Kako uskladiti LoRaWAN vodomernike z mestnimi vodnimi omrežji?

Izzivi pri uvedbi LoRaWAN vodomera v mestih

Slabitev signala predstavlja kritične ovire za namestitev LoRaWAN vodomera v gostih mestnih območjih. Podzemna infrastruktura – vključno s kletmi, ventilske komore in omrežja jeklenih cevi – močno poslabša RF signale. Kovinske cevi odbijajo radijske valove, beton in tla pa jih absorbirajo, kar ustvarja trdne ovire za povezljivost.

Empirična izguba paketov: 42–67 % v podzemni infrastrukturi (IEEE IoT Journal, 2023)

Vodne števce, postavljene pod zemljo, v praksi ne delujejo zanesljivo, kar potrjujejo raziskave na terenu. Študija, objavljena v reviji IEEE IoT Journal leta 2023, je ugotovila, da med testiranjem v mestnih okoljih pride do izgube od 42 do 67 odstotkov podatkov, še posebej kadar so števci nameščeni v betonskih razdelilnih omaricah ali v podstrešjih stavb blizu napajalne opreme. Te vrzeli v zanesljivosti močno ovirajo natančno zaznavanje puščanj, povzročajo težave s strankinimi računi in vodijo k številnim lažnim alarmom, ker se signali občasno izgubijo. Zato potrebujemo boljše načine upravljanja prenosa signalov, če naj bodo ti sistemi ustrezno delovali kljub oviram, ki jih povzročajo okoliške konstrukcije.

Tehnično usklajevanje: Optimizacija specifikacij LoRaWAN vodnih števcev za urbana okolja

Prilagajanje rezervnega kapitala povezave: Kompenzacija med dobičkom antene, faktorjem širjenja in oddajno močjo za namestitev v podzemlju

Optimizacija LoRaWAN vodnih števcev za mestno infrastrukturo zahteva natančne prilagoditve proračuna povezave, da se prepreči slabljenje signala v zahtevnih okoljih, kot so kleti in komunalni tuneli. Trije ključni parametri zahtevajo previdno uravnoteženje:

• Zaslugovanje antene (običajno 2–5 dBi) mora biti povečana, ne da bi presegla fizične omejitve velikosti ohišij števcev
• Faktor razširjanja (SF7–SF12) naj se dinamično prilagaja – višje vrednosti SF podaljšajo doseg, vendar zmanjšajo hitrost prenosa podatkov in življenjsko dobo baterije
• Oddajna moč zahteva regionalno kalibracijo med +14 dBm (EU) in +20 dBm (ZDA), da se čim bolj izboljša predrhljivost skozi tla in beton, hkrati pa se upoštevajo predpisi

Analiza dejanskih podatkov iz mestnih vgraditev kaže, da povečanje dobička antene za 3 dB dejansko lahko izboljša stopnjo prejema paketov med 18 in 22 odstotki znotraj starih sistemov iz litega železa. Medtem ko se pri uporabi prilagodljive spremembe razmnoževalnega dejavnika izgube paketov drastično zmanjšajo s približno 67 % na manj kot 15 % znotraj ventilske komore. Toda tu je treba opozoriti tudi na eno pomembno težavo. Povečanje oddajne moči le za +3 dBm skrajša življenjsko dobo baterije za približno osem mesecev, kar je precej pomembno za vse števce, ki delujejo na baterije. Najuspešnejši projekti so našli rešitve za to težavo s pomočjo tehnik modeliranja predvidenih izgub na poti. Vnaprej določijo najprimernejše nastavitve glede na globino vgradnje in vrsto materialov, ki jo obdajajo. Ta pristop omogoča več kot 90-odstotno uspešno pošiljanje podatkov celo v starejših mestnih območjih, kjer ni bilo nikoli predvideno brezžično povezovanje.

Preizkušena uvedba: nadgradnja starejših omrežij z vodnimi števci LoRaWAN razreda B

Primer primera Barcelone: infrastrukturno kartiranje na podlagi GIS-a in analiza prevodnosti tal

Ko gre za nadgradnjo starejših vodovodnih omrežij, je Barcelona prevzela pobudo tako, da je v celotnem sistemu uvedla vodomere LoRaWAN razreda B. Začeli so z natančnim GIS kartiranjem, ki pokriva približno 1.200 kilometrov podzemnih cevi. Njihova strategija digitalnega dvojnika je združila podatke o prevodnosti tal in prepenetraciji signalov v stavbah, kar jim je pomagalo ugotoviti 57 težavnih mest, kjer so litine in kleti škodljivo vplivali na moč signala. Inženirji so analizirali elektromagnetne lastnosti različnih slojev tal in določili najboljše lokacije za postavitev premostitev blizu stanovanjskih blokov, hkrati pa se izogibali mestom z motnjami zaradi kovinskih konstrukcij. Raziskave so pokazale, da območja z veliko glinene zemlje zmanjšajo doseg signala za skoraj 40 %, zato so morali prilagoditi frekvence glede na lokalne pogoje. Takšno skrbno načrtovanje pred namestitvijo je zagotovilo pravilno postavitev vodomerov in zmanjšalo izgubo paketov s podatki s ponavadi 67 %, ki se pojavlja v omrežjih brez takšne optimizacije.

Rezultati: uspešnost povezave navzgor 91 % prek gostejše infrastrukture prenosnika in prilagodljive hitrosti prenosa podatkov (ADR)

Ko je Barcelona uvedla načrt razporeditve vodnih števcev na podlagi GIS-ja, so dosegli izjemne rezultate – uspešnost povezav navzgor je znašala 91 % pri vseh 15.000 nameščenih napravah LoRaWAN, kar je bilo skoraj dvakrat več kot med testiranjem. Kaj je omogočilo to izjemno izboljšanje? Dodali so več premostitev v območjih z slabimi signalnimi pogoji, s čimer so gostoto pokritosti povečali skoraj štirikrat. Hkrati so uvedli pametne algoritme, ki so prilagajali delovanje podatkovnih hitrosti glede na dejanske signalne pogoje v določenem trenutku. Sistem je povečal moč oddajanja, kadar je bilo motenj veliko, a hkrati omogočil, da baterije delujejo dobro okoli deset let, kar omogočajo tudi zelo učinkoviti mirovalni cikli z učinkovitostjo 99 %. Vsi ti izboljšani pogoji so pomenili manj ponovljenih poskusov pošiljanja podatkov (za 76 % manj) ter bistveno boljšo natančnost zaznavanja puščanj, in sicer že na razdalji okoli 15 metrov. Krajevne oblasti so poročale, da je mesto že v enem obračunskem obdobju po namestitvi prihranilo 23 % manj izgube vode v primerjavi s prejšnjim obdobjem, kar dokazuje, da delovanje razreda B odlično deluje tudi za kritične vodne sisteme.

Prijpravljenost na prihodnost: Hibridne topologije za zanesljiva omrežja vodnih števcev LoRaWAN

Omrežna omogočena naprava za oddajanje signalov v visokih stanovanjskih conah za preseganje izgube signala zaradi pregrade stavb

Izguba signala skozi stavbe ostaja velik problem za LoRaWAN vodomere v gostih mestnih območjih. Betonske stene in jeklene konstrukcije lahko moč prenosa zmanjšajo za kar 20 do 40 decibelov. Zato nekatere podjetja nameščajo mrežna ponovila na lokacijah, kot so dvigala ali tehnični vodni zbiralniki. Ta ponovila delujejo kot oddajniki, ki ustvarjajo več poti okoli ovir, ki blokirajo neposredne signale. Ko so števci postavljeni globoko znotraj stavb, na primer v kletnih strojarnah ali za debelimi stenami, vozlišča ponovil sprejmejo njihove šibke signale in jih znova oddajo močnejše. To pomeni, da ni potrebno toliko dragih prehodov (gateway-jev) in se izgubljeni podatkovni paketi zmanjšajo za približno 70 % v visokih stavbah. Večina namestnikov ugotovi, da je najbolj učinkovito postaviti ponovila vsake tri do pet nadstropij, pri čemer upoštevajo dejansko obnašanje radijskih valov v različnih tipih gradenj. Poleg tega, ker mreža samodejno preusmeri promet, če pride do odpovedi enega od delov, ekipe za vzdrževanje nimajo skrbi zaradi motenj storitve zaradi števcev, ki so zaprti v težko dostopnih mestih, in to brez dodatnih stroškov za strojno opremo.

Uresničljiv okvir za izbiro namestitve vodnih števcev LoRaWAN v občinah

Korak 1: RF raziskava lokacije z uporabo ultrazvočnih sondaž za dostop do cevi in modeliranje izgube poti v urbanih območjih

Ustrezen RF pregled lokacije predstavlja osnovo pri nameščanju LoRaWAN vodnih števcev v zapletenih mestnih okoljih. Uporaba ultrazvočnih naprav na ceveh omogoča inženirjem, da vidijo, kaj se dogaja pod zemljo, ne da bi karkoli izkopali. Ta orodja zaznajo ovire za signale, kot so stari litinski cevi ali betonske komore, ki jih vse prepoznamo. Hkrati modeli izgube poti pomagajo ugotoviti, kako močno se signali LoRaWAN slabijo med potovanjem skozi visoke stavbe in navzdol v podzemne ventilske prostore. Model upošteva različne materiale in značilnosti reliefa. Kombinacija teh metod natančno pokaže, kje obstajajo težave s jakostjo signala, zlasti v kletih, kjer izguba paketov pogosto preseže 30 %. Te informacije pomagajo pri odločanju, kje namestiti premostitvene enote (gateways), na podlagi dejanskih podatkov namesto ugibanja. Delavci v mestu tako prihranijo denar, ker lahko odpravijo morebitne težave s povezavo že vnaprej, hvala podrobnim kartam, ki prikazujejo ovire z natančnostjo na milimeter, ter simulacijam slabljenja signala.

Pogosta vprašanja

Kakšne so glavne izzivi pri namestitvi vodnih števcev LoRaWAN v mestnih okoljih?

Slabitev signala je pomemben izziv v gostih mestnih okoljih. Dejavnik kot so kovinske cevi in podzemna infrastruktura odbijajo ali absorbirajo RF signale, kar ustvarja ovire pri povezavi.

Kako lahko optimiziramo bilanco povezave za vodne števce LoRaWAN v mestih?

Optimizacija dobička antene, dinamično prilagajanje razširjenega dejavnika in kalibracija oddajne moči glede na regijo sta ključni strategiji za izboljšanje preboja signala v mestnih okoljih.

Kakšen uspeh je dosegel Barcelona pri namestitvi vodnih števcev LoRaWAN?

Z uvedbo strategije namestitve, ki jo vodi GIS, je Barcelona dosegla stopnjo uspešnosti povezave gor (uplink) 91 %, kar je posledica večje gostote prenosnih postaj in prilagodljivih strategij hitrosti podatkov.

Zakaj so relaji z omrežjem pomembni za omrežja LoRaWAN?

Mrežni releji pomagajo pri izogibanju izgube signala v visokih stavbah, saj delujejo kot ponovniki in ustvarjajo alternativne poti za blokirane signale, s čimer zmanjšajo potrebo po dodatnih premostitvah.

Kako RF raziskave lokacij pomagajo pri namestitvi LoRaWAN?

RF raziskave lokacij, ki uporabljajo orodja, kot so ultrazvočni cevni detektorji in modeli izgube signalov v urbanih območjih, učinkovito določijo ovire za signale in tako olajšajo načrtovanje ter strategično postavljanje premostitev.