Применение беспроводных систем управления и мониторинга является актуальной тенденцией для многих отраслей. В том числе такие системы активно внедряются в уличное освещение. Новый импульс переходу на беспроводные технологии для данного применения дало появление новой технологии LoRa. И хотя она разрабатывалась для решения более широкого круга задач, в итоге именно освещение стало тем приложением, для которого преимущества технологии раскрылись наиболее полно.
Традиционный подход к управлению уличным освещением подразумевает включение и выключение группы светильников, параллельно подключенных к одной линии электропитания. На группу светильников устанавливается шкаф управления освещением, в котором находится так называемый астрономический таймер. Этот таймер по заложенной в него программе подает управляющие сигналы на включение и выключение питания группы светильников, в зависимости от времени захода и восхода солнца на данную дату в данной местности. Сигналы с таймера подаются на мощное электромеханическое реле, непосредственно исполняющее команды, включая и выключая подачу питания. Периодически шкаф открывается специалистами, осуществляющими обслуживание системы освещения, они проверяют работоспособность реле, коммутирующего питание светильников и, при необходимости, точно настраивают время, отсчитываемое астрономическим таймером.
LoRa относится к семейству технологий беспроводной связи под общим названием LPWAN (англ. Low Power Wireless Access Network — маломощные беспроводные сети). В это семейство входят протоколы, отличающиеся низким уровнем энергопотребления оборудования связи.
Недостатки такой системы вполне очевидны: необходимость регулярного обслуживания оборудования, единственным способом отслеживания сбоев в промежутках между проверками являются жалобы жителей населенного пункта, сложности при добавлении в светильник дополнительных функций. Тем не менее дешевизна и автономность такой системы в пределах группы светильников (т. е. нужно подводить к шкафу управления только провода питания, но не провода связи) привела к тому, что именно такой подход сейчас повсеместно используется.
Известен и другой подход к управлению уличным освещением, когда сигналы на включение и выключение подаются на шкафы управления централизованно, с единого пульта, стоящего в диспетчерской. Для этого к каждому шкафу проложен кабель связи. В результате нет необходимости в обслуживании астрономических таймеров в отдельных шкафах. К тому же по кабелю связи можно получать данные мониторинга состояния оборудования в шкафу. Такой подход применяется на территориях, где высокая плотность населения (например, часть Москвы, находящаяся в пределах МКАД), а также на федеральных трассах. В остальных случаях прокладка кабеля связи является затратным мероприятием, не окупающим потенциальную выгоду.
Зачем нужны беспроводные технологии?
В том случае, если применяется передача данных без проводов, становится рентабельной реализация централизованного управления всеми уличными светильниками, по крайней мере, в пределах населенного пункта, вне зависимости от плотности населения и статуса проходящих через него трасс. В простейшем случае мониторинг сводится к контролю наличия напряжения на проводах, по которым питание подается на группу светильников. Наличие напряжения в моменты времени, когда светильники должны работать, и отсутствие их в моменты, когда они должны быть выключены, свидетельствует о правильности работы реле. Поскольку реле является электромеханическим устройством, его неисправность является одной из наиболее распространенных причин, почему ночью не включается освещение на некоторых улицах.
Современные опоры уличного освещения выполняют множество функций. Например, на них, помимо светильников, устанавливают камеры видеонаблюдения и датчики экологического состояния окружающей среды. Планируется устанавливать на таких столбах еще и станции зарядки.
Традиционный подход требует подводить отдельное электропитание к дополнительному оборудованию, установленному на опорах освещения, поскольку питание светильника днем отключается. Для того, чтобы к опоре подходила только одна линия электропитания, необходимо обеспечить размещение реле коммутации рядом со светильником. Подводить кабель связи, через который бы подавались сигналы управления, к каждому светильнику, невыгодно, проще завести еще один кабель электропитания для дополнительного оборудования. Но беспроводное управление позволяет решить данную проблему и подводить к опоре только один кабель электропитания, круглосуточно находящийся под напряжением.
Светодиодные светильники можно без проблем диммировать в широких пределах, добиваясь тем самым снижения энергопотребления и уменьшения световой нагрузки на окружающую среду. На улицах, где в данный момент интенсивность движения транспорта низкая, уровень освещенности можно уменьшить, а где высокая — следует повысить. Для этого нужно подавать управляющие сигналы на каждый светильник. И, опять-таки, именно беспроводные технологии позволяют сделать такой подход экономически выгодным.
Используемые технологии связи
Управление уличным освещением без прокладки дополнительных кабелей связи применяется уже сейчас, в том числе и в России. Правда, пока в ограниченных масштабах. Перечислим основные технологии, применяемые для этого.
- Сети мобильной связи EDGE/3G/4G
Данный метод отличается простотой реализации, так как на рынке присутствует большое количество основанных на нем управляющих устройств. Эти устройства очень просты в установке и обслуживании, хотя стоят недешево, при этом их возможности явно избыточны для решаемых задач. К тому же нужно оплачивать услуги оператора мобильной связи. Поэтому оборудование EDGE/3G/4G на практике устанавливают только в шкафах управления группами светильников. К тому же сети мобильной связи подвержены перегрузкам.
Например, рассмотрим такую распространенную ситуацию. На автотрассе произошла авария, в многокилометровой пробке встали сотни машин. Водители одновременно начинают звонить тем, с кем планируют встретиться, что задерживаются, в результате сеть мобильной связи «ложится». При наступлении темноты освещение на трассе вовремя не включается, что усугубляет и так непростую ситуацию.
- ZigBee
Протокол беспроводной связи, специально предназначенный для управления и мониторинга применительно к разнообразному оборудованию, в том числе и светильникам. Платить оператору связи за услуги не надо, так что оборудование ZigBee можно разместить на каждом светильнике. Важная особенность ZigBee — использование топологии mesh-сети, при которой каждый модуль беспроводной связи является не только приемником и передатчиком, но еще и ретранслятором. Это позволяет находить обходные пути для передаваемого сигнала, что теоретически дает возможность эффективно защищаться от помех.
Данный протокол отлично подходит для сложного оборудования на производстве, но для уличных светильников его возможности избыточны. При этом стоимость оборудования относительно высокая: в стоимость каждого ZigBee-модуля включены лицензионные отчисления разработчику. Для ZigBee в большинстве стран мира, в том числе и в России, используется диапазон 2,4 ГГц, который в настоящее время перегружен (там работают Wi-Fi, Bluetooth, медицинское и промышленное оборудование). Помехи могут привести к сбоям в работе системы, даже с учетом защиты от помех, предусмотренной в протоколе. Кроме этого, в России, на момент написания статьи, использование диапазона 2,4 ГГц при связи на большие расстояния на открытых пространствах требует лицензирования.
- «Фирменные» беспроводные протоколы
Для беспроводного управления уличными светильниками существуют и протоколы, разработанные производителями оборудования. Среди них есть несколько разработок российских компаний. При покупке стартового комплекта оборудования выбор в пользу «фирменного» беспроводного протокола — абсолютно беспроигрышный вариант по соотношению цена/качество. Но потом могут возникнуть сложности с расширением функциональности системы.
- PLC (англ. Power Line Communication — связь по силовым проводам)
Для передачи информации используются провода электропитания. Технология известна уже более полувека, в конце 90-х годов она стала цифровой, в результате чего возникла новая волна интереса к ней. Проблема заключается в том, что возможность связи со светильником зависит от топологии соединения проводов. Провели реконструкцию улицы, по-иному подключили светильники — связи нет. В настоящее время вытесняется беспроводными технологиями.
Принцип работы LoRa
Для мониторинга и управления в освещении и ЖКХ не требуются большие скорости передачи данных, зато требуется низкая стоимость оборудования и возможность длительной работы от автономного источника. Например, если светильник не работает, нужно точно определить, с чем это связано — с его поломкой или с отсутствием напряжения питания. Для этого приемопередатчик должен работать и при отсутствии напряжения в сети.
Название технологии LoRa расшифровывается как Long Range, то есть, в переводе с английского, «большая дальность». Максимальное расстояние, на котором обеспечивается связь между модулями, — до 10 км в условиях городской застройки. Для беспроводных систем связи, используемых для целей управления оборудованием, это большое расстояние.
На открытом пространстве и при высоко поднятой антенне дальность связи по протоколу LoRa значительно увеличивается. Мировой рекорд был установлен в 2017 г., когда при подъеме антенны аэростатом на высоту 38 м была достигнута дальность связи 703 км.
Технология LoRa была создана в 2008 г. французской фирмой Cycleo. В 2012 г. Cycleo была куплена американской компанией Semtech. В 2015 году Semtech создала LoRa Alliance — некоммерческую организацию по продвижению технологии LoRa, в которую сейчас входят более 500 компаний, в том числе такие известные как IBM и Cisco. С этого момента началось победоносное шествие LoRa по миру.
Разработчики LoRa ограничили скорость передачи значениями, которые вполне достаточны для управления освещением, решения задач в области ЖКХ, транспорта и логистики. Теоретически максимальное значение скорости передачи, заложенное в протокол, составляет всего 50 кбит/с, на практике, чтобы LoRa-устройства не мешали другим средствам связи, его ограничивают на уровне около 5,5 кбит/с. Применение линейной частотной модуляции позволило сделать LoRa-устройства предельно дешевыми (стоимость коммуникационного модуля без источника питания начинается с 550 руб.), одновременно обеспечив хороший уровень защиты от помех.
LoRa содержит в себе протоколы двух уровней. LoRa PHY — это физический уровень ре-ализации технологии. Сетевой уровень, описывающий принцип построения сети с помощью LoRa, называется LoRaWAN.
Открытым сделан только протокол LoRaWAN. Что же касается LoRa PHY, то права на этот протокол полностью принадлежат компании Semtech. То есть оборудование LoRa может выпускать кто угодно, но только на основе чипов Semtech, алгоритмы работы которых не опубликованы.
LoRaWAN использует топологии сети типа «звезда» и «звезда звезд». В первом случае устанавливается одна базовая станция, соединенная со шлюзом LoRaWAN, и к ней напрямую бес-проводным способом подключаются конечные устройства, т. е. светильники. Во втором случае к шлюзу напрямую (по принципу «звезда») подключены базовые станции, каждая из которых беспроводным способом взаимодействует с конечными устройствами. В одной LoRaWAN-сети могут работать до 1 млн (!) устройств. Для уличного освещения даже крупного города вполне достаточно.
К недостаткам LoRa можно отнести относительно слабую защищенность от помех. Конечно, в диапазоне 868 МГц непреднамеренных помех почти нет, но если вдруг злоумышленники захотят поставить «глушилку», чтобы лишить город освещения…
Поэтому специалисты рекомендуют размещать конечные устройства в зоне видимости 2–3 базовых станций сети. В условиях наличия помех при связи с одной базовой станцией конечное устройство автоматически выбирает другую базовую станцию. Кроме этого, если местоположение базовых станций известно, можно достаточно точно определить, где находится конечное устройство по времени распространения сигнала до базовых станций. Модули GPS или ГЛОНАСС при этом не требуются.
Шлюз соединяется по каналу связи (Ethernet, мобильная связь, Wi-Fi и т. п.) с сервером LoRaWAN. В том случае, если оператор сети LoRaWAN существует отдельно от компании, ей, обслуживающей уличное освещение, предоставляя соответствующую услугу, клиент получает удаленный доступ к серверу LoRaWAN через TCP/IP-сеть.
Низкая цена LoRa-модулей и работа до 10 лет от встроенного элемента питания позволяет делать конструкцию модуля неразборной и полностью герметичной, то есть устойчивой к воздействию окружающей среды. Это очень важно именно для уличных светильников, поскольку для нормальной работы модуль беспроводной связи должен выступать из корпуса.
В России и других европейских странах LoRa работает в диапазоне 868 МГц, не столь загруженном, как 2,4 ГГц. Использование этого диапазона не требует лицензирования, однако, с 2020 года базовые станции LoRa подлежат обязательной регистрации. В Роскомнадзор было внесено предложение о том, чтобы регистрировать базовые стан-ции только российских производителей, однако на момент подготовки статьи официальная позиция Роскомнадзора по данному вопросу не была опубликована. Тем не менее если такое ограничение будет введено, существенных проблем оно не вызовет, так как базовые станции LoRa уже массово производятся российскими предприятиями, а использование в них импортных чипов не запрещено. Регистрация конечных устройств не требуется.
отвечающий требованиям стандарта ANSI C36.41
Для питания коммуникационного модуля LoRa в конечных устройствах обычно используется миниатюрная одноразовая литиевая батарея, специально разработанная для промышленных применений. Модуль способен работать от нее до 10 лет, конкретный срок зависит от частоты мониторинга состояния светильника.
Установка модуля LoRa
Выбор системы управления светильниками определяется условиями конкретного проекта. Поэтому современные уличные светильники, как правило, не имеют встроенного беспроводного модуля. Вместо него с 2015 г. в уличных светильниках с поддержкой «умных» функций устанавливается разъем для модуля управления, именуемый NEMA 7-pin. Он описан в международном стандарте ANSI C36.41, что обеспечивает совместимость модулей и светильников по всему миру. В разъем вставляется модуль управления и надежно фиксируется путем поворота. Таким образом, добавление поддержки технологии LoRa в светильник с разъемом NEMA 7-pin сводится к установке соответствующего модуля.
обеспечивающая герметичность разъема
Кстати, такие модули выпускаются и для других стандартов беспроводной связи. Также выпускаются модули с датчиками освещения, имеющие разъем NEMA 7-pin, позволяющие автономно включать и выключать светильник в зависимости от уровня естественной освещенности, беспроводная связь в них не предусмотрена.
Выводы
Технология LoRa позволяет обеспечить централизованное беспроводное управление улич-ным освещением с минимальными затратами. Благодаря ей появляется возможность расширить набор функций уличного светильника. Сети LoRaWAN могут использоваться одновременно как для уличного освещения, так и для других объектов городской инфраструктуры. Их развертывание стало первым шагом на пути к реализации концепции «умного города».
