Как да подберете LoRaWAN водомери, съобразени с градските водни мрежи?

Предизвикателства при разгръщането в градовете на LoRaWAN водомери

Заглушаването на сигнала представлява сериозно препятствие за разгръщането на LoRaWAN водомери в плътно застроени градски райони. Подземната инфраструктура – включително подруми, вентилационни камери и мрежи от чугунени тръби – значително влошава радиочестотните сигнали. Металните тръби отразяват радиовълните, докато бетонът и почвата ги абсорбират, създавайки сериозни пречки за свързването.

Емпирична загуба на пакети: 42–67% в подземна инфраструктура (IEEE IoT Journal, 2023)

Водомерите, поставени под земята, просто не работят надеждно според полеви изследвания. Проучване, публикувано в IEEE IoT Journal през 2023 г., установи, че между 42 и 67 процента от данните се губят по време на тестване в градски среди, особено когато водомерите се намират в бетонни кутии за вентили или в подземни етажи на сгради до комунални уредби. Тези прекъсвания в надеждността сериозно затрудняват точното откриване на течове, причиняват проблеми с клиентските сметки и водят до множество лъжливи сигнали, тъй като сигналите периодично пропадат. Затова се нуждаем от по-добри начини за управление на предаването на сигнали, ако искаме тези системи да работят правилно въпреки всички препятствия от заобикалящата ги среда.

Техническо съгласуване: Оптимизиране на спецификациите на LoRaWAN водомери за градски среди

Настройка на връзката: Компромиси между печалба на антената, фактор на разпръскване и мощност на предаване за подземно разположение

Оптимизирането на LoRaWAN водомери за градска инфраструктура изисква прецизни корекции на линковия бюджет, за да се преодолее влошаването на сигнала в предизвикателни среди като мазета и технически тунели. Три ключови параметъра изискват внимателно балансиране:

• Усилване на антената (обикновено 2–5 dBi) трябва да се увеличи, без да надхвърля физическите ограничения по размер на корпусите на водомерите
• Фактор на разпръскване (SF7–SF12) трябва да се променя динамично — по-високи стойности на SF увеличават обхвата, но намаляват скоростта на предаване на данни и живота на батерията
• Мощност на предаване изисква калибриране, специфично за региона, между +14 dBm (ЕС) и +20 dBm (САЩ), за да се максимизира проникването през почва и бетон, като същевременно се спазват регулаторните ограничения

Анализът на реални данни от градски инсталации показва, че увеличаването на усилването на антената с 3 dB всъщност може да подобри процентите на получаване на пакети между 18 и 22 процента в тези стари системи с чугунени тръби. Междувременно, при използване на адаптивно превключване на коефициента на разширяване, загубите на пакети рязко намаляват от около 67% до под 15% във вентилационните камери. Но тук има и един важен недостатък. Увеличаването на предавателната мощност само с +3 dBm води до съкращаване на живота на батерията с приблизително осем месеца, което е доста сериозно за всички тези уреди, работещи на батерии. Най-успешните проекти са намерили начини да преодолеят този проблем чрез техники за прогнозиране на загубите по предавателния път. Те всъщност предварително определят какви настройки работят най-добре в зависимост от дълбочината на инсталацията и от материала, който я заобикаля. Този подход позволява над 90% успешни качвания дори в по-стари градски райони, където никога не е планирана безжична свързаност.

Проверена имплементация: Модернизиране на съществуващи мрежи с уреди за измерване на водата чрез LoRaWAN клас B

Пример от Барселона: Картографиране на инфраструктурата и анализ на проводимостта на почвата, базирани на ГИС

Когато става въпрос за модернизация на старите водни мрежи, Барселона пое водещата роля, като внедри водомери с клас B LoRaWAN в цялата си система. Започнаха с подробно GIS картографиране, обхващащо около 1200 километра подземни тръби. Стратегията им за цифров двойник обедини информация за проводимостта на почвата и проникването на сигнали в сгради, което им помогна да открият 57 проблемни точки, където чугунени тръби и мазета намаляваха силата на сигнала. Инженерите проучиха електромагнитните свойства в различни типове почвени слоеве и определиха най-добрите места за поставяне на шлюзове близо до жилищни блокове, като избягваха зони с метални смущения. Проучванията показаха, че районите с много глина намаляват обхвата на сигнала почти с 40%, затова те трябваше да коригират честотите според местните условия. Това внимателно планиране преди инсталирането осигури правилното разположение на водомерите и намали загубата на пакети от данни от обичайните 67% при мрежи без такава оптимизация.

Резултати: 91% успешна връзка нагоре чрез увеличаване на плътността на шлюзовете и адаптивна скорост на предаване на данни (ADR)

Когато Барселона приложи своя план за разполагане на водомери, базиран на ГИС, резултатите бяха впечатляващи – 91% успешни връзки за всички 15 000 инсталирани LoRaWAN устройства, което беше почти два пъти повече в сравнение с тестовия етап. Какво направи това възможно? Е, те добавиха още шлюзове в зони със слаб сигнал, като по този начин увеличиха плътността на обхвата почти четири пъти. В същото време внедриха умни алгоритми, които коригираха скоростта на предаване на данни според действителните условия на сигнала в даден момент. Системата повишаваше силата на предаването при голямо смущение, но въпреки това осигуряваше живот на батериите от около десет години благодарение на 99% ефективни цикли на спящ режим. Всички тези подобрения означаваха значително по-малко повторни опити за предаване на данни (с намаление от 76%) и много по-добра точност при откриване на течове – до около 15 метра разстояние. Местните власти съобщиха, че само след един таксов период след инсталирането градът е спести 23% по-малко загуба на вода в сравнение с предходния период, което доказва, че операциите от клас B работят отлично дори за критични водни системи.

Готовност за бъдещето: Хибридни топологии за надеждни мрежи за водомери с LoRaWAN

Релета с мрежова помощ в жилищни зони с високи сгради за преодоляване на загубите при преминаване през сгради

Губенето на сигнал в сгради продължава да бъде сериозен проблем за водомерите LoRaWAN в гъсто застроени градски райони. Бетонните стени и стоманените конструкции могат значително да намалят силата на предаването с между 20 и 40 децибела. Затова някои компании инсталират мрежови реле в места като асансьорни шахти или технически вертикални трасета. Тези реле действат като повторители, създавайки множество пътища около препятствия, които блокират директните сигнали. Когато водомерите са разположени дълбоко в сградите, например в механични помещения в подземни етажи или зад дебели стени, възлите реле улавят слабите им сигнали и ги изпращат отново по-силно. Тази конфигурация означава, че не са необходими толкова много скъпи шлюзове и намалява загубените данни пакети приблизително с 70% в високи сгради. Повечето инсталиращи установяват, че разполагането на релета на всеки три до пет етажа дава най-добри резултати, когато се вземе предвид поведението на радиовълните в различните видове строителни конструкции. Освен това, тъй като мрежовите мрежи могат автоматично да пренасочват трафика при отказ на един участък, екипите за поддръжка не трябва да се притесняват от прекъсвания в услугата от водомери, намиращи се на труднодостъпни места, и всичко това без допълнителни разходи за хардуер.

Практическа рамка за избор при внедряване на умни водомери с LoRaWAN в общини

Стъпка 1: Проучване на РЧ мястото с ултразвукови датчици за достъп до тръби и моделиране на загубите по пътя в градска среда

Правилното извършване на RF проучване на терена е основа при настройването на LoRaWAN водомери в сложни градски среди. Използването на ултразвукови устройства върху тръбопроводи позволява на инженерите да виждат какво се случва под земята, без да копаят. Тези инструменти откриват обекти, които пречат на сигнала, като старите тръби от чугун или бетонните кутии от армиран бетон, които всички познаваме твърде добре. В същото време модели за загуба по пътя помагат да се определи колко силно се ослабват LoRaWAN сигналите, докато преминават през високи сгради и навлизат в подземни вентилационни помещения. Моделът взема предвид различните материали и особености на релефа. Когато се комбинират, тези методи показват точно къде има проблеми със силата на сигнала, особено около мазета, където губенето на пакети често надвишава 30%. Тази информация помага да се вземе решение къде да бъдат разположени шлюзовете, базирано на реални данни, а не на предположения. Градските служители спестяват пари по този начин, защото могат да отстранят потенциални проблеми с връзката, преди те да се превърнат в скъпоструващи главоболия, благодарение на подробни карти, показващи препятствия с точност до милиметър, и симулации относно ослабването на сигнала.

Часто задавани въпроси

Какви са основните предизвикателства при разгъването на LoRaWAN водомери в градски среди?

Заглушаването на сигнала е значително предизвикателство в плътни градски среди. Фактори като метални тръби и подземни инфраструктури отразяват или поглъщат RF сигнали, което създава бариери за свързване.

Как може да се оптимизира бюджетът на връзката за LoRaWAN водомери в градовете?

Оптимизирането на печела на антената, динамичното настройване на коефициента на разпръскване и калибрирането на предавателната мощност според региона са ключови стратегии за подобряване на проникването на сигнала в градски условия.

Какъв успех постигна Барселона с разгъването на своите LoRaWAN водомери?

Чрез прилагане на стратегия за разгъване, базирана на ГИС, Барселона постигна 91% успех на аплинк, благодарение на увеличена плътност на шлюзове и стратегии за адаптивна скорост на предаване на данни.

Защо мрежовите релета с поддръжка са важни за LoRaWAN мрежите?

Мрежовите реле помагат за отстраняване на загубата на сигнал във високи сгради, като действат като повторители и създават алтернативни пътища за блокирани сигнали, което намалява необходимостта от допълнителни шлюзове.

Как RF проучванията на обекта подпомагат инсталирането на LoRaWAN?

RF проучванията на обекта, използващи инструменти като ултразвукови датчици за достъп до тръби и модели за загуба на пътя в градска среда, ефективно идентифицират бариери за сигнала, което улеснява планирането и стратегическото позициониране на шлюзовете.