Kā piemērot LoRaWAN ūdens skaitītājus pilsētas ūdens tīkliem?

Pilsētas izvietošanas izaicinājumi LoRaWAN ūdens skaitītājiem

Signāla slāpēšana rada būtiskas barjeras LoRaWAN ūdens skaitītāju izvietošanai blīvās pilsētvides teritorijās. Apmaskētie objekti — tostarp pagrabi, vārstu kameras un čuguna cauruļvadu tīkli — nopietni pasliktina RF signālus. Metāla caurules atspoguļo radioviļņus, bet betons un augsne tos absorbē, radot ievērojamus savienojuma šķēršļus.

Empīriskā pakļu zaudēšana: 42–67% apakšzemes infrastruktūrā (IEEE IoT žurnāls, 2023)

Saskaņā ar lauka pētījumiem ūdens skaitītāji, kas novietoti zem zemes, vienkārši nedarbojas uzticami. Pētījums, kas publicēts IEEE IoT žurnālā 2023. gadā, atklāja, ka pilsētas apstākļos testēšanas laikā tiek zaudēti no 42 līdz 67 procenti datu, īpaši tad, ja skaitītāji atrodas betona vārstu kastēs vai ēku pagrabos tuvu komunālajām iekārtām. Šie uzticamības trūkumi nopietni traucē precīzai noplūdes noteikšanai, rada problēmas ar klientu rēķiniem un izraisa dažādus kļūdainus trauksmes signālus, jo signāli periodiski pazūd. Tāpēc mums ir nepieciešami labāki veidi, kā nodrošināt signāla pārraidi, ja šādas sistēmas ir jādarbina pareizi, neskatoties uz visām apkārtējām konstrukcijām radītajām šķērslēm.

Tehniska sakritība: LoRaWAN ūdens skaitītāju specifikāciju optimizēšana urbānos apstākļos

Savienojuma budžeta regulēšana: Antenas ieguvuma, izkaisīšanas koeficienta un raidītāja jaudas kompromisi apakšzemes izvietošanai

LoRaWAN ūdens skaitītāju optimizēšana pilsētas infrastruktūrai prasa precīzas saites budžeta korekcijas, lai pārvarētu signāla pasliktināšanos grūtos apstākļos, piemēram, pagrabos un komunālajos tuneļos. Trīs kritiski parametri prasa rūpīgu līdzsvarošanu:

• Antenas peļņa (parasti 2–5 dBi) jāpalielina, neizietot ārpus skaitītāja korpusa fiziskajiem izmēriem
• Izkliedes koeficients (SF7–SF12) jāmaina dinamiski — augstāki koeficienta rādītāji palielina darbības diapazonu, taču samazina datu pārraides ātrumu un baterijas kalpošanas laiku
• Pārraides jauda prasa reģionāli specifisku kalibrēšanu starp +14 dBm (ES) un +20 dBm (ASV), lai maksimāli uzlabotu caururbjamo spēju cauri augsnei un betonam, ievērojot regulatīvos ierobežojumus

Pētot faktiskos datus no pilsētās uzstādījumiem, noskaidrots, ka antenas ieguvuma palielināšana par 3 dB faktiski var uzlabot paketu saņemšanas biežumu par 18 līdz 22 procentiem vecajās čuguna cauruļvadu sistēmās. Savukārt, izmantojot adaptīvu izplatīšanās faktora pārslēgšanu, paketu zudumi kritiski samazinās no aptuveni 67% līdz pat mazāk nekā 15% vārstu telpās. Tomēr šeit ir viena būtiska problēma, kas jāņem vērā. Pārraides jaudas palielināšana tikai par +3 dBm samazina baterijas darbības laiku aptuveni par astoņiem mēnešiem, kas ir diezgan liels trūkums visiem tiem skaitītājiem, kas darbojas no baterijām. Vairākums veiksmīgo projektu ir atraduši risinājumus šai problēmai, izmantojot prediktīvas ceļa zudumu modelēšanas tehnoloģijas. Būtībā tie iepriekš aprēķina, kuri iestatījumi darbosies vislabāk atkarībā no tā, cik dziļi ir uzstādīts elements un kādi materiāli to ieskauj. Šis pieeja ļauj nodrošināt vairāk nekā 90% veiksmīgu datu augšupielādi arī vecākās pilsētu teritorijās, kur sākotnēji nekad netika plānots bezvadu savienojums.

Pierādīta implementācija: esošo tīklu modernizēšana ar Class B LoRaWAN ūdens skaitītājiem

Barselonas gadījuma pētījums: ģeogrāfiskās informācijas sistēmas (GIS) vadīta infrastruktūras kartēšana un augsnes vadītspējas analīze

Kad runa ir par veco ūdens tīklu modernizēšanu, Barselona ieņēma vadības lomu, visā savā sistēmā ieviešot Class B LoRaWAN ūdens skaitītājus. Sākotnēji tika veikta detalizēta GIS kartēšana, kas aptvēra aptuveni 1 200 kilometrus zem zemes esošo cauruļu. Viņu digitālā dubultnieka stratēģija apvienoja informāciju par augsnes elektrovadītspēju un signālu izplatīšanos ēkās, kas palīdzēja identificēt 57 problēmas vietas, kur čuguna caurules un pagrabi vājināja signāla stiprumu. Inženieri pētīja elektromagnētiskās īpašības dažādos augsnes slāņos un atrada labākās vietas šķautņu novietošanai dzīvojamās ēkas tuvumā, bet izvairījās no vietām ar metāla izraisītu traucējumu risku. Pētījumi parādīja, ka teritorijās ar lielu māla saturu signāla darbības rādiuss samazinās gandrīz par 40%, tāpēc bija jāpielāgo frekvences atkarībā no vietējiem apstākļiem. Šis rūpīgais plānojums pirms uzstādīšanas nodrošināja pareizu skaitītāju novietojumu, pakļautību samazinot no parastajiem 67% zaudējumiem tīklos, kuros nav veikta līdzīga optimizācija.

Rezultāti: 91% augšupienes veiksmīguma līmenis, izmantojot vārtposta pārklājuma palielināšanu un adaptīvo datu saderi (ADR)

Kad Barselona ieviesa savu GIS bāzēto izvietošanas plānu ūdens skaitītājiem, tā sasniedza ievērojamus rezultātus – 91% veiksmīgu augšupielāžu visos 15 000 instalētajos LoRaWAN ierīču vienībās, kas bija gandrīz divreiz vairāk nekā testēšanas fāzē. Kas to padarīja par iespējamu? Viņi papildināja vārtus teritorijās, kur signāli saskārās ar problēmām, palielinot pārklājuma blīvumu gandrīz četrkārtīgi. Tajā pašā laikā tika ieviesti gudrie algoritmi, kas pielāgoja datu transmisijas ātrumu atkarībā no faktiskajiem signāla apstākļiem katrā konkrētajā brīdī. Sistēma palielināja pārraides stiprumu tad, kad bija daudz traucējumu, taču vienlaikus nodrošināja bateriju ilgmūžību aptuveni desmit gadus pateicoties tiem 99% efektīvajiem miega cikliem. Visi šie uzlabojumi nozīmēja mazāk atkārtotu datu nosūtīšanas mēģinājumu (par 76% mazāk) un daudz labāku noplūdes noteikšanas precizitāti līdz pat aptuveni 15 metru attālumam. Vietējās iestādes ziņoja, ka jau pirmajā norēķinu periodā pēc instalācijas pilsēta ietaupīja par 23% mazāk ūdens zudumu salīdzinājumā ar iepriekšējo periodu, pierādot, ka B klases darbības lieliski darbojas pat kritiskiem ūdens sistēmām.

Nākotnes gatava pārklājuma: hibrīdas topoloģijas uzticamiem LoRaWAN ūdens skaitītāju tīkliem

Režģa palīgdalībnieki augstceltnēs, lai pāvarētu ēku iekļūšanas zudumu

Signāla zudums caur ēkām joprojām ir liela problēma LoRaWAN ūdens skaitītājiem blīvos pilsētas apvidos. Betona sienas un tērauda konstrukcijas var ievērojami samazināt raidīšanas stiprumu par 20 līdz 40 decibelu. Tāpēc dažas uzņēmējsabiedrības uzstāda tīkla relejus tādos vietās kā liftu šahtās vai komunālo pakalpojumu vertikālkanālos. Šie releji darbojas kā atkārtotāji, izveidojot vairākas ceļa virzienus ap šķērslīm, kas bloķē tiešos signālus. Kad skaitītāji atrodas dziļi ēkās, piemēram, pagrabstāva tehniskajās telpās vai aiz biezām sienām, releju mezgli uztver to vājos signālus un nosūta tos tālāk stiprākā veidā. Šāda iekārta nozīmē, ka mums nav nepieciešams tik daudz dārgu vārtpostu, un tas aptuveni par 70% samazina zaudēto datu pakotņu skaitu augstceltnēs. Lielākā daļa uzstādītāju atrod, ka vislabāk darbojas tad, ja relejus novieto ik pēc trim līdz pieciem stāviem, ņemot vērā, kā radioviļņi faktiski izplatās dažāda tipa būvkonstrukcijās. Turklāt, tā kā tīkla sistēmas automātiski var pārvirzīt datu plūsmu, ja kāda daļa iziet no ierindas, apkopes komandām nav jāraizējas par pakalpojuma pārrāvumiem no skaitītājiem, kas atrodas grūti sasniedzamās vietās, visu to panākot, neiztērējot papildu naudu aprīkojumam.

Izpildāms izvēles rāmis municipālajiem LoRaWAN ūdens skaitītājiem

1. solis: RF vietnes apsekojums, izmantojot ultraskaņas cauruļu piekļuves sensorus un pilsētas ceļa zuduma modelēšanu

Pareiza RF vietnes apsekošana ir pamats, uzstādot LoRaWAN ūdens skaitītājus sarežģītās pilsētas vides. Izmantojot ultraskaņas ierīces uz caurulēm, inženieri var redzēt, kas notiek zem zemes, neko nerakot. Šīs ierīces atklāj objektus, kas bloķē signālus, piemēram, vecās čuguna caurules vai dzelzsbetona kastes, ar kurām mēs visi labi esam iepazinušies. Tajā pašā laikā ceļa zuduma modeļi palīdz noteikt, cik ļoti LoRaWAN signāli vājinās, pārvietojoties cauri augstām ēkām un lejup uz pazemes vārstu telpām. Modelis ņem vērā dažādus materiālus un reljefa iezīmes. Kombinējot šīs metodes, tiek precīzi parādītas problēmas ar signāla stiprumu, jo īpaši pagrabos, kur paketu zudums bieži pārsniedz 30%. Šī informācija palīdz izlemt, kur novietot vārtus, balstoties uz faktiskiem datiem, nevis minējumiem. Pilsētas darbinieki šādi ietaupa naudu, jo var novērst potenciālas savienojuma problēmas, pirms tās kļūst par dārgām galvassāpēm, pateicoties detalizētām kartēm, kas rāda šķēršļus ar milimetru precizitāti, un simulācijām par signāla vājināšanos.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kādi ir galvenie izaicinājumi, ieviešot LoRaWAN ūdens skaitītājus urbānās vidē?

Signāla vājināšanās ir nozīmīgs izaicinājums blīvās urbānās vidē. Faktori, piemēram, metāla caurules un pazemes infrastruktūra, atspoguļo vai absorbē RF signālus, radot savienojuma šķēršļus.

Kā var optimizēt saites budžetu LoRaWAN ūdens skaitītājiem pilsētās?

Antenas ieguvuma optimizēšana, izplatīšanas faktora dinamiska pielāgošana un raidīšanas jaudas kalibrēšana atbilstoši reģionam ir galvenās stratēģijas signāla izplatības uzlabošanai urbānajā vidē.

Kādus panākumus Barcelonā sasniedza ar savu LoRaWAN ūdens skaitītāju ieviešanu?

Ieviešot ģeogrāfiskās informācijas sistēmas (GIS) vadītu izvietošanas stratēģiju, Barcelonā tika sasniegts 91% augšupienes veiksmes līmenis, pateicoties palielinātai vārtu blīvumam un adaptīvo datu ātrumu stratēģijām.

Kāpēc mezgla palīgzondes ir svarīgas LoRaWAN tīkliem?

Režģa releji palīdz izvairīties no signāla zuduma augstceltnēs, darbojoties kā pastiprinātāji, radot alternatīvas ceļus bloķētiem signāliem, tādējādi samazinot nepieciešamību pēc papildu vārtiem.

Kā RF vietnes apsekojumi palīdz LoRaWAN uzstādīšanā?

RF vietnes apsekojumi, izmantojot rīkus, piemēram, ultraskaņas cauruļu piekļuves probas un urbāno ceļa zuduma modeļus, efektīvi identificē signāla barjeras, kas atvieglo vārtu stratēģisku plānošanu un novietošanu.