Technologia M2M w aplikacjach licznikowych

Rys. 1. Moduł radiowy AMB8420

Odczytując liczniki tylko raz dziennie i przeprowadzając analizę zużycia poszczególnych rejonów bądź budynków, można optymalizować działanie systemu przesyłu energii. Ponadto, dostępność do aktualnych danych umożliwia rozliczanie klienta na bieżąco, bez aproksymacji na kilka miesięcy naprzód i późniejszych korekt. Nie dziwi więc coraz większe zainteresowanie producentów liczników mediów aplikacjami M2M korzystającymi z bezprzewodowego przesyłania danych na odległość.

Decydując się na wprowadzenie odczytu bezprzewodowego, należy założyć najbardziej korzystną w danej sytuacji konfigurację: odczyt w pełni zdalny z ustalonej sieci liczników czy też odczyt typu drive-by/walk-by, w którym dane są zbierane przez osobę przejeżdżającą lub przechodzącą w pobliżu budynków, lecz bez konieczności wchodzenia na tereny prywatne.

Pierwszy system jest wykorzystywany w aplikacjach, które wymagają częstej aktualizacji zbieranych danych, natomiast drugi często jest wykorzystywany na terenach o niewielkim zaludnieniu, pozwalając na szybki odczyt wielu liczników, w czasie potrzebnym na przejazd przez małą miejscowość.

Producenci modułów radiowych, reagując na rosnące zapotrzebowanie na tego typu rozwiązania, wychodzą naprzeciw producentom liczników i proponują komponenty, których wykorzystanie pozwoli na skrócenie czasu projektowania i szybkie wprowadzenie na rynek urządzeń wykorzystujących komunikację bezprzewodową. Jak zawsze pozostaje jednak wybór technologii, z której chce się korzystać.

Rys. 2. Moduł Bluetooth BlueMod+P25

Zakładając małe zagęszczenie sieci nadajników, można zdecydować się na wykorzystanie transceiverów radiowych działających w pasmach ISM, najlepiej na częstotliwościach, których podatność na warunki atmosferyczne jest niewielka, a możliwy transfer jest wystarczający. Najczęściej stosowana częstotliwość to 868MHz.

Przykładem kompletnego modułu spełniającego wymagania do tego typu zastosowań jest AMB8420 produkowany przez niemiecką firmę Amber Wireless. Oparty jest on na dedykowanym do aplikacji licznikowych mikrokontrolerze MSP430. Obsługiwane topologie sieci to Point-to- -Point, Point-to-Multipoint oraz Peer-to-Peer.

W trybie czuwania pobiera on jedynie 6μA, a dzięki opcji WoR (Wake on Radio) można go wybudzić tylko w momencie odczytu, a więc czas jego działania z zasilania bateryjnego może wynosić wiele lat. Prąd pobierany podczas nadawania to 45mA, a podczas odbioru 21mA przy osiąganym zasięgu 300m i transferze od 1,2kbps do 250kbps. W ofercie są również dostępne moduły o większym zasięgu, lecz korzystniej, ze względu na pobór prądu i koszt, jest zastosować je jako repeatery.

ZigBee

Technologią wzbudzającą coraz większe zainteresowanie jest ZigBee. Do zalet tego standardu można zaliczyć wyjątkową energooszczędność i możliwość pracy w topologii mesh, która zdecydowanie zmniejsza awaryjność sieci poprzez możliwość autoroutingu. Głównym jednak zastosowaniem modułów ZigBee jest tworzenie rozproszonych sieci czujników bezprzewodowych (Wireless Sensor Networks - WSN), a nie aplikacje AMR. Wynika to z kilku czynników, z których głównymi są: częstotliwość oraz zasięg. Oba są ze sobą powiązane.

Rys. 3. Moduł Wireless M-Bus AMB8425-M

Moduły ZigBee pracują na częstotliwości 2,4 GHz, tłumienie propagacji fal o tej częstotliwości w przypadku zwykłej ściany wynosi 15-20dB, a w przypadku ściany zbrojonej 20-25dB, dla częstotliwości 868MHz wartości te wynoszą, odpowiednio, 9-11dB i 12-15dB. Zaletą technologii ZigBee jest szybki transfer danych, lecz nie jest on wymagany w przypadku aplikacji licznikowych.

Można jednak wykorzystać moduły ZigBee dalekiego zasięgu, co pozwoli na transmisję przy np. złych warunkach pogodowych powodujących tłumienie rzędu 90% sygnału, lecz to rozwiązanie jest okupione zwiększonym poborem prądu. Jako przykład można podać moduły AMBZ200 i AMBZ210, ponownie z oferty firmy Amber Wireless. Ich zasięg wynosi 120m i 1200m (w linii wzroku), natomiast pobór prądu podczas nadawania to, odpowiednio, 26,9mA i 139mA.

Bluetooth

Komunikacja bezprzewodowa Bluetooth również odbywa się w paśmie 2,4GHz, więc jest tak samo narażona na tłumienie jak ZigBee, ma jednak dodatkową zaletę - popularność.

Stosując moduły Bluetooth w licznikach, można do odczytu używać szerokiej gamy urządzeń dostępnych na rynku - PDA, laptopów, a nawet telefonów komórkowych. Niemiecki producent tego typu modułów - firma Stollmann - ma w swojej ofercie moduły klasy 2 (B20, P25), i klasy 1 (C11), które pozwalają na transmisję danych na odległość do 280m.

Decydując się na takie rozwiązanie, najlepiej wybrać jednak moduł ze specjalnie dobranymi profilami i stosem przeznaczonym do tego typu aplikacji, zaprojektowany z uwzględnieniem potrzeb klienta. Stosując technologię Bluetooth, należy pamiętać, że proces parowania dwóch urządzeń zajmuje kilka sekund, więc jest to idealne rozwiązanie do odczytu jedynie w kategorii walk-by.

Wireless M-Bus

Szeroko akceptowanym rozwiązaniem w Europie przy tworzeniu infrastruktury licznikowej (Advanced Metering Infrastructure - AMI) jest wykorzystanie modułów Wireless M-Bus, które są zgodne z normą EN13757-4:2005. Określa ona komunikację pomiędzy koncentratorami i licznikami wody, gazu, ogrzewania i energii elektrycznej. Standard zawiera wiele trybów pracy (S - Stationary mode, T - Frequent transmit mode oraz R - Frequent receive mode), aby sprostać wymaganiom jednokierunkowej i dwukierunkowej transmisji danych w stacjonarnych i ruchowych systemach komunikacji.

Rys. 4. Moduł GSM/GPRS SIM300DZ

Firma Amber Wireless jako jedna z pierwszych wprowadziła na rynek moduł zgodny z powyższą normą - AMB8425-M. Jest to w pełni zabudowany, ekonomiczny moduł radiowy, którego wymiary wynoszą zaledwie 27,0×16,0×3,5mm, a waga nie przekracza 2g. Pracuje on na częstotliwości 868MHz. Zintegrowany w AMB8425-M protokół w całości odpowiada za komunikację. Moduł do systemu Hosta podłącza się poprzez interfejs UART (do 115,2 kbps), który można przekonwertować w interfejs SPI (do 1Mbps).

Podczas nadawania i odbioru danych pobór prądu wynosi, odpowiednio, 36mA i 24mA, a tryb niskiego poboru (<1μA) zapewnia długi czas pracy przy zasilaniu bateryjnym. Producent proponuje również możliwość stworzenia modułu zgodnego z życzeniami klienta, z założeniem, iż oparty on będzie na MSP430 firmy Texas Instruments. Na ten mikrokontroler zostanie wgrany stos Wireless M-Bus stworzony przez Amber Wireless.

GSM

Jednym z komponentów M2M najbardziej rozpowszechnionych na rynku jest moduł GSM. Sieć GSM jest już praktycznie dostępna wszędzie, a koszty przesyłu danych drastycznie spadły. Dane z liczników można odbierać dzięki wykorzystaniu GPRS w połączeniu ze stosem TCP/IP. Wykorzystanie tego typu rozwiązania również zyskuje na popularności, przede wszystkim dzięki coraz niższym cenom modułów.

Jednym z wiodących producentów tego typu komponentów jest firma SimCom, która bardzo szybko zdobywa popularność, przede wszystkim dzięki temu, że w swojej ofercie posiada moduły dobrej jakości, które nadają się do wielkoseryjnych aplikacji wrażliwych na koszt podzespołów i montażu.

Przykładem takiego modułu jest SIM300DZ, montowany powierzchniowo, o wymiarach 33×33×3mm, doskonale spełnia swoje zadania - połączenia głosowe, przesył danych poprzez GPRS, obsługa protokołu TCP/IP.

Anteny

Rys. 5. Przykład wykorzystania technologii Wireless M-Bus i GSM

Ostatnim elementem, bardzo często bagatelizowanym, jest dobór odpowiedniej anteny. Konieczną decyzją jest nie tylko wybór, czy zostanie zastosowana antena na płytce PCB, czy zewnętrzna. Zły wybór może bardzo niekorzystnie wpływać na ostateczne działanie instalacji. Rozwiązaniem jest przekazanie ostatecznej wersji produktu dostawcy anten i takie ich dostrojenie, aby sprawność była maksymalna dla tego urządzenia.

Podsumowanie

Każda z powyższych technologii ma wady i zalety, dlatego też najlepszym rozwiązaniem jest pewnego rodzaju hybryda, która wykorzystuje co najmniej dwie z nich. Jako przykład może posłużyć połączenie technologii Wireless M-Bus i GSM.

Liczniki wody, gazu, ogrzewania i energii elektrycznej, znajdujące się w budynku wyposażonym w AMB8425-M, przesyłają dane do koncentratora - również modułu Wireless M-Bus, który połączony jest z produktem firmy SimCom, np. SIM300DZ.

Akwizycja danych jest więc podzielona na dwie części: odczyt stanów liczników wszystkich lokatorów budynku i przesłanie ich do koncentratora, a następnie wysłanie tych danych poprzez sieć GSM do centrali zarządzającej płatnościami i dystrybucją.

Mariusz Ciesielski