Модули MBee-868 в системах сбора показаний с приборов учета

12 сентября 2015

СМКстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологии

Автоматизация процесса сбора показаний с приборов контроля и учета расходуемых ресурсов – одна из актуальнейших задач в сфере ЖКХ.

Оплата по показаниям счетчиков непосредственно за израсходованный объем, как показывает практика, экономически выгоднее, чем оплата за усредненный расход. Политика постепенного увеличения платы за средний расход, проводимая компаниями-поставщиками электроэнергии, стимулирует абонентов устанавливать приборы учета на воду и газ. Для компаний-поставщиков автоматизированный съем показаний счетчиков также экономически выгоден, так как повышает достоверность получаемых данных, позволяет оперативно отслеживать нештатные ситуации и значительно снижает ущерб от мошеннических схем.

Задача автоматизированного сбора показаний с приборов учета представляет собой серьезную инженерную проблему. Невозможность обеспечить электропитание в местах установки, труднодоступность этих мест, большое количество приборов на единицу площади в условиях плотной многоэтажной застройки и некоторые другие специфические особенности (например, большой межповерочный интервал счетчиков и связанные с этим требования к длительным срокам автономной работы) не позволяют создать единую систему сбора показаний с приборов учета, подходящую для всех возможных случаев.

В настоящее время известен и применяется на практике целый ряд технологий, на основе которых строятся системы автоматизированного сбора данных с приборов учета:

  • PLC-технология;
  • проводные сети сбора данных;
  • технологии, основанные на беспроводных публичных сетях передачи данных (GSM, 3G/4G, LTE);
  • автономные беспроводные сети малой мощности.

В системах, основывающихся на PLC-модемах, используется принцип передачи данных по силовым электросетям. Вследствие требований к безопасности данное решение неприменимо для водо- или газосчетчиков, и используется, как правило, только для автоматизации сбора данных с электросчетчиков. Высокая стоимость PLC-модема компенсируется значительной экономией на монтаже каналов связи. Применимость технологии ограничивается специфическими особенностями отечественных сетей, приводящих к снижению скоростей передачи данных и уменьшению расстояний устойчивой связи.

Для построения проводных систем имеется широкий спектр протоколов (LonTalk, MODBUS, M-bus), основанных на различных физических интерфейсах типа RS-485/422, CAN. Независимо от выбранного решения проводным системам присущ один общий недостаток – необходимость прокладки и поддержания в рабочем состоянии коммуникационных каналов. Это является серьезным препятствием для развертывания систем в уже построенных зданиях. Кроме этого, проводным системам свойственна высокая стоимость монтажа и запуска, а также определенные трудности при масштабировании и ремонтно-восстановительных работах.

Использование публичных сетей беспроводной передачи данных во многом избавляет от всех описанных ранее проблем проводных систем. Однако на практике такое решение малопригодно вследствие высокой цены владения, которая складывается не только из стоимости оконечного оборудования, но и из регулярных абонентских платежей. Трудной задачей является также обеспечение больших сроков автономной работы.

Беспроводные сети малой мощности обычно строятся с использованием унифицированных радиомодулей, которые работают на основе какого-либо стандартного или проприетарного эфирного сетевого протокола. Протоколы отличаются топологией сети, надежностью, максимальными скоростями передачи данных, защищенностью и так далее. Один и тот же радиомодуль может поддерживать несколько разных сетевых протоколов в зависимости от заложенного в него ПО. Существующие на данный момент протоколы позволяют подобрать оптимальное решение практически для любой задачи. К радиомодулям подключаются непосредственно или через согласующие элементы приборы учета и исполнительные устройства. Область покрытия подобной сети может достигать нескольких квадратных километров, а в случае использования ретрансляторов – еще большей площади . Такие сети характеризуются быстротой развертывания, большим сроком автономной работы, отличной масштабируемостью и отказоустойчивостью. Немаловажным преимуществом является также отсутствие необходимости получать разрешения или лицензии от соответствующих контролирующих органов вследствие использования для связи нелицензируемых участков диапазона. Совокупность этих характеристик дает таким сетям несомненное конкурентное преимущество перед сетями, основанными на иных технологиях.

Компания «Системы, модули и компоненты» («СМК») имеет большой практический опыт по созданию и сопровождению беспроводных систем передачи данных. Разработанные ею системы нашли применение в самых разнообразных областях. Они успешно работают в строительной индустрии, на железнодорожном и трубопроводном транспорте и так далее. При этом в последнее время наблюдается устойчивый рост интереса к беспроводным сетям именно со стороны структур ЖКХ. «СМК» имеет несколько разработанных и внедренных проектов в этой области. Уместным будет также добавить, что все системы создаются исключительно на основе радиомодулей собственной разработки. Такой подход значительно снижает зависимость заказчиков компании от конъюнктуры внешнего рынка, нивелирует потери от скачков курсов валют (все модули собираются и тестируются в РФ), а также делает возможным индивидуальную разработку радиомодуля под конкретный проект.

Рис. 1. Пример разработанной и внедренной структуры беспроводной системы учета от «СМК»

Рис. 1. Пример разработанной и внедренной структуры беспроводной системы учета от «СМК»

Один из вариантов разработанной и внедренной структуры беспроводной сети (рисунок 1) развернут в микрорайоне, состоящем из малоэтажных домов. Как видно из рисунка, сеть представляет собой совокупность локальных микросетей (терминология выбрана в соответствии с пожеланиями заказчика), объединенных с помощью проводной линии RS-485, проложенной по чердачным помещениям.

Рабочая частота сети 868,95 МГц. В соответствии с условиями технического задания, высота зданий не превышала пять этажей, поэтому было принято решение строить сеть на основе радиомодуля MBee-868-3.0 (рисунок 2) с выходной мощностью 10 мВт. По опыту работы «СМК» для большинства типовых панельных зданий такая выходная мощность позволяет обойтись без необходимости установки концентратора между этажами. Концентратор в этом случае устанавливается в закрытых чердачных помещениях, что повышает надежность и безопасность, а также упрощает монтаж проводных коммуникаций между подъездами. Неоспоримым преимуществом такого решения является простота и надежность используемой топологии «звезда». Как было указано выше, сеть работает в диапазоне 868 МГц, о его преимуществах и недостатках написано много. Всем известны плюсы данного диапазона – более высокие показатели (по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц) по дальности связи, а также лучшие характеристики при использовании внутри современных зданий. К минусам относятся сравнительно узкая полоса разрешенных для использования частот, а также меньшая допустимая выходная мощность и скорость передачи данных. По мнению инженеров компании «СМК», для целого ряда современных задач, включая задачи ЖКХ, данный диапазон является оптимальным вследствие его наименьшей загруженности. На частоте 2,4 ГГц работает огромное количество устройств Wi-Fi и Bluetooth, а частота 433 МГц используется всевозможными системами охраны и промышленной телеметрии.

Рис. 2. Радиомодуль MBee-868-3.0

Рис. 2. Радиомодуль MBee-868-3.0

Приведем более подробно описание части системы АСКУЭ (автоматизированной системы контроля и учета энергоресурсов), основанной на беспроводных модулях MBee-868-3.0, которое может заинтересовать разработчиков и системных интеграторов беспроводных сетей. Как указывалось выше, с помощью радиомодулей строится часть сети, именуемая в дальнейшем «Локальная микросеть». Базовые принципы построения локальной микросети:

  • Основной функцией, выполняемой модулями, является организация беспроводной сети с архитектурой «простая звезда без повторителей», а также реализация шлюза между беспроводной локальной микросетью и устройством сбора и передачи данных (УСПД).
  • Все модули MBee-868-3.0, входящие в состав системы, не имеют аппаратных отличий. Различия в функциях обусловливаются только внутренним программным обеспечением модулей, а также аппаратными вариантами переходной платы, на которой модули устанавливаются.
  • Каждый модуль имеет резидентную программу-загрузчик (bootloader), позволяющую обновлять программное обеспечение с помощью последовательного интерфейса, а также осуществлять настройку сетевых и интерфейсных параметров. Все модули имеют единую версию загрузчика.
  • Узел, находящийся в центре «звезды» локальной микросети, а также модуль, на котором он реализован, называется координатором (К). Все прочие узлы являются конечными устройствами (КУ).

Функции, реализуемые координатором локальной микросети:

  • прием по эфиру данных от конечных устройств;
  • накопление принятых пакетов в буфере входящих сообщений;
  • связь с УСПД посредством интерфейса RS485 (через микросхему-драйвер) по протоколу MODBUS (RTU);
  • размещение команд от УСПД конечным устройствам в буфере команд и передача их по эфиру адресатам.

Для поддержки этих функций координатор должен быть обеспечен постоянным питанием.

Функции, реализуемые конечными устройствами:

  • сбор и накопление данных (подсчет импульсов) от приборов учета;
  • передача данных координатору в соответствии с заданными интервалами времени;
  • немедленная передача сообщений при срабатывании датчиков экстренных ситуаций;
  • управление цифровыми выходами по командам координатора;
  • передача диагностической информации.

Конечное устройство является узлом с автономным питанием и большую часть времени проводит в спящем режиме.

Локальная микросеть состоит из одного координатора и нескольких конечных устройств. Связь между ними осуществляется по эфиру. Для правильной работы локальной микросети необходимо, чтобы все КУ, входящие в нее, и координатор имели бы один и тот же идентификатор микросети (ИМ), а каждое КУ, кроме того, имело бы еще и свой уникальный номер (сетевой адрес). Идентификатор и адреса присваиваются, как правило, всем узлам сети до этапа развертывания. Однако если на аппаратной платформе, на которой установлен модуль, предусмотрено подключение внешнего последовательного интерфейса, а также имеется системная кнопка и светодиод (опционально), то запись идентификатора и сетевого адреса возможна в уже развернутой системе. Координатором сети проверка на дублирование адресов КУ не осуществляется. Для обеспечения сосуществования в зоне радиовидимости нескольких локальных микросетей каждая из них должна иметь свой уникальный ИМ. Фильтрация идентификатора осуществляется аппаратными средствами радиоядра. При корректной настройке ИМ и сетевых адресов локальная микросеть работоспособна сразу после подачи питания и не требует никаких дополнительных действий. С целью уменьшения количества настраиваемых параметров для координатора сети идентификатор микросети совпадает с адресом в сети MODBUS.

Для организации межсетевого взаимодействия предусмотрена группа широковещательных адресов. Пакеты с такими адресами будут приниматься всеми координаторами в зоне радиовидимости. Инициатором обмена всегда выступает КУ. Оно осуществляет передачу данных в одном из двух случаев: при истечении заданного интервала времени или активизации одного из входов сигнализации об экстренной ситуации. Отправка первого пакета осуществляется КУ через 1 секунду после включения питания или сброса. Передача пакета, инициированная входом экстренной ситуации, не влияет на состояние внутреннего таймера КУ. В обоих случаях пакеты, отправляемые координатору, идентичны по составу данных. Пакет состоит из основных данных и диагностических параметров. К основным данным относятся значения счетчиков импульсов на счетных входах за все время работы данного КУ и байт, отражающий состояние цифровых входов/выходов. К диагностическим – напряжение на элементе питания и температура в месте установки КУ. Причины, приводяшие к выходу КУ в эфир, могут быть установлены с помощью ПО верхнего уровня при разборе байта-состояния цифровых входов/выходов. Принятые от КУ пакеты помещаются координатором в кольцевой приемный буфер. При исчерпании емкости буфера координатор размещает последнее принятое сообщение на месте самого старого по времени пакета.

Для связи координатора с УСПД используется последовательный полудуплексный интерфейс RS-485 (протокол MODBUS, режим RTU). Для оптимизации процесса обмена данными применяются собственные команды из диапазона MODBUS, разрешенного для пользовательских расширений. При получении команды чтения буфера координатор выдает запрашивающему устройству все данные, полученные им до настоящего момента. После этого буфер принятых сообщений очищается.

Рис. 3. Схема включения радиомодуля в КУ

Рис. 3. Схема включения радиомодуля в КУ

В системе предусмотрен обратный канал передачи данных в направлении «Координатор – КУ». Данные в обратном канале обычно представляют собой команды, исполняемые КУ. Передача данных в обратном канале осуществляется только адресно – то есть невозможно передать одну и ту же команду всем КУ одновременно. Принятый от УСПД пакет координатор размещает в буфере команд. Буфер команд никак не связан с буфером принятых сообщений. Поскольку все КУ являются спящими устройствами, то пакет из очереди команд будет передан адресату только после получения от него пакета данных.

Для успешной работы в соответствии с описанным выше алгоритмом на КУ после передачи пакета организуется таймаут ожидания данных от координатора. Если пакет, размещенный в очереди команд, еще не был отправлен адресату, а от УСПД получен новый пакет, предназначенный тому же КУ, то старый пакет будет переписан без какого-либо уведомления. Успешно переданный пакет помечается в буфере команд и при последующих выходах в эфир данного КУ повторно ему не передается.

Схема включения радиомодуля в конечное устройство представлена на рисунке 3.

Характеристики радиомодуля MBee-868-3.0

Микроконтроллер:

  • расширенное ядро MSP430;
  • размеры Flash-памяти: 32 кбайт;
  • размер SRAM-ОЗУ: 4 кбайт;
  • аппаратный модуль CRC-16;
  • аппаратный сопроцессор AES-128;
  • мощный контроллер DMA;
  • 6-канальное 12-разрядное АЦП с дифференциальными и однополярными входами, а также с широким выбором возможных конфигураций источников опорного напряжения;
  • два модуля USART с поддержкой SPI и UART;
  • сторожевой таймер;
  • до 30 линий ввода/вывода;
  • возможность подключения к линиям, настроенным на ввод подтягивающих резисторов как к GND, так и к Vdd;
  • индивидуальное назначение прерываний на каждую линию ввода/вывода;
  • аппаратный отладчик.

Радиоядро:

  • протокол верхнего уровня SimpliciTI;
  • рабочий диапазон частот: 868,7…869,2 МГц;
  • программируемая выходная мощность передатчика: до 10 дБм;
  • чувствительность приемника: до -110 дБм;
  • скорость передачи данных: до 115 Кбит/с;
  • тип модуляции: 2-FSK, 2-GFSK, 4- FSK, MSK;
  • тип антенны: внешняя, разъем SMA (UFL – опционально);
  • дальность связи вне городской застройки в зоне прямой видимости: до 4000 м.

Электрические характеристики:

  • напряжение питания: 1,8…3,6 В;
  • потребляемый ток в режиме передачи: до 65 мА;
  • потребляемый ток в режиме приема: до 45 мА;
  • потребляемый ток в режиме сна: 1,2 мкА;
  • максимальное напряжение низкого уровня на цифровых входах: 0,75 В;
  • минимальное напряжение высокого уровня на цифровых входах: 2,1 В.

Рис. 4. Габариты радиомодуля MBee-868-3.0

Рис. 4. Габариты радиомодуля MBee-868-3.0

На рисунке 4 указаны габариты модуля.

Модули обладают малым потреблением в спящем режиме, что обеспечивает длительный срок автономной службы устройства. Частотный диапазон позволяет добиться большой дальности связи как в плотной городской застройке, так и в частном секторе.

Для объектов ЖКХ, требующих большей дальности устойчивой связи, компанией «СМК» производятся модули MBee-868-2.0. Модули имеют высокую выходную мощность и лучшие показатели чувствительности. При этом они полностью совместимы по программному обеспечению и линиям ввода/ввода с модулями MBee-868-3.0. Их использование дает системному интегратору возможность развертывания сети на более сложных объектах (дома большей этажности) без внесения изменений в топологию и программное обеспечение.

Описанный вариант АСКУЭ хорошо зарекомендовал себя в качестве решения задачи сбора данных с импульсных водо- или газосчетчиков, установленных у конечных потребителей.

У компании «Системы, Модули и Компоненты» имеются также решения, предназначенные для учета энергоресурсов более крупными потребителями. К таковым относятся промышленные предприятия, многоквартирные дома и микрорайоны. Беспроводная часть таких систем также реализуется с помощью описанных выше радиомодулей. Однако имеются значительные отличия с точки зрения топологии, объема подключаемой периферии и аппаратного исполнения. В такой сети имеется возможность использования стационарных ретрансляторов, значительно расширяющих зону покрытия. Сбор данных возможен как со стационарного концентратора, обслуживающего несколько сотен конечных устройств, так и с помощью мобильного терминала. Мобильный терминал может быть размещен, например, в автомобиле, объезжающем заданный район по определенному маршруту. При этом все полученные данные фиксируются автоматически, не требуя наличия оператора или вмешательства со стороны водителя. Такой подход позволяет очень быстро развернуть сеть, отложив создание стационарной инфраструктуры (размещение ретрансляторов и концентраторов) на более позднее время. Наличие в аппаратной части конечных устройств энергонезависимой памяти значительного объема гарантирует заказчикам отсутствие неучтенных потребленных ресурсов даже в условиях длительного отсутствия связи с концентратором. Аппаратная платформа конечных устройств такой сети имеет повышенный уровень защиты от электрических помех и внешних воздействий. Ниже приводятся краткие характеристики конечного устройства такой сети:

  • число счетных входов: 4;
  • число аварийных входов (датчиков воздействия магнитным полем): 4;
  • число аналоговых входов 0…10 В (датчики давления): 2;
  • вход подключения внешнего температурного датчика NTC;
  • цифровой выход для управления внешними устройствами;
  • встроенная энергонезависимая память, обеспечивающая накопление параметров в течение 10 лет с интервалом 1 час.

Если в силу специфических требований заказчика использование диапазона 868 МГц является неприемлемым, то компания «СМК» может предложить целый спектр решений, основанных на протоколе ZigBee и предназначенных для радиомодулей собственной разработки, работающих в диапазоне 2,4 ГГц.

Заключение

С помощью современных отечественных разработок в области маломощных беспроводных сетей передачи данных возможно решение практически любой задачи автоматизации учета расходуемых ресурсов, актуальной в сфере ЖКХ.

Литература

  1. (http://www.sysmc.ru/documentation/sensor_network/SysMC%20Sub1G%20Sensor%20Network.pdf).
  2. (http://sysmc.ru/documentation/hw_mbs1g_3.pdf).
  3. (ссылка 3).
  4. (http://www.sysmc.ru/news/79/)
CMK_treshka_Mbee
•••

Наши информационные каналы

О компании Системы, модули и компоненты

Российская компания-разработчик ООО «Системы, модули и компоненты» (CMK) начала свою деятельность в 2007 году и специализируется на разработке маломощных беспроводных модулей для всех нелицензируемых диапазонов. Компания CMK имеет свой собственный штат инженеров, готовых оптимизировать свою продукцию под любое применение конечного изделия, при этом срок разработки не превышает двух – трех недель. Также на сайте производителя загружены и находятся в свободном доступе ряд стандартных прошивок п ...читать далее

Товары
Наименование
MBee-868-2.0-SMA-PLS12 (СМК)
MBee-868-3.0-WIRE-SOLDER (СМК)
MBee-868-2.0-WIRE-SOLDER (СМК)
MBee-868-2.0-WIRE-PLS10 (СМК)
MBee-868-2.0-WIRE-PLS12 (СМК)
MBee-868-3.0-WIRE-PLS10 (СМК)
MBee-868-3.0-WIRE-PLS12 (СМК)
MBee-868-3.0-RPSMA-PLS12 (СМК)
MBee-868-3.0-SMA-SOLDER (СМК)
MBee-868-3.0-RPSMA-SOLDER (СМК)