizáciu informácií) stavu vodomera

REED snímač  

– snímač sa zopne v prítomnosti magnetického poľa umiestneného na počítacom mechanizme vodomera

OPTO snímač

– Snímač zaznamenáva otáčky na pomocou optického senzora a reflexnej časti umiestnenej na počítacom mechanizme vodomera

INDUKČNÝ snímač     

-Snímanie otáčok je založené na indukčnom princípe ktorý vyvoláva pohyb indukčného plátku na počítačom mechanizme vodomera.

REED snímač je jednoduchá málo poruchová technológia ktorá sa vo veľkej miere používa na vodomeroch DN 50 a vyššie. REED snímače nie sú náchylné na nečistoty medzi snímačom a vodomerom a preto sa často používa v šachtách a znečistených priestoroch.
Táto technológia je veľmi náchylná na prítomnosť magnetického poľa a preto sa neodporúča  používať pre bytové a domové vodomery. V prítomnosti magnetického poľa nie je schopný REED snímač vytvárať pulzy a vzniká odchýlka medzi stavom vodomera a stavom ktorý je zaznamenaný REED snímačom.

OPTO snímač je technológia ktorá vyžaduje napájanie pre opto čidlo. Táto technológia nie je ovplyvniteľná magnetickým poľom a preto je výhodne použiť ju pre bytové a domové vodomery. Nevýhodou je veľká citlivosť aj na malé nečistoty medzi snímacím zariadením (opto čidlom) a vodomerom a preto sa neodporúča použiť danú technológiu do šácht kde môže dochádzať k zaplaveniu.

INDUKČNÝ snímač je technológia ktorá nie je ovplyvniteľná statickým magnetickým poľom a nie je citlivá ani na čistotu prostredia medzi snímačom a vodomerom. Snímanie je presné aj v prípade nánosu nečistôt medzi snímačom a vodomerom. Táto technológia je vhodná do každého typu prostredia. Teoretická možnosť ovplyvnenia správnosti odpočtu je iba za prítomnosti dynamického magnetického poľa. Takéto ovplyvnenie by viedlo k odčítaniu vyššej hodnoty aká bude reálne na vodomery. Preto sa s týmto druhom ovplyvnenia nestretávame.

Pri Smart vodomeroch nie je potrebné riešiť princíp odpočtu (resp. digitalizáciu informácií) z vodomera keďže každý takýto vodomer obsahuje modul (poväčšine pulzný) ktorý vysiela presné hodnoty z daného vodomera. V takomto prípade nedochádza k odchýlkam medzi odčítanou hodnotu a vodomerom.

Smart vodomery môžu byť vybavené vstavaným modulom pre IoT technológie, resp. modulom na rádiový odpočet.

2. Rozdelenie diaľkových odpočtov

Samotný diaľkový odpočet môže byť realizovaný viacerými technológiami prenosu informácií. Nastavenie prenosu informácií resp. typ diaľkového odpočtu závisí od požiadaviek vodárenskej spoločnosti. Diaľkové odpočty rozdeľujeme do dvoch veľkých skupín: IoT odpočet a rádiový odpočet. Niektoré IoT technológie sú založené na modifikovanej 868 MHz rádiovej frekvencií no spôsob a frekvencia posielania telegramov sa zásadne líši od „klasického“ rádiového (pochôdzkového) odpočtu ktorý je momentálne najviac rozšírený.

2.1.      IoT technológie

Najviac využívané sú LoRa, Sigfox, Nb IoT.

Odpočet za pomoci IoT technológií sa využíva najmä na monitorovanie kritických uzlov a vodomerov na veľkých prívodných potrubiach. IoT technológie nám umožňujú monitoring vodomerov v reálnom čase.  Tento typ odpočtov sa zaraďuje do fixnej siete. To znamená že informácie z vodomera sa plne automatizovane dostávajú priamo na dispečing (server).  Zber a uskladňovanie informácií je v dnešnej dobe ľahko dostupný proces. Bežným štandardom vo veľkých firmách býva, že z dostupných a nazbieraných informácií sa vytvára tzv. dátová hrobka. Aby sme predišli nahromadeniu takýchto údajov ktoré nikto nevyhodnocuje, je nutné zabezpečiť vhodné uskladnenie a vyhodnocovanie daných informácií. Preto je veľmi dôležité správne zadefinovať požiadavky ktoré má systém spracovania a ukladania dát spĺňať. 

SIGFOX – Sigfox sa nachádza z hľadiska dosahu kdesi medzi Wi-Fi a mobilnými sieťami s bunkovou topológiou. Na komunikáciu využíva frekvencie z pásiem ISM, ktoré sú dostupné bez nutnosti licencií (podobne ako Wi-Fi, Bluetooth a pod. sieť Sigfox operuje v pásme 868MHz.

Výhody SigFox:

• Pokrytie takmer na celom území SR
• Nízka cena komunikačných modulov

Nevýhody Sigfox:

• Vyššia spotreba energie oproti LoRaWAN
• Malý objem dát na správu – 12 B (Treba viac telegramov na získanie stavu vodomera)
• Bezlicenčné pásmo
• Nízka penetračná schopnosť signálu. Neschopnosť odpočtu z pivníc a šácht. !!

LoRa – Pracuje v modifikovanom pásme 868 MHz. LoRa je sieťová technológia s dlhým dosahom, ktorá umožňuje nízkorýchlostnú komunikáciu pripojených objektov. LoRa umožňuje prenos v exteriéri aj interiéri na väčšie vzdialenosti. Veľkou výhodou LoRa v porovnaní s celulárnou sieťou je autonómia prijímačov, ako aj náklady na používanie. Sieť LoRa je navrhnutá tak, aby čo najviac znížila spotrebu energie. Pripojený vodomer tak môže s jednoduchým modulom s batériou dosiahnuť niekoľkoročnú autonómiu. Dosah brány do 10 km vo vidieckych oblastiach a 1 km v meste.

Výhody LoRa:

• Otvorený protokol
• Nízka cena komunikačných modulov
• Výborná energetická efektívnosť komunikácie
• Komunikačné čipy obsahujú iba rádiovú časť (nie je nutnosť SIM karty)

Nevýhody LoRa:

• Náročnejšia implementácia systému prenosu informácií
• Sieť je budovaná len na národnej úrovni.
• Bezlicenčné pásmo
• Nízka penetračná schopnosť signálu. Neschopnosť odpočtu z lokalít pod zemou napr. zo studní, pivníc a šácht. !!

Nb-IoT – sieť vznikla modifikáciou LTE siete určenej pre mobilný internet (Cat. 4). Zúžila sa šírka pásma z pôvodných 20 MHz na 200 kHz a tým klesla komunikačná rýchlosť, ale zlepšilo sa pokrytie siete o cca 20 dB. Znamená to, že signál prenikne aj do deep-indoor, čo môže zabezpečiť pokrytie v podzemných garážach, šachtách alebo pivniciach. Pokrytie na SK poskytuje Slovak Telekom.

Výhody NB-IoT:

• Licenčné pásmo
• Väčší objem dát na správu (512 B) (možnosť posielania aj historických informácií)
• Veľmi dobrá spotreba porovnateľná s LoRaWAN pri dobrom pokrytí signálom
• Veľká penetračná schopnosť do šácht a pivníc.

Nevýhody NB-IoT:

• Spotreba energie potrebnej na komunikáciu nie je konštantná a závisí najmä od sily signálu + veľkosti zasielanej informácie.
• Drahšie komunikačné moduly
• Potreba SIM karty na každý komunikačný modul.

Vzhľadom na energetickú náročnosť vysielaného signálu menovaných technológií, môžeme z daných odpočtov očakávať informácie maximálne niekoľko krát za deň. Niektoré zo spomínaných technológií zvýšili granularitu odpočtov na 1 krát za hodinu. No aj pri takomto násobnom zvýšení frekvencie odosielaných hodnôt, nie je možné uvažovať o pochôdzkovom odpočte. Na realizovanie pochôdzkového alebo hybridného odpočtu potrebujeme odosielanie informácií minimálne raz za 10 sekúnd.  A preto je nutné dodať že všetky doteraz menované technológie odpočtov vyžadujú vybudovanie pevnej siete na zabezpečenie prenosu informácií.

2.2. Rádiové technológie

Na Slovensku sa využíva voľné rádiové pásmo 868 MHz.

Rádiové diaľkové odpočty sú realizované pomocou rádiovej frekvencie 868 MHz. Pre komunikáciu na danej frekvencií slúži rádiový modul (RM). Rádiový modul zbiera a vysiela informácie z vodomera. RM vysiela informácie ktoré pri diaľkovom odpočte zachytávame na anténu. Anténa slúži na zber informácií z RM a zároveň nám tieto informácie prenáša do elektronického zariadenia (notebook, tablet, smartfón…). Prenos informácií medzi anténou a el. zariadením je spravidla založený na Bluetooth alebo Wi-Fi technológií. Takýto systém odpočtu označujeme ako pochôdzkový odpočet. Takýto systém odpočtu vyžaduje zaškolenú obsluhu na používanie antény a softvéru inštalovaného v el. zariadení ktorý používa na odpočet. Po každom odpočte je nutné dané informácie stiahnuť z el. zariadenia a nahrať do používaného systému.

Pokiaľ anténa na zachytávanie signálu z RM posiela informácie pomocou GPRS tak sa jedna o hybridné alebo fixné siete(vysvetlenie v sekcií: Moderné metódy diaľkových odpočtov ). Pri samotnom odpočte odpadá nutnosť ďalšieho elektronického zariadenia (notebook, smartfón, tablet…) a zozbierané informácie môžu byť posielané priamo na úložisko z kade sú automaticky nahrané do systému na ďalšie vyhodnotenie.

Výhodou rádiovej technológie je najmä fakt, že umožňuje zber dát jak pomocou fixnej siete tak aj pomocou hybridných alebo pochôdzkových odpočtov. To znamená, že v prípade výpadku alebo poruchy ktorejkoľvek časti pevnej siete (alebo poruchy na strane mobilného operátora) je vždy možné vykonať odpočet pochôdzkovo. Túto možnosť pri IoT technológiách strácame a sme závislí od funkčnosti pevnej siete!

2.2.1.   Možnosti komunikácie medzi anténou a RM

1. a) Obojsmerná komunikácia:

-Výhody: RM začne vysielať až keď príde signál od antény. Toto šetrí energiu v RM a následné vysielanie môže prebiehať na vyššom výkone.

-Nevýhody: Komunikácia je pomalšia a preto nie je vhodná na odpočet z auta. Obojsmerné systémy môžu byť hacknuté na strane modulu. Nákladnejšie budovanie pevnej siete v dôsledku potreby extenderov pre väčšie pokrytie bezdrôtovej siete tým, že prijímajú signály od smerovačov a následne ich posielajú ďalej na spracovanie.

Pri takejto komunikácií sa využíva rádiová frekvencia aj na konfigurovanie samotných RM. To predstavuje potenciálnu hrozbu hacknutia RM a zmenu nastavení firmvéru.

1. b) Jednosmerná komunikácia:

-Výhody: RM vysiela pravidelne údaje o stave vodomeru v určitom časovom intervale. Toto zabezpečuje rýchly odpočet keďže nie je potrebné oživenie RM pomocou antény. RM je uspôsobený iba na odosielanie signálu -> Jednosmerné systémy nemôžu byť prelomené za účelom manipulácie s firmvérom systému rádiových modulov (bezpečné). Jednoduché budovanie pevnej siete.

-Nevýhody: Vysielací výkon je v dôsledku šetrenia batérie slabší. V špeciálnych prípadoch je nutné využiť možnosti umiestnenia RM mimo teleso vodomeru a umiestniť ho bližšie k poklopu šachty.

Nastavovanie a konfigurovanie takýchto modulov prebieha inou cestou ako rádiovým signálom. Najčastejšie sa využíva infračervené rozhranie. To znamená že na konfiguráciu modulov je treba ešte jedno nezávisle zariadenie no nie je možné (ani teoreticky) hacknúť firmvér RM.

Pre zabezpečenie ochrany dát a zrýchlenie odpočtov sa odporúča používať jednosmernú komunikáciu. Obojsmerná komunikácia nemá v prípade vodomerov žiadny význam keďže jediná informácia ktorú potrebujeme zistiť je stav vodomeru!!

2.2.2. Technológie získavania informácií pre RM z vodomerov

V zásade rozlišujeme 2 typy vodomerov z ktorých potrebujeme získať informácie o ich stave. Smart vodomery a mechanické vodomery:

-Smart vodomery môžu mať integrované RM ktoré vysielajú informácie o stave vodomera. V prípade že smart vodomer nemá vbudovaný RM, je možné RM pripojiť na pulzný výstup z daného vodomera. Pri smart vodomeroch spravidla nedochádza k odchýlke medzi skutočným nameraným stavom na vodomery a stavom ktorý udáva (vysiela) RM. Tak isto nedochádza ani k odchýlke medzi vysielanými pulzami a pretečeným množstvom. Z tohto dôvodu môžeme považovať takto získané informácie za 100 % pravdivé (Hodnota z RM sa vždy zhoduje s hodnotou na číselníku vodomera).

–Mechanické vodomery využívajú rôzne princípy na monitorovanie pretečeného množstva. Každá z nasledujúcich technológií môže byť priamo implementovaná v samotnom RM alebo sa využívajú  snímače prietoku ktoré posielajú do RM pulzy.

Na základe tohto či má rádiový modul priame napojenie na vodomer alebo pomocou dodatočného snímača, rozlišujeme 2 verzie rádiových modulov: kompaktný RM a oddelený RM.

1.)Kompaktný RM : je priamo namontovaný na vodomery. Vysielanie rádiového signálu ako aj  snímanie stavu vodomera je realizované jedným zariadením.

-Výhody: Nižšia cena keďže je čidlo súčasťou RM. Žiadne prepojovacie káble-> pri zlej tesnosti nedochádza k skratu.

-Nevýhody: RM musí byť umiestnený priamo na vodomery.

2.)Oddelený RM : je spojený s vodomerom pomocou čidla ktoré sníma stav vodomeru. Toto čidlo následne vysiela pulzy do RM.

-Výhody: Možnosť určenia polohy nezávislej od polohy vodomera.

-Nevýhody: Drahšie prevedenie. Spojenie káblov a čidla je citlivé na vlhkosť.

3. Súčasne využívané metódy diaľkových odpočtov

1. a) Pochôdzkový odpočet s vopred preddefinovanou trasou – pomocou bežných trasových pochôdzok za použitia štandardného komunikátora medzi RM vodomera a softvérom. Signál RM je zachytávaný na rádiový prijímač, ktorý je vysielaný do tabletu, mobilu alebo PC. Dáta je možné exportovať do informačného systému pre následné spracovávanie a archivovanie.

• založené na rádiovej frekvencii 868 MHz
• odčítané údaje sú zbierane na tablet a obsluhou prenesené do inf. systému.
• nutnosť zaškolenej obsluhy

1. b) Hybridný odpočet (počas jazdy z auta) – prostredníctvom zariadení umiestnených na vozidlách vodárenských spoločností alebo poskytovateľov služieb ako MHD/ smetiarskych vozidiel a pod.

• založené na rádiovej frekvencii 868 MHz
• zariadenia sú inštalované priamo vo vozidle a sú bez-obslužné
• nevyžaduje sa zaškolená obsluha
• odčítané údaje sú exportované automaticky (GRPS) na servery vodárenských spoločností
• odpočet z dopravného prostriedku rýchlosťou až do 40km/h

1. c) Fixná sieť pomocou statických antén umiestnených na vyšších budovách v lokalitách s inštalovanými vodomermi

• založené na rádiovej frekvencii 868MHz
• informácie sú zbierane kontinuálne počas dňa
• prenos informácií je plne automatizovaný

4. Záver

Technológie diaľkových odpočtov musia byť unifikované pre mechanické, ultrazvukové aj elektromagnetické vodomery. Zjednotením diaľkového odpočtu zanikajú náklady na prevádzkovanie viacero druhov antén a softvérových riešení ktoré vedia spracovať dané informácie.

Je potrebné zabezpečiť systém ktorý bude slúžiť na zber a spracovanie dát z pochôdzkového, mobilného aj fixného odpočtu a bude plne kompatibilný s existujúcim systémom slúžiacim na zber a spracovanie dát.

Jednotný systém odpočtov umožňuje postupný prechod z pochôdzkových odpočtov cez hybridný odpočet (spomínaný v moderných metódach diaľkových odpočtov) až k vybudovaniu pevnej siete.

Aplikácia musí mať možnosť vytvorenia platformy pre zákaznícku aplikáciu „end user app“ (aplikácia pre koncového užívateľa) v ktorej si bude môcť koncový zákazník sledovať stav svojho vodomera. Zároveň umožní vodárenským spoločnostiam odosielať informácie o poruchách, plánovaných odstávkach, kvalitách vody, zasielať elektronické faktúry a iné potrebné informácie.

Pri takto zadefinovanom systéme odpočtov eliminujeme nárazové investície ktoré vznikajú pri budovaní pevných sietí. Budovanie pevnej siete bude realizované pridávaním antén do rôznych oblastí bez toho aby to malo vplyv na zmenu programového vybavenia.

Ing. Ondrej Dvonč, ARAD Slovakia s.r.o.