Получивший в последнее время широкое распространение термин «Интернет вещей» и связанная с ним технология уже нашли свое применение в быту. К Интернету уже подключены телевизоры, холодильники, камеры видеонаблюдения, системы освещения и т.п. В тоже время в другие сферы, в частности, в промышленность, «Интернет вещей» проникает с большим трудом. Не в последнюю очередь это связано с тем, что в промышленности Интернет приходится конкурировать с существующими обширными и разнообразными системами коммуникаций. Учитывая необходимость защиты от стороннего проникновения и кражи коммерческой информации, интеграция конечного оборудования в Интернет вызывает дополнительные сомнения.
Тем не менее, развитие технологии «Интернет вещей» дало толчок к развитию беспроводных технологий, применение которых до недавнего времени было невозможно. Речь идет о беспроводных технологиях с ультранизким энергопотреблением. Одним из вариантов их реализации являются автономные беспроводные устройства, работающие в энергоэффективных сетях дальнего радиуса действия LPWAN (Low-power Wide-area Network). На текущий момент наиболее широкое распространение данная технология получила в системах учета услуг ЖКХ, но мы в настоящей статье рассмотрим некоторые решения для промышленности, сельского хозяйства и объектов инфраструктуры.
Что такое LPWAN
LPWAN — новый тип беспроводных сетей, разработанный для передачи данных телеметрии различных устройств на дальние расстояния для приложений, нетребовательных к скорости передачи данных.
По принципу работы LPWAN схож с сетями сотовой связи. LPWAN использует топологию «звезда», где каждое устройство напрямую передает данные по радиоканалу на базовую станцию. Станция принимает сигналы от всех устройств в радиусе своего действия и ретранслирует полученные данные на сервер, используя доступный канал связи: Ethernet, сотовую связь, спутниковую связь. Сервер осуществляет обработку и архивирование данных, а также предоставляет данные пользователям. Для обеспечения глобального доступа пользователи получают данные через Интернет или посредством сотовой связи.
На данный момент не существует единого стандарта передачи данных в сетях LPWAN, и различные производители предлагают собственные решения, характеристики которых существенно отличаются по отдельным параметрам. Для обеспечения доступа пользователей к сетям LPWAN производители по аналогии с сотовыми операторами разворачивают собственные сети и предоставляют услуги по подключению к этим сетям. Пользователи устанавливают устройства, оснащенные радиомодемами, поддерживающими соответствующий стандарт беспроводной связи, подключают данные устройства к сети оператора и получают доступ к данным с этих устройств.
Рисунок 1. Архитектура сетей LPWAN
На данный момент в мире существует несколько сетей LPWAN. Так, например, LPWAN французской компании Sigfox имеет покрытие в нескольких странах Европы и отдельных городах европейских государств. Российская компания СТРИЖ по данным на 2015 г. имеет развернутые сети в городах: Москва (включая Московскую область), Санкт-Петербург, Пермь, Уфа, Грозный, Новокуйбышевск, Ставрополь и Сыктывкар.
Рисунок 2. Карта зоны покрытия сети Sigfox в Европе
Беспроводные датчики
Беспроводные датчики, работающие в сетях LPWAN, по сути, представляют собой классические аналоговые датчики и/или дискретные датчики, сопряженные с измерительным преобразователем, который осуществляет преобразование измерений в физические величины контролируемых параметров и их оцифровку. Также в состав беспроводных датчиков входит радиомодем для работы в сетях LPWAN и батарейный блок для питания устройства. При необходимости устройства могут оснащаться модулями GPS/ГЛОНАСС или других систем глобального позиционирования.
Рисунок 3. Беспроводные датчики фирм «СТРИЖ Телематика» (Россия) и Libelium Waspmote Plug & Sense (Испания).
Отличие от классических решений состоит в том, что устройство большую часть времени находится в режиме ультранизкого энергопотребления в так называемом «спящем» режиме, и активируется на короткий промежуток времени, составляющий буквально несколько секунд. В активном режиме устройство получает данные от подключенных датчиков, производит необходимые процедуры самодиагностики, включающие, в частности, измерение остаточного уровня заряда батареи и передает полученные данные на базовуюстанцию.
В зависимости от частоты передачи телеметрической информации, благодаря большим периодам, когда устройство находится в «спящем» режиме и незначительным периодам активности, беспроводные датчики могут работать на одной батарее значительный промежуток времени. Некоторые производители заявляют, что продолжительность работы таких устройств на одной батарее при периоде опроса один раз в час достигает 10 лет. Фактически в качестве аналогового датчика в LPWAN-устройствах могут использоваться любые существующие датчики. Однако, зачастую, применение типовых датчиков, не адаптированных к жестким условиям, которые накладывает режим ультранизкого энергопотребления, может приводить к значительному сокращению времени автономной работы. Поэтому производители предлагают собственные решения, полностью оптимизированные для низкого энергопотребления датчиков. На данный момент производители предлагают большой набор такого рода беспроводных датчиков, позволяющих контролировать широкий спектр параметров: температура, влажность, давление, концентрация различных веществ, скорость и направление ветра, количество осадков, уровень различного вида излучений и т.п.
Решения на базе LPWAN
Система определения наличия автомобиля
Рост городов и, как следствие, лавинный рост количества личного транспорта приводят не только к увеличению трафика и пробок на дорогах, но также значительно затрудняет поиск парковочных мест как непосредственно на городских улицах, так и на закрытых парковках. Зачастую водителю приходится тратить время на поиск свободного парковочного места, что приводит к дополнительному расходу бензина и загрязнению окружающего воздуха. Беспроводные системы контроля определения наличия автомобиля, устанавливаемые на парковочных местах, позволяют через информационные системы уведомлять водителя о свободных местах на парковке. В зонах платных парковок такие информационные системы в совокупности с другими решениями могут также позволить заранее бронировать и оплачивать парковочные места.
Рисунок 4. Беспроводное оборудование в системах управления парковками
Система контроля за сельскохозяйственными культурами
Отсутствие физической коммуникационной инфраструктуры в сельской местности создает дополнительные ограничения при реализации проектов в сельском хозяйстве. Использование беспроводных технологий с автономными источниками питания позволяет в значительной мере снять эти ограничения.
Набор датчиков: контроль температуры и влажности почвы, диаметра стволов и стеблей, уровня солнечной активности, влажности и температуры окружающего воздуха, скорости и направления ветра, концентрации удобрений и др. позволяет точно определять моменты необходимости и количества орошения, внесения удобрения, снятия урожая и других организационных мероприятий.
Рисунок 5. Беспроводные датчики в системах контроля за сельскохозяйственными культурами
Системы мониторинга окружающей среды
Усложняющаяся с каждым годом экологическая ситуация, и, как следствие, ужесточающиеся законодательные и нормативные требования в сфере контроля различного рода загрязнений, приводят к необходимости повсеместного внедрения систем мониторинга окружающей среды. Использование для этих целей беспроводных автономных устройств может значительно расширить территориальный охват таких систем и позволит устанавливать датчики контроля в местах, ранее не доступных для существующих систем мониторинга, что, в свою очередь, даст возможность более точно контролировать и прогнозировать экологическую обстановку.
Для решения задач мониторинга окружающей среды в состав беспроводных устройств могут входить датчики температуры, влажности, концентрации CO2/VOC, освещенности, шума, скорости и направления ветра.
Рисунок 6. Беспроводные датчики в системах мониторинга окружающей среды
Помимо задач мониторинга окружающей среды аналогичные решения могут быть использованы для контроля состояния рабочих параметров на промышленных предприятиях. Беспроводные решения позволяют значительно расширить возможности контроля данных параметров за счет установки датчиков в местах, в которых размещение проводных датчиков является затруднительным или даже невозможным. Для оперативного контроля рабочих параметров в опасных зонах сотрудники, работающие в таких зонах, могут снабжаться носимыми беспроводными датчиками, которые также могут оснащаться аварийными кнопками обратной связи или системами контроля состояния человека: пульсометрами, датчиками давления и т.п.
Системы обнаружения лесных пожаров
Ежегодные пожары на обширных лесных территориях наносят ощутимый материальный ущерб, приводят к жертвам и становятся причиной экологических катастроф, а предупреждать пожары и, тем более бороться с ними крайне непросто ввиду большой площади лесов и удаленности инфраструктуры.Появление беспроводных систем для раннего обнаружения лесных пожаров может приблизить решение данной задачи. Комплексы беспроводных датчиков, которые благодаря технологиям построения mesh-сетей (сетей ячеистой топологии), позволяющим передавать данные как непосредственно на базовую станцию, так и транзитом через ближайшие датчики, дают возможность покрывать
такой сетью десятки и сотни километров. В отдаленных местах, где отсутствует какая-либо возможность передавать данные на базовые станции, подобные комплексы могут применяться в совокупности с системами наблюдения с воздуха, например, с помощью вертолетов, дирижаблей или, в перспективе, с помощью автоматических дронов, которые могут осуществлять регулярное патрулирование и собирать данные с изолированных удаленных участков лесного массива.
Рисунок 7. Беспроводные системы обнаружения лесных пожаров
Мониторинг мостов и сооружений
В настоящее время многие мостовые конструкции и сложные архитектурные сооружения оснащаются системами деформационного мониторинга на стадии проектирования. Но большинство мостов, зданий и сооружений не имеют таких систем. Решение этой задачи может предупредить возможное обрушение этих конструкций, а значит поможет избежать не только значительного материального ущерба, но и человеческих жертв. Особую сложность в решении проблемы мониторинга представляют сооружения, расположенные вдали от основных коммуникаций связи и энергоснабжения.
Мониторинг трубопроводов
Из-за большой протяженности трубопроводов мониторинг трубопроводных систем, предназначенных для транспортировки воды, газа, нефти и других продуктов, представляет непростую с технической точки зрения задачу, а также требует значительных материальных затрат. В тоже время поддержание таких трубопроводных систем в рабочем состоянии, а тем более ремонт и устранение возникающих неисправностей, не менее, если не более затратны. Использование беспроводных датчиков позволяет диагностировать возможные нештатные ситуации на ранней стадии. Помимо этого, автономные беспроводные датчики, не требующие внешнего питания, могут быть расположены по всей длине трассы трубопровода, что позволяет локализовать место повреждения и обеспечить более оперативный выезд ремонтной бригады.
Рисунок 8. Беспроводные датчики в системах мониторинга трубопроводов
Заключение
Представленные в данной статье решения охватывают лишь незначительную часть задач, в которых могут быть использованы беспроводные устройства с ультранизким энергопотреблением, работающих в сетях LPWAN. Сдерживающим фактором в распространении беспроводных устройств является общее несовершенство и «необкатанность» технологии. В частности, большие вопросы вызывает надежность работы беспроводной сети за продолжительные промежутки времени, а также заявляемые производителями сроки автономной работы, которые на практике могут оказаться существенно ниже. Высокие риски применения беспроводных технологий LPWAN накладывает также отсутствие единых стандартов, которые есть, например, в сетях сотовой связи. Отсутствие единых стандартов может, в конечном итоге, привести к т.н. «отказу в обслуживании», когда компания, продвигающая свой стандарт и оборудование, работающее только в одном определенном стандарте, по тем или иным причинам уходит с рынка и оставляет пользователя с оборудованием, несовместимым со стандартами других производителей. Несомненно то, что эти трудности носят временный характер, и будут разрешены с развитием технологий и рынка беспроводных автономных устройств, применение которых для решения задач телеметрии в промышленности, сельском хозяйстве и других областях представляется весьма перспективным, а в задачах, связанных с мониторингом удаленных объектов, чуть ли не единственным.
Источники:
1. www.strij.tech. Стриж-Телематика (Россия)
2. www.libelium.com. Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L (Испания)
3. www.sigfox.com/. SIGFOX (Франция)
4. www.ru.wikipedia.org.
