Kommunikációs technológiák, intelligens fogyasztásmérés

Előszó – Az „Okos” éra

Theodore Paraskevakos kifejlesztette az első távfelügyeleti rendszert, amely digitális távvezetékeket használt a telefonvonal-azonosító rendszer (Caller ID) spin-off-ként. Azóta a kommunikáció a legkritikusabb technológiai szempont az intelligens mérésnél. Így minden mérőtől elvárható, hogy megbízható és biztonságos módon küldjön adatokat egy központi szerverre. Figyelembe véve a mérőórák különböző környezeteit, ez nyilvánvalóan nem könnyű feladat.

Manapság a rengeteg különböző kommunikációs hálózat jelenlétében mindez még nehezebb. Eddig egyetlen megoldás sem bizonyult optimálisnak – a legtöbb vállalat olyan rendszert tervez, amely több kommunikációs technológia kombinációját használja fel céljainak eléréséhez.

Egy ideje új trend látható az intelligens mérési megoldások körében az Egyesült Államokban és Európában: a mobil LTE technológia növekvő használata.

A szélesebb körű mobil IoT részeként is ismert technológiák, például az NB-IoT és az LTE-M hálózatok, melyek számos előnyt kínálnak az intelligens okosmérőket, fogyasztásmérőket érintő projektek számára.

Mik ezek az előnyök?

1. Rövidebb végrehajtási idő
2. Alacsonyabb telepítési költségek
3. Kevésbé bonyolult infrastruktúra

Mindezek az előnyök szinte azonnal jelentkeznek, amikor az ügyfelek a legújabb mobilhálózatokra váltanak. Akkor miért nem váltanak át az energiaszolgáltatók ezekre a technológiákra?

A válasz az intelligens hálózatban található.

 

A smart grid hálózatok és az intelligens mérők felemelkedése

Az Egyesült Államok 2016 -ra 7,9 milliárd dolláros összberuházással az első ország volt, amely jelentős összegeket fektetett az Advanced Metering Infrastructure vagy röviden AMI hálózatok kiépítésébe.

A cél az elavult, korábbi energiahálózatok optimalizálása volt azáltal, hogy lehetővé tette a végpontok közötti digitális kommunikációt a közművek és az egyes mérők között, ezzel a teljes hálózat megfigyelését.

Míg az intelligens hálózatok nem csak mérőkből állnak (gondoljunk a megújuló energiákra, a töltőállomásokra, a valós idejű keresletre való reagálásra), ezek az összekapcsolt hálózat kulcs elemei.

Az intelligens fogyasztásmérők előnyei a közműszolgáltatók számára régóta ismertek:

• Az energialopások csökkentése
• Az energiafogyasztás előrejelzése
• A működési költségek csökkentése 
• Az energiatermelés nyomon követése
• Az ügyfelek elégedettségének javítása

De ezzel kapcsolatban az is kérdés, hogy mindez hogyan valósítható meg.

Hogyan érhetőek el ezek az előnyök, és mi az „intelligens hálózat” lényege? A válasz a meglévő eszközökre felépített, biztonságos és rugalmas, kétirányú kommunikációs infrastruktúrában rejlik.

 

Kommunikációs technológiák az okosmérésben

Az intelligens mérés gyakorlatilag a kommunikációról szól. Vessünk egy pillantást az intelligens mérésben használt különböző kommunikációs technológiák- és a rendelkezésre álló típusok fejlődésére.

Ezeket az alkalmazott átviteli közeg szerint kategorizálják, vezetékes- és vezeték nélküli technológiákra osztva. Kezdetben a fejlett mérési infrastruktúrák számára az alábbi két technológia volt elérhető:

1. Power Line Communications vagy PLC (vezetékes)
2. Rádiófrekvenciás háló vagy RF hálózat (vezeték nélküli)

 

Az utóbbi években azonban sok figyelmet fordítottak az alacsony-fogyasztású széles területet lefedő hálózatokra (LPWAN), melyek a mobil IoT-technológiák részét is képezik. Íme egy táblázat a legnépszerűbbekről:

A LPWAN technológiák spektruma az elmúlt években hatalmasat nőtt, és hihetetlen rugalmasságot ígér rendkívül alacsony áron.

Amikor néhány évvel ezelőtt úgy tűnt, hogy a nyílt forráskódú LoRaWAN technológia vezeti a trendet, a 3GPP szabványügyi szervezet úgy döntött, ideje megújítani két új mobilhálózati technológiát is: az NB-IoT és LTE-M hálózatokat. 

 

Alternatív vezetéknélküli technológiák az okosmérés számára

A vezetékes technológiák nem mindig felelnek meg az üzleti követelményeknek a mai környezetekben. Ezért az intelligens mérésnél alkalmazott vezeték nélküli technológiák fejlődésnek indultak és kiegészítették az eredeti távközlési infrastruktúrát. Az egyik legjelentősebb példa az RF Mesh hálózat (az alábbiakban ismertetjük), amely tökéletesen kiegészíti a PLC -t a fogyasztó jobb kiszolgálása érdekében.

1. Radió frekvenciás Mesh hálózat (RF Mesh)

A PLC-vel ellentétben ez a technológia lehetővé teszi a vezeték nélküli kommunikációt, mely az automatikus mérőolvasás (AMR) alapvető funkciója. Ezt a technológiát elsősorban az energiafogyasztás mérésére és az energiafogyasztótól származó adatok gyűjtésére használják. A PLC-vel párosítva jobb pontosságot és lefedettséget biztosít, és a PLC -hez hasonlóan különféle modulokat is igényel, amelyeket fel kell szerelni a mérőkre.

ELŐNYÖK

• Alacsony fogyasztású csatlakozás, mely alacsony költségeket és energiahatékony műveleteket tesz lehetővé;
• A vezeték nélküli kommunikáció feloldja a fejlett intelligens mérési funkciókat;
• A modulok könnyen beépíthetők a meglévő mérőkbe.

HÁTRÁNYOK

• Csak korlátozott hatótávolságra alkalmas, nagy koncentrációjú RF modulokkal;
• Jelzavar az azonos nyilvános frekvenciákat használó eszközök miatt;
• Sebezhető az olyan akadályokkal szemben, mint a vastag falak vagy fák.

 

2. Zigbee hálózat

Az RF Mesh hálózathoz hasonló, de kissé más módon működik. A Zigbee felhasználható mesh hálózat kiépítésére is, amelyet elsősorban intelligens mérők adatkoncentrátorokkal való összekapcsolására használnak, nem pedig intelligens mérők központból való vezérlésére/kapcsolására.

Alacsony megvalósítási költsége és bonyolultsága megoldást jelent az alacsony fogyasztású intelligens méréshez. Bár a Zigbee rugalmas jellegű, több hátránnyal is rendelkezik.

HÁTRÁNYOK

• Magas interferencia arány az azonos sávszélességet használó alkalmazásokból;
• Az engedélyezési díjak magasak, egyetlen licenc ~ 3500 USD;
• Korlátozott támogatás érhető el (legfeljebb ~ 65000 eszköz);

A Zigbee használata előnyös megoldás a fogyasztói piacon, például az otthoni automatizálás- vagy az intelligens világítás esetében, míg az RF Mesh megbízhatóbb alternatíva az ipari alkalmazásokhoz.

 

3. WiMax hálózat

A WiMax egy vezeték nélküli kommunikációs szabvány, amely kevésbé ismert a mérési térben (és sok vállalat teljesen figyelmen kívül hagyja a felhasználók közötti erősen megosztott sávszélesség miatt), de érdekes ajánlatokat tartalmaz. Az akár 75 Mbps adatátviteli sebességgel többnyire alternatív technológiaként használják a rögzített vezeték nélküli szélessávú hozzáférés biztosítására.

---

Míg a mobilhálózati IoT ma már az LPWAN család része, volt idő, amikor az alacsony fogyasztású mobilhálózati internet kapcsolat nem volt fontos. Sok szolgáltató elkezdett kísérletezni új, innovatív technológiákkal, hogy közvetlenül csatlakoztathassa az intelligens mérőt a adatközponthoz. Ennek eredményeként három technológia került kialakításra.

1. Nagy hatótávolságú nagy kiterjedésű hálózat (LoRaWAN)

Míg a PLC-t és az RF Mesh hálózatokat alaposan tesztelték és intelligens mérési célokra használták (részben az Egyesült Államokban az AMI erőfeszítéseinek köszönhetően), a LoRaWAN még viszonylag új technológiának számít, melynek megvalósítására csak néhány példa létezi. Ennek ellenére ígéretes technológia, amelynek használata olyan előnyökkel jár, mint:

• Az intelligens mérők csatlakoztatása akár 50 kilóméterre;
• Az intelligens mérők GPS nélküli követésének engedélyezése a földrajzi helymeghatározásnak köszönhetően;
• A szolgáltatók közötti interoperabilitás megteremtése nyílt szabványának köszönhetően;
• A falakba való behatolás képessége a beltéri mérők lefedéséhez.

Ezen felül a LoRa folyamatos támogatást és bővítést ígér. És bár nem kifejezetten használják az intelligens mérésben, a LoRa világszerte a legjobb protokoll jelenti a helyi IoT-hálózatok számára.

 

2. SigFox hálózat

A mobilhálózatok működéséhez hasonlóan a SigFox is inkább egyszerre csak egyes eszközöknek kínál fel szolgáltatásokat, nem pedig több készülék számára. Az ultravékony-sávú (UNB) kapcsolattal és megbízható architektúrával a SigFox zajhatása nagyon alacsony, így a rendszer nagyon gyenge jeleket tud lekérni a különböző típusú eszközökről. A protokoll a 868 MHz-es sávot használja.

---

Ez a két technológia lehetővé teszi számunkra, hogy bepillantást kapjunk a jövőjébe, így egy technológia marad az összes irányításra: az alacsony fogyasztású mobilhálózati kapcsolat.

 

A mobilhálózati kapcsolat fejlődése az intelligens mérésben

A mobilhálózati internet kapcsolatot világszerte számos felhasználási célra használják, nem csak a mobiltelefonos kommunikációra. Ez a 2G/3G korszakban már így volt, így ez nem új koncepció. Azonban az LTE technológia legújabb a mobil IoT fejlesztéseit elérhetővé tették az energiamérés piaci szektorának, mivel kifejezetten az alacsony fogyasztású eszközökre – például az energiafogyasztás mérőkre. Ezek a technológiák folyamatosan fejlődnek, a még gyorsabb csatlakozást ígérve a közelgő 5G „New Radio” (NR) szabványnak köszönhetően, amelyet 2022-ben terveznek kiadni:

 

• Frissítse jelenlegi 2G/3G mérési modemeit LTE-re
• Cserélje ki teljes infrastruktúráját új mérőórákkal
• Váltson az LPWAN kommunikáció más formáira

 

A legtöbb esetben az első lehetőség a legnépszerűbb választás, az alacsonyabb költségek miatt. Mivel egy ilyen nagy infrastruktúra felújítás időigényes és költséges.

Egyes közműszolgáltatók, akik ezt anyagilag megengedhetik maguknak, egy teljesen új infrastruktúrát választanak, – a második pont szerint – amely a legújabb technológiákon alapul, beleértve az intelligens mérőket – amelyek beépített LTE modemekkel rendelkeznek.

Az utolsó – és legkevésbé népszerű – lehetőség az alternatív kommunikációs formára való áttérés. Ezt messze a legnehezebb elérni, és sok kockázattal jár a végrehajtási szakaszban.

 

Miért használjon LTE technológiát az okosmérésre?

• Nincs szükség saját infrastruktúra telepítésére, mivel a közművek most már a mobilszolgáltatók által biztosított erős hálózatokra támaszkodhatnak;
• A költségek jelentősen csökkennek a kommunikációs hálózat stratégiai kiszervezésének köszönhetően, lehetővé téve a telepítési költségek és a megvalósítási idő csökkentését;
• A növekvő Machine-To-Machine (M2M) előfizetői piac szélesebb körű bevezetést és alacsonyabb összköltségeket jelent, nagyobb versennyel és lehetőségekkel a vállalatok számára;
• Széles országos lefedettség a meglévő üzemeltetők, nevezetesen az Egyesült Államokban működő Verizon mobilszolgáltató által évek óta – a kiépített infrastruktúrának köszönhetően.

Hogyan illeszkedik a mobilhálózati IoT a jelenlegi infrastruktúrába

A mobilhálózati technológiák egyre fontosabbá válnak az intelligens mérőeszközök telepítésében. Az újabb fejlesztéseknek köszönhetően a meglévő intelligens hálózatra is előnyöket nyújtanak. Az intelligens mérésben használt 2G/3G hálózatok többsége a Globális Mobilkommunikációs Rendszer (röviden GSM) része, amely alacsony forgalmú adatcsomaggal használja az általános csomagkapcsolt rádiószolgáltatást (GPRS). A mérőeszközök azonban hagyományosan nem kapcsolódnak mobilhálózatokhoz; az adatok általában összegyűjtésre kerülnek, és koncentrátorokon vagy ipari készülékeken (routereken) haladnak keresztül.

A keskeny sávú mobilhálózati IoT szolgáltatások révén azonban a mobilkapcsolat biztosítása koncentrált adatgyűjtés nélkül megvalósítható, közvetlen a mérő és az adatközpont között, mely sok esetben előnyös a közműszolgáltatók számára. Íme két népszerű lehetőség erre:

1. Narrowband IoT (NB-IoT) hálózat használata okosmérésre

A 3GPP által kifejlesztett NB-IoT-t (formálisan Cat-NB1/NB2) technológia – az LPWAN technológiacsalád részeként – mely a LoRa közvetlen versenytársa. Az IoT széleskörű mobilkapcsolatot kínál partnerhálózatainak köszönhetően. Ez az új technológia minden szempontból előnyös a közműszolgáltatók számára:

• Olcsóbb, mint bármely más M2M technológia a piacon;
• A globális hálózati lefedettség kiterjedt és fejlődő;
• Megbízhatósága páratlan az IoT szektorban.

Az NB-IoT alkalmazása azt jelenti, hogy olyan helyeken is el lehet érni vezeték nélkül a mérőket, amelyek egyébként eddig nem voltak elérhetők. Ez rendkívül előnyös az intelligens mérés szempontjából, mivel:

1. Nincs több kézi leolvasás a távoli területeken;
2. Nem igényel koncentrátorokat vagy átjáró eszközöket;
3. Egyszerű adatmegjelenítés az egységes műszerfalaknak köszönhetően.

Csakúgy, mint más technológiáknak, az NB-IoT-nak is megvannak a maga hátrányai, de ezek nagyon specifikusak az intelligens mérés tekintetében. Például az ICG-mérés nagyobb adatátvitelt igényel, mint amit az NB-IoT nyújthat, és ugyanez vonatkozik a hálózati terhelés kiegyensúlyozására is, amely közel valós idejű várakozást (latenciát) igényel az adatküldésben.

 

2. LTE típusú kommunikáció (LTE-M)

Ez a technológia nem olyan népszerű, mint az NB-IoT az intelligens mérésben a nagyobb energiafogyasztás miatt.

Azonban az adatátviteli sebesség és az adatküldés késleltetés itt is jelentősen javult. Míg az LTE-M hasonló teljesítményt nyújt nagyobb teljesítményarány mellett, jelenleg nem ez a választott technológia az intelligens méréshez. A szolgáltatóknak ebben az esetben saját tesztjeket kell futtatniuk.

Tehát összefoglalva, az NB-IoT és az LTE-M együtt a két legígéretesebb technológia a mobil IoT területen. Mivel az intelligens mérés az NB-IoT előnyeit élvezi, az LTE-M méltó versenyzővé válhat a jövőben.

 

LTE-kapcsolat (NB-IoT) beágyazása az intelligens mérőkbe

Az LTE -kapcsolat előnyei az intelligens méréshez egyértelműek, de hogyan építheti be a szolgáltató ezt az intelligens mérési infrastruktúrájába?

Itt jönnek be a képletbe modemek. A mobilhálózaton keresztüli kommunikációhoz, a hálózatra csatlakoztatott mérők többségéhez modemre van szükség – egy elektronikus eszközre, amely lehetővé teszi az adatcserét két gép között (a végpont és az adatközpont között).

Míg a hagyományos modemek jól ismertek és szinte minden háztartásban használatosak, az intelligens mérésnek kisebbnek, könnyen felszerelhetőnek kell lennie, alacsony költségűnek és megbízhatónak kell lennie. A 2G/3G modemről az LTE modemre való átlépés óriási ugrás, de egyes mérők nem rendelkeznek ugyanolyan frissítési képességgel, mint mások.

 

Alapkövetelmények az intelligens mérő csatlakoztatásához

A modemek lényegében kisméretű számítógépek, amelyek fel vannak szerelve a szükséges chipekkel és modulokkal a mérő mobilhálózatra való csatlakoztatásához. Ehhez a mérőnek néhány dologra van szüksége:

1. Kompatibilis interfész és stabil tápellátás;
2. A mobilhálózatokhoz való csatlakozás jóváhagyása;
3. Kompatibilis adatgyűjtési architektúra.

Beépített modemekkel rendelkező új mérőeszközök vásárlása bizonyos esetekben szerencsés (azaz amikor a mérő olyan öreg, hogy nem felel meg a fent kiemelt három alapvető követelmény egyikének sem).

A legtöbb mérőeszköz azonban csak az előírásoknak megfelelően bővíthető, és csak akkor felel meg az LTE-kapcsolat igényeinek, ha a mobilhálózati infrastruktúra már lefedi a telepítési területet.

Míg a villamosenergia-fogyasztásmérők gyakran csatlakozási porttal rendelkeznek, a gáz- és vízmérők általában nincsenek felszerelve ezzel a hardverrel, és előfordulhat, hogy az infrastruktúra nem felel meg a követelményeknek.

 

Az intelligens méréshez elérhető LTE-modemek típusai

A telepítési folyamat az eszköz gyártójától függ. Míg egyes modemek plug-and-play módban működnek, másoknál szükség lehet megfelelő frissítésekre.

Különböző típusú LTE-modemek állnak rendelkezésre intelligens mérési célokra, melyek teljesítményük szerint sebesség különféle kategóriákra vannak sorolva.

A legtöbb villanyóra olyan jól ismert márkáktól származik, mint a Honeywell (Elster), a Landis+Gyr és az Itron.

A modemek általában hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek minden eszközgyártó számára.

Néhány példa termékcsaládunkból:

1. WM-E1SL modem Landis+Gyr mérőkhöz

2. WM-E2S modem Itron mérőkhöz

Az első modemhez hasonlóan a WM-ES2 készülék is rendelkezik RS232 és RS485 csatlakozási képességekkel, de az Itron ACE6000, ACE8000 és ACE SL7000 mérőkhöz. Az elsőhöz hasonlóan ez a modem a mérő kapocsfedelébe szerelhető, és biztonságosan rögzíthető. A készülék LTE-kapcsolatot biztosít.

 

3. WM-E3S modem Honeywell mérőkhöz

Csakúgy, mint a fentiekben kiemelt két modem, a WM-E3S készülék is hasonló funkciókat kínál a Honeywell AS220, AS230, AS300 típusú mérőkhöz és a gyártó egyéb villanyóráihoz.

Minden modem egyedi szoftverrel rendelkezik a firmware vagy a konfiguráció távoli frissítéséhez, amely lehetővé teszi az eszközbeállítások önálló kezelését.

Az ilyen példák segítenek megtalálni az ideális megoldást a hálózat meglévő intelligens mérőihez.

További információkért böngészhet az intelligens fogyasztásmérő modem kínálatunkban.

 

Alkalmazkodás a mobilhálózati IoT és LTE kapcsolathoz, az intelligens mérők esetében

Mivel az NB-IoT vezető szerepet tölt be, így azt javasoljuk, hogy tesztelje az új generációs mobilhálózatokat a telepítési helyszíneken néhány mérővel – modemeink segítségével – hogy első kézből lássa az ismertetett előnyöket, mielőtt befektetne a teljes infrastruktúrájába.

Ha pedig a 2G hálózatról 4G hálózatra váltana, tekintse meg a fentebb ismertetett fogyasztásmérő modem kínálatunkat (melyek alakalmazása révén elérhetővé válik a 4G hálózat, 2G „fallback” funkcióval (az elsődleges csatorna kiesése/elérhetetlensége esetén a másodlagos hálózaton kommunikál tovább a készülék).

Mindezek a megoldások kisebb erőforrások felhasználásával megvalósíthatóak és kivitelezhetők a meglévő mérőkben.

A mobil IoT jelenlegi növekedése elképesztő lehetőség azoknak a közmű szolgáltató cégeknek, amelyek versenyelőnyt akarnak szerezni. Próbálja ki és kezdje el a tesztelést még ma!