Mérő-adatgyűjtő rendszerek adatkiolvasása LoRaWAN-hálózaton

Alig néhány éves a LoRa, a nagy hatótávolságú, vezetékmentes kommunikáció új „reménysége”, amely gyökerestől formálhatja át a vezetékmentes mérő-adatgyűjtő rendszereket nemcsak az ipar és az infrastruktúra számos területén, hanem akár a mezőgazdaságban is.

A vezetékmentes hálózatok számos területen jelentősen átalakíthatják a gép-gép közötti (M2M) kommunikáció megoldásválasztékát. A számos ígéretes technológia közt szükség volt (legalább) egy olyan megoldásra is, amely egymástól távoli, ritkán elhelyezkedő végpontok – tipikusan kis mennyiségű – adatát képes kis sávszélességgel, nagy (nyílt terepen akár 10 km-es) hatótávolsággal továbbítani. A Cycleo francia cég 2013-ban bejelentett szabadalmán alapuló LoRa rendszer, és a technológiára alapozott LoRaWAN (Low Power Wide Area Network) hálózati rendszer megfelelni látszik ezeknek az elvárásoknak, ezért máris számos gyakorlati alkalmazásra talált, és további, gyors térhódításával kell számolnunk.

1. ábra RF-modemek

A megindult fejlesztések eredményeképpen a francia ATIM ACW^® (ATIM Cloud Wireless^®) termékcsalád rádiómodemjei (1. ábra) az elsők között léptek túl a Modbus-alapú, 868 MHz-es sávban működő helyi M2M rendszerszemléleten és a LoRa technológia felé nyitottak. Cégünk, az SB-Controls Kft. is forgalmaz rendszermegoldásokat ezekre az eszközökre alapozva. Munkánk során gyakran találtuk szembe magunkat azzal a kényelmetlenséggel, hogy a LoRa szerverekről kiolvasható adatok hexadecimális adatmegjelenítése miatt az adatok értelmezése nehézkes. Ez gyártótól függetlenül, világszinten jellemző (2. ábra). Ennek feloldására az SB-Controls Kft. saját fejlesztésbe fogott, és létrehozta adatkiolvasó szoftverét, amely a felhasználó számára minimális jelentőségű eszközazonosító helyett a fogyasztási helyet, a hálózaton továbbított (hexadecimálisan megjelenített) bináris adat helyett fizikai mennyiségben jeleníti meg a LoRa-üzenet adattartalmát.

2. ábra A Loriot felhasználói felülete

Az RF-kommunikáció jövője: a LoRa

A 2015-ben bemutatott LoRa (Long Range) technológia a 868 MHz-es ISM sávban (ipari, tudományos és orvosi sáv – Industrial, Scientific and Medical band), engedélyezéshez nem kötött, kis teljesítményű rádióval (25 mW) akár 10…15 km távolság áthidalására is képes. Az adatátvitel a 128 bites AES titkosításnak és a kettős kódolásának köszönhetően teljesen védett a külső (illetéktelen, esetenként ártó szándékú) behatásoktól.
A kettős kódolás lényege, hogy a külső „burok” tartalmazza a hálózati adatokat és azon belül, mintegy belső, saját kódvédelemmel ellátott burokban helyezkedik el a „hasznos teher”, a felhasználói adat.
A LoRaWAN technológia egyik legnagyobb előnye robusztus üzemén kívül az energiahatékonyságában rejlik. Ugyanis a szenzor jelét több bázisállomás is veszi (3. ábra), de a hálózathoz a szenzor és a bázisállomás oldalon sincs szinkronizálás. Ennek köszönhetően az egyes szenzorok, képesek akár 3…5 évig is elemcsere nélkül, esetleg a környezeti „hulladékenergiából” gyűjtött energiát hasznosítva (energy harvesting) akár korlátlan ideig is működni, és közben információt, mérési adatokat szolgáltatni a felügyelni kívánt területről, berendezésről. Az esetek jelentős többségében a jellemző kommunikációs irány aszimmetrikus, vagyis az eszköztől a hálózat felé mutat. Ezek a kis fogyasztású kommunikációs modulok megkönnyíthetik a mérő-adatgyűjtő rendszerek kiépítését, növelve a hatékonyságot és az üzembiztonságot:

• a vízműveknél: mérőállások begyűjtésével, nyomásmérésekkel, esetleges vízbetörés jelzésekkel;

• távhő-szolgáltatóknál: mérőállások begyűjtésével, EX-es kivitelű eszközökkel gázméréseknél, nyomás és hőmérséklet mérésekkel és vízbetörés érzékeléssel;

• a mezőgazdaságban: a talajnedvesség, a hőmérséklet és a páratartalom mérésével, vagy a GPS-adóval ellátott eszközök esetében a legelő állatok nyilvántartásával;

• ipari üzemeknél: a telephelyen szétszórt, akár szigetüzemű mérők, érzékelők adatgyűjtésével.

3. ábra A LoRaWAN elvi vázlata

Kiolvasó szoftverek

A 2. ábrán látható adatmegjelenítés értelmezése gyakorlott szemet és némi időt igényel, hiszen a küldés időpontján, a frekvenciasávon és a portszámon kívül első pillantásra más adat nem felismerhető.

A gyakorlottabbak számára már a SeqNo oszlop adatai is értékelhető információval szolgálnak, hiszen az az adatcsomag sorszámát jelenti. A legfontosabb adatok értelmezése további feladatot ad, hiszen a Data, mint küldött érték egy hexadecimális karakterhalmaz, amelynek visszafejtése néhány percet is igénybe vehet. Természetesen az emberi számolgatás (és hibázás) kivédhető, ha egy rendelkezésre álló SCADA (pl: VisionX) szoftver azt kezelni és mértékegységgel együtt kijelezni is tudja. Azonban a „hagyományosnak” tekinthető PC-s megjelenítés is megkövetelte egy kiolvasó szoftver elkészítését, amelyre a továbbiakban még visszatérünk.

 4. ábra Impulzusszámlálás megjelenítése

Adatkiolvasási lehetőségek

Impulzusszámlálás: Elsőként az impulzusszámlálóval ellátott LoRa-modemek megjelenítését láthatjuk a 4. ábrán. A LoRa kommunikációra alapozott mérő-adatgyűjtő rendszerek kiépítése leghamarabb a fogyasztói méréseknél merül fel, ahol vízórát, gázórát, esetleg impulzuskimenetű villamos fogyasztásmérőt szeretnének rendszerbe illeszteni. Az ACWLW8-MR2-(EX) típusú RF-modemek fejlesztésekor a fő célterület a mérés volt, ezért 2 db – bármilyen – digitális impulzus vagy állapot továbbítására alkalmasak. Ahogy a megjelenítő képen látszik, a mérőazonosító helyén az eredetileg kommunikált „eszközazonosító” helyett már a hozzárendelt fogyasztó azonosítója jelenik meg, amely könnyen értelmezhető. A két mért érték kijelzése mellett találhatunk egy VSZ bem. elnevezésű oszlopot, amely az esetleges vezetékszakadás (vagy szabotázs) érzékelését hivatott jelezni.

5. ábra Analóg értékek kiolvasása

Analóg mérés és digitális jelek: Amennyiben analóg érték mérésére van szükségünk, úgy a 0…10 V/0…20 mA jel fogadására alkalmas ACWLW8-DINDA lehet a megoldás, amely LoRaWAN hálózaton 300 bit/s…10 kbit/s sebességtartományban képes adatokat küldeni a bázisállomás felé. Ahogy az ábrán látható, akár nyomásérték (5. ábra), akár folyadékszint kijelzésére is lehetőségünk adódik.

Érdekességként érdemes megjegyezni, hogy a modem tápfeszültsége 10…30 VDC, amelyet akár szigetüzemű „vízgenerátor” segítségével is biztosítani lehet, ami jelentős segítség lehet a vízművek számára a hálózatuk nyomásellenőrzési rendszerének kiépítésekor. Irodánkban a gyakorlati megvalósítás tesztelésére egy egyszerű kis vízturbinát használtunk, amelynek dokumentációja alapján maximális kimeneti feszültségként elvárt 18 V helyett 22 V feszültséget sikerült elérnünk, amely már gond nélkül, üzembiztosan képes az RF-modemet tápfeszültséggel ellátni.

6. ábra Modbus-eszköz adatainak megjelenítése

Adatcsomagok kiolvasása: Az automatizálás területén talán a leghasznosabb RF-funkció a „vezetékhosszabbítás”, amely transzparens modemek segítségével akár több száz méteres kábelezéstől tud megmenteni. Ez akkor tesz szert különleges jelentőségre, ha a kábelezést műszaki és/vagy jogi akadályok miatt nehéz, hosszadalmas, költséges, sőt nem ritkán lehetetlen kivitelezni. A 868 MHz-es szabadfrekvencián számos alkalommal használtuk már a soros kommunikáció meghosszabbítására az ATIM DINRS modemeket. LoRaWAN környezetben azonban még hasznosabbnak bizonyult, hiszen a ACWLW8-DINRS RF-modem egyszerre 6 db Modbus (RTU 8N1) eszközt tud lekezelni és eszközönként 16 regiszternyi adatot tud továbbítani adatcsomagok formájában. Ezáltal az impulzusadós mérőhöz képest jelentősen több adatot (Pl.: feszültség, áram, hatásos és meddő teljesítmény, teljesítménytényező – akár fázisonként is) gyűjthetünk villamos fogyasztásmérőnkből (6. ábra).

7. ábra Alkalmazási példa: napelemes rendszer távfelügyelete

Másik alkalmazási példáját mutatja a 7. ábra, ahol LoRa hálózatra csatlakozó RF-modemmel megvalósítható egy napelemes rendszer távfelügyelete is, amennyiben a telepített inverterek képesek a MODBUS RTU 8N1 kommunikációra.

Szerző: Dudás Anita – SB-Controls Kft.

SB-Controls Kft.

2038 Sóskút, Ipari Park 3508/64 Hrsz.
Tel: +36 23 501 170
Fax: + 36 23 501 180
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

 www.sb-controls.hu

www.saia-pcd.com

Még több SB-Controls