Technologie internetu věcí v prostředí chytrého měření

Pojem technologie internetu věcí (IoT – Internet of Things) se již před nějakou dobou napevno etabloval v našich domácnostech v podobě různých systémů domácích automatizací a doplňků, které se snaží zpříjemnit náš každodenní život (inteligentní zásuvky, žárovky, LED pásky, vytápění, domácí asistenti apod.). Technologie internetu věcí se stala také nedílnou součástí koncepce Smart City a strategie Průmyslu 4.0. Díky masivnímu nasazení vzájemně spolupracujících zařízení lze provádět řadu úloh automatizovaně bez nutnosti obsluhy. Stejně jako jiná průmyslová odvětví i energetika pomalu podléhá trendům využívající vzájemnou komunikaci a technologie internetu věcí pronikají i do této oblasti. Jednou z typických aplikací je sběr dat z různých bodů distribuční sítě. V článku je představeno řešení vyvinuté na katedře telekomunikační techniky, FEL, ČVUT v Praze.

Chytré měření na dálku

Národní akční plán pro nasazení chytrých sítí NAP SG [1] počítá s rozvojem chytré komunikační infrastruktury, která umožní efektivnější a spolehlivější výrobu a distribuci energií tzv. Smart Grid (SG) [2]. S ohledem na stále větší tlak v nasazování obnovitelných zdrojů nabývají tyto aktivity čím dál tím většího významu. Nedílnou součástí inteligentní výroby a distribuce energie je její měření až na úroveň odběrného místa. Ve Smart Grid toto řeší systém pro automatizovaný sběr dat AMR (Automatic Meter Reading), resp. AMM (Automated Meter Management), též označováno souhrnně jako Smart Metering. Pro nasazení u spotřebitele je počítáno se širokým spektrem komunikačních technologií pro komunikaci po vedení i bezdrátově. Typickými zástupci technologií komunikujících po drátech je Ethernet, RS485, USB, Mbus případně PLC (Power Line Communication). V případě bezdrátových sítí se používají hlavně mobilní sítě 2G/4G a výhledově sítě 5G [3] v čele s technologií NB-IoT [4]. Nezanedbatelnou pozici v této oblasti mají lokální bezdrátové sítě v čele se standardem Wireless Mbus. Tuto problematiku obecně řeší nová Vyhláška o měření elektřiny č. 359/2020 Sb. [5]

Významným efektem popisovaných řešení je též poskytování informace o odběru energie zákazníkovi (jeho systému domácí automatizace), který na základě toho může optimalizovat své chování. Ta může být poskytnuta prostřednictvím lokálního domácího rozhraní (HAN), nebo vzdáleným odečtem skrze centrální systémy a webové služby. Převážná část elektroměrů však dnes ještě dálkovou komunikací nedisponuje a dlouho disponovat nebude. Pro tyto případy a pro různé jiné účely sledování podružných větví i jednotlivých spotřebičů lze s výhodou využít i náš senzor připojený do IoT skrze sítě LPWAN.

Využití LPWAN pro vzdálené měření a dohled

Společným rysem většiny výše uvedených technologií je nutnost aktivního napájení a jsou spíše použitelné pro distributora elektrické energie, který dokáže v měřeném místě spotřeby zajistit také napájení daného komunikačního modemu. Ten je většinou součástí samotného elektroměru. Bezdrátové varianty uvedených komunikačních protokolů typu Wireless Mbus jsou zase svým dosahem geograficky omezeny na desítky až stovky metrů.

Lze nalézt ale případ, kdy elektroměr není vybaven síťovým rozhraním nebo běžný uživatel nemá k pořizovaným datům distributora přístup. Za tímto účelem je vhodné zajistit odečet dat jiným způsobem. V rámci NAP SG se výhledově počítá s plným zpřístupněním dat, která jsou uložená v elektroměru (poskytování dat v místě spotřeby). V současné době jako jediná tento přístup povoluje společnost ČEZ, a. s., i když s určitými omezeními (lze vyčítat jen některé registry) [6].

V místě instalace elektroměru je uživatelsky problematické připojit cokoli co vyžaduje externí napájení, proto je nutné využít zařízení napájené z baterie. Tomuto požadavku nejlépe vyhovují technologie z rodiny IoT označované LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), tedy bezdrátové sítě, které jsou optimalizovány pro bateriové napájení s nízkým odběrem, s velkým dosahem signálu, ale velmi omezenou četností a množstvím přenášených informací. Těchto technologií existuje celá řada. Provozně jsou většinou situovány do bezlicenčních frekvenčních pásem ISM (433 MHz, 868 MHz nebo 2,4 GHz). V České republice jsou nejrozšířenější technologie Sigfox a LoRaWAN^® [7]. Obě technologie nabízejí podobnou službu, ale každá jiným způsobem a s jinými parametry:

– Sigfox [8] je globální komunikační síť pracující v ISM pásmu 868 MHz se šířkou kanálu 100 Hz. Síť provozuje jediný subjekt se sídlem ve Francii. V jednotlivých zemích má svá lokální zastoupení. Přístup k médiu je řešen pomocí techniky UNB (Ultra Narrow-Band) s pseudonáhodným využitím frekvencí (Pseudo-Random Frequency Hopping) a modulací DBPSK. Dosah sítě je> 3 km (teoreticky až 50 km). S ohledem na podmínky pro provoz zařízení v pásmu 868 MHz lze denně přenést až 144 zpráv o velikosti 12 B ve vzestupném směru a maximálně 4 zprávy o velikosti 8 B ve směru sestupném. Pro zajištění vyšší spolehlivosti odeslání dat je při každém vysílání zpráva odeslána 3×. Přenášená data mohou být před odesláním do sítě zašifrována pomocí nejnovějších kryptografických metod. Výrazným rysem této technologie jsou nízké provozní náklady a nízké pořizovací náklady bezdrátového rozhraní pro přístup k síti.

– LoRa^® (Long Range) je licencovaná technologie fyzické vrstvy firmy Semtech, která je uzpůsobena pro komunikaci v ISM pásmech 433 a 868 MHz se šířkou kanálu až 125 kHz. LoRa je založena na modulaci CCS (Chirp Spread Spectrum), ve které se využívá rozprostření signálu po celém vysílacím kanálu s lineární změnou frekvence. V zařízeních lze využít i jiné modulace – FSK, GFSK. Technologie je primárně určena pro přenos dat na velkou vzdálenost. V zástavbě až 5 km, mimo zástavbu až 15 km. Nad systémem LoRa je postaven otevřený komunikační protokol LoRaWAN^®. Ten umožňuje stavět veřejné isoukromé IoT sítě. Pro přenos dat lze využít až 10 kanálů s dodržením limitů definovaných regulačním orgánem dané země. Protokol definuje 3 třídy zařízení (A, B, C) lišící se spotřebou a rychlostí reakce při podnětu z aplikačního zázemí. Maximální velikost zprávy v LoRaWAN^® síti je 250 B. Podle typu modulace se může četnost odesílaných zpráv pohybovat v desítkách za hodinu. Uživatelský obsah je před odesláním do sítě povinně zašifrován a jeho dešifrování je možné až v uživatelské aplikaci. V České republice nabízejí globální pokrytí LoRaWAN^® sítí České Radiokomunikace [9] nebo otevřený celosvětový projekt The Things Network [10].

Princip integrace do komunikační sítě/internetu je u obou technologií podobný a je uveden na obr. 1. Koncové IoT zařízení komunikuje se síťovou infrastrukturou proprietárním komunikačním protokolem, který je velmi úsporný, ale není kompatibilní s TCP/ IP protokolem. Do TCP/IP protokolu je komunikace zapouzdřena až na zařízení označeném IoT brána. Samotná komunikace je ukončena v IoT zázemí, které zajišťuje obsluhu jednotlivých zařízení/senzorů a předává data uživatelským aplikacím. Přímá komunikace uživatele s IoT zařízením není možná. Vždy musí jít přes IoT komunikační infrastrukturu. Uvedené schéma je aplikovatelné i na jiné technologie než zmiňovaný Sigfox nebo LoRaWAN^®. V systémech domácí automatizace jde zejména o Zigbee, Bluetooth, IQRF a jiné. Díky provozu v bezlicenčních pásmech nelze očekávat, že budou dané technologie nabízet stejnou spolehlivost jako technologie provozované v pásmech licencovaných, ale i tak lze dosáhnout hodnoty dostupnosti vysoko nad 90 % [11]. Konkrétní hodnota závisí na kvalitě vybudované sítě a hlavě počtu bran, které obsluhují jednotlivá koncová zařízení/senzory.

Obr. 1. Principiální schéma komunikace zařízení v LPWAN síti internetu věcí

Realizace vzdálených odečtů

Na trhu existuje řada zařízení pro odečet dat z různých měřičů elektrické energie. Podmínky přístupu ke komunikačním rozhraním elektroměrů si stanovuje každá distribuční společnost individuálně [6]. Uživatel není oprávněn připojit si jakékoliv vyčítací zařízení, které není schváleno distribuční společností. K podružným elektroměrům si může uživatel připojit prakticky cokoli, pokud tím ovšem negativně neovlivní samotnou elektrickou instalaci.

U elektroměru lze data vyčítat z rozhraní S0 nebo z optického rozhraní (IR) podle normy ČSN EN 62056-21 [12]. Řada elektroměrů disponuje také komunikačními rozhraními USB, RS485 nebo Mbus, ta jsou ale pro běžného spotřebitele/uživatele obtížně přístupná. Jsou většinou umístěná za krytem opatřeným plombou. Oproti tomu impulzní rozhraní S0 a optické rozhraní je volně přístupné a lze je, i když s určitým omezením, využít pro okamžitý i periodický sběr dat. Pomocí rozhraní S0 lze získat informaci o celkové spotřebě za danou dobu. Mnohem detailnější informace lze získat z optického rozhraní, které se normálně využívá pro „ruční“ odečty pomocí IR hlavy pracovníky distributora energie. Z elektroměru lze bez nutnosti přihlášení vyčíst informace ze základních registrů, mezi které patří aktuální spotřeba v nízkém a vysokém tarifu, případně dodávka do sítě u lokálních zdrojů (typicky fotovoltaika). Aktuální konfigurace vyčítaných dat závisí na preferencích a nastavení distributora nebo výrobce daného elektroměru. Instalací vzdálených odečtových zařízení lze z uživatelského pohledu získat velmi zajímavá a užitečná data. V následujících odstavcích budou prezentovány výsledky měření různých odběrných míst pomocí odečtových zařízení En-Meter vyvinutých na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze.

Řešení En-Meter

Řešení En-Meter je postaveno na 32bitovém velmi úsporném mikroprocesoru, který je doplněn o komunikační rozhraní sítě Sigfox. En-Meter existuje v provedení s optickou hlavou (En Meter IR) schopnou komunikovat podle standardu ČSN EN 62056-21 [12] nebo bezkontaktní nízko příkonovou sondou magnetického pole s měřicím rozsahem ±2 mT a šířkou pásma 47 kHz (En-Meter M). Řešení En-Meter M je chráněno užitným vzorem [13]. Typická spotřeba obou senzorů je v době nečinnosti kolem 3 μA. Senzory jsou vybaveny baterií o kapacitě 3 Wh, která by měla být schopná senzory napájet 5 měsíců při četnosti 4 zpráv za hodinu. S četností jedné zprávy za hodinu je předpokládaná doba provozu 18 měsíců. Při jedné zprávě za den by se měl senzor dostat až na životnost pět let. Delší životnost s ohledem na předpokládané umístění ve venkovním prostředí a stárnutí baterie nelze předpokládat. Činnost senzoru je také možné parametrizovat zpětným kanálem technologie Sigfox.

Obr. 2. Typická ukázka aktivního pracovního cyklu senzoru En-Meter s měřicí a komunikační fází; spotřeba mimo uvedený průběh se pohybuje do 3 μA

Obr. 3. Průběh spotřeby elektrické energie v domě, kde je optimalizováno spínání vytápění i využití dalších spotřebičů s cílem ušetřit platby za elektrickou energii; je zde vidět minimální spotřeba ve vysokém tarifu (T1) a také hodně intervalů, kdy není indikována ani žádná spotřeba v nízkém tarifu (T2)

Získání dat o spotřebě z elektroměru

První ukázka je měření spotřeby ve dvou obdobných rodinných domech, které jsou vytápěny elektřinou. Domy jsou obývány dvěma osobami. Oba domy mají shodný odběrový tarif. První dům (obr. 3) má vytápění optimalizováno pouze na dobu aktivního nízkého tarifu. Druhý dům (obr. 5) ještě tuto optimalizaci provedenou nemá. Spotřeba v obou tarifech (T1 – vysoký = vyšší sazba ceny za kWh, T2 – nízký = nižší sazba ceny za kWh) byla snímána v 15minutových intervalech. Spotřebu snímalo zařízení En-Meter IR (obr. 4) a data byla odesílána na dohledový server pomocí technologie Sigfox, kde došlo k jejich dalšímu zpracování a vizualizaci.

Obr. 4. Ukázka typické instalace IoT sondy En-Meter IR

Zobrazené grafy jsou z doby od neděle 19. 1. 2021 do pondělí 25. 1. 2021. V zobrazeném týdnu panovaly v České republice nízké teploty pod bodem mrazu. Získaná data za delší období lze s výhodou využít pro celkovou optimalizaci spotřeby elektrické energie. Uživatel se na jejich základě může optimalizovat provoz svých spotřebičů, případně upravit své návyky.

Detekce a hlídání anomálií

Dalším příkladem využití pravidelného vyčítání spotřeby elektrické energie je nalezení anomálií ve spotřebě. Na obr. 6. je ukázka průběhu spotřeby společných prostor bytového domu, kde došlo k poruše spínače osvětlení. Světla svítila trvale, a to způsobilo zvýšení spotřeby. Na grafu je tato situace velmi dobře patrná v období mezi 31. 12. a 3. 1. Sledováním těchto anomálií lze okamžitě reagovat na zjištěné poruchy, a tak minimalizovat dobu výpadků, omezení, ztráty a tím spojené náklady.

Obr. 5. Průběh spotřeby elektrické energie v domě, kde není optimalizováno spínání vytápění s ohledem na nízký nebo vysoký tarif; z obrázku je patrné, že systém vytápění je zapnutý i v době trvání vysokého tarifu, většinou po celou dobu jeho trvání

Obr. 6. Ukázka změny spotřeby elektrické energie z důvodu poruchy spínače společného osvětlení; k poruše došlo 31. 12., spínač byl opraven 3. 1. a spotřeba se navrátila k normálnímu průběhu

Bezkontaktní měření proudu a indikace aktivity spotřebičů

Velmi zajímavou aplikací je nasazení druhé verze senzoru označeného En-Meter M pro nepřímé měření elektrického proudu pomocí sondy magnetického pole. Z velikosti procházejícího proudu vodičem lze indikovat funkčnost zařízení či odhadnout jeho okamžitý příkon. Na obr. 7 je uveden průběh spotřeby veřejného osvětlení, jehož přívod je monitorován senzorem En-Meter M, který v periodických intervalech 15 min zjišťuje hodnotu napětí indukovaného protékajícím proudem a odesílá jí pomocí sítě Sigfox na dohledový server. Pokud je senzor nasazen přímo ke svítidlu lze indikovat jeho provozní stav v době měření. V případě, že v daný čas provozu veřejného osvětlení není indikován odběr, lze usuzovat na poruchu výbojky či přerušenou pojistku (obr. 8). Pokud bychom chtěli využít tento režim, potřebujeme na každou lampu veřejného osvětlení jeden senzor.

Jestliže chceme ušetřit náklady na monitorovací systém, lze instalovat, s určitými omezeními na počet lamp ve větvi, jeden senzor na začátek napájení větve. Hodnota indukovaného napětí se zkalibruje podle protékajícího proudu a pak lze indikovat výpadek jedné či více lamp ve skupině. Podobným principem lze snímat i další spotřebiče – motory, čerpadla atd.

Obr. 7. Ukázka průběhu indukovaného napětí na jedné větvi veřejného osvětlení měřeného pomocí senzoru En-Meter M; zvlnění v době vypnutí osvětlení a také během jeho činnosti je způsobeno parazitní indukcí od dalších vodičů umístěných v okolí senzoru

Obr. 8. Ukázka instalace IoT sondy En-Meter M v rozváděči veřejného osvětlení – snímání na vstupu větve

Závěr

Článek představil jedno z možných zapojení komunikačních sítí LPWAN do procesu automatizovaného sběru dat z inteligentních měřidel. LPWAN technologie doplňuje stávající komunikační technologie a zpřístupňuje službu přenosu dat i pro běžné uživatele nebo na místa, kde je provoz stávajících technologií problematický. V článku byly představeny dvě, dnes v ČR úspěšně nasazené, technologie LoRaWAN^® a Sigfox. Na řešení En-Meter využívající síť Sigfox byly demonstrovány tři typické případy, kde lze s výhodou LPWAN technologii pro odečet dat nasadit.

Oproti konvenčním komunikačním technologiím nabízí Sigfox nebo LoRaWAN^® globální pokrytí signálem s možností dlouhodobého provozu zařízení na baterie. U Sigfox nebo LoRaWAN^® realizovaných skrze The Things Network je zde ještě výhoda v možnosti provozovat své senzory po celém světě bez nutnosti řešit roaming. Provozní náklady se tak výrazně snižují.

Kromě zmíněných technologií se začíná čím dál tím více prosazovat technologie NB-IoT (Narrow-Band IoT), která dokáže nabídnout, i když zatím s o něco větší spotřebou energie, vyšší spolehlivost a schopnost přenést násobně více dat než zmiňované technologie. NB-IoT využívá licencovaná pásma a je provozována operátory mobilních sítí. Byla spuštěna již v rámci sítí LTE (4G) a bude součástí i služeb sítí 5G. Otázkou bude jen cena pro koncové uživatele.

Každopádně je v současné době z čeho vybírat, jak na poli komunikačních technologií, tak dodavatelů senzorů i komplexních řešení IoT. Pokud se podaří uvolnit přístup k optickému rozhraní elektroměrů napříč všemi distribučními společnostmi, dokáže mít odběratel za minimální náklady komplexní přehled o své spotřebě, a to bez ohledu na stav implementace systémů AMR/AMM. Optické IR rozhraní je součástí každého elektroměru a je nejjednodušším způsobem, jak zpřístupnit uživateli data v místě spotřeby, či pomocí IoT i vzdáleně.

V případě, že nelze použít IR rozhraní či jiný způsob předání dat z elektroměru, lze bezkontaktně snímat odběr magnetickým senzorem, ovšem za cenu pouze indikativního přehledu s omezenou přesností.

Řešení En-Meter je financováno s podporou evropských strukturálních a investičních fondů v rámci Operačního programu Praha – pól růstu ČR (projekt Chytrá řešení pro Prahu – CZ.07.1.02/0.0/0.0/17_049/0000829, dílčí projekt Inteligentní a efektivní sledování odběru energie).

The concept of the Internet of Things (IoT) technology has long been firmly established in our homes in various home automation systems and accessories, which tries to make our daily lives more pleasant (smart sockets, light bulbs, LED strips, heating, home assistants). etc.). Internet of Things technology has also become an integral part of the Smart City concept and the Industry 4.0 strategy. Thanks to the massive deployment of interoperable devices, many tasks can be performed automatically without an operator‘s need. Like other industries, energy is slowly following trends that communicate with each other, and Internet of Things technologies are penetrating this area. One of the typical applications is the collection of data from various points of the distribution network. The article presents a solution developed at the Department of Telecommunication Engineering, FEE, CTU in Prague.

Doc. Ing. Jiří Vodrážka, Ph.D.

Jiří Vodrážka se narodil v Praze v roce 1966. V roce 1996 nastoupil na Katedru telekomunikační techniky FEL ČVUT v Praze, titul Ph.D. získal v roce 2001 a docentem se stal v roce 2008. Hlavní oblastí zájmu jsou komunikační systémy a sítě, speciálně jejich využití v energetice a průmyslu. Účastní se řady výzkumných a aplikačních projektů ve spolupráci s externími subjekty. V současné době působí také jako vedoucí katedry telekomunikační techniky.

Ing. Zbyněk Kocur, Ph.D.

Zbyněk se narodil v roce 1982. Titul Ing. úspěšně obhájil na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze roku 2008, titul Ph.D. získal tamtéž v roce 2014. Vyučuje předměty zabývající se komunikačními sítěmi, jejich provozem a diagnostikou. Jeho výzkumná činnost je zaměřena na simulaci, analýzu a optimalizaci přenosu dat. Je spoluautorem řady odborných článků, užitných vzorů a patentů.

---

 Citace

[1] „Národní akční plán pro chytré sítě,“ 25 leden 2021. [Online]. Available: https://www.mpo.cz/cz/energetika/strategicke-a-koncepcni-dokumenty/narodni-akcni-plan-pro-chytre-site/ default.htm
[2] L. Čepa, Z. Kocur a Z. Müller, „Migration of the IT Technologies to the Smart Grids,“ Elektronika ir Elektrotechnika, sv. 7, pp. 123-128, 2012.
[3] J. Plachý, Z. Bečvář a E. Calvanese Strinati: „Cross-layer approach enabling communication of high number of devices in 5G mobile networks,“ v 2015 IEEE 11^th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob), Abu Dhabi, Spojené arabské emiráty, 2015
[4] J. Tomlain, O. Tereň a J. Tomlain, „Communication Technologies and Data Exchange Possibilities for Smart Energy Solutions,“ v 2018 New Trends in Signal Processing (NTSP), Demänovská dolina, Slovensko, 2018.
[5] „Vyhláška o měření elektřiny 359/2020 Sb.,“ 27 leden 2021. [Online]. Available: https://www. psp.cz/sqw/sbirka.sqw?cz=359&r=2020.
[6] „Připojovacími podmínkami pro odběry na hladině nn,“ 25 leden 2021. [Online]. Available: https://www.cezdistribuce.cz/cs/pro-zakazniky/ potrebuji-vyresit/elektromery-a-odecty/komunikacni-rozhrani.
[7] „LoRaWAN aliance,“ 25 leden 2021. [Online]. Available: https://lora-alliance.org/about-lorawan/.
[8] „Sigfox,“ 25 leden 2021. [Online]. Available: https://sigfox.cz/cs.
[9] „ČRa Internet věcí,“ 26 leden 2021. [Online]. Available: https://www.cra.cz/cra-iot-internet-veci.
[10] „The Things Network,“ 26 leden 2021. [Online]. Available: https://www.thethingsnetwork. org.
[11] T. Adame, A. Bel a B. Bellalta, „Increasing LPWAN Scalability by Means of Concurrent Multiband IoT Technologies: An Industry 4.0 Use Case,“ IEEE Access, sv. 7, pp. 46990- 47010, 2019.
[12] „Technická norma ČSN EN 62056-21 (356131),“ 25 1 2021. [Online]. Available: http://www.technicke-normy-csn.cz/356131-csn-en-62056-21_4_69652.html.
[13] „Zařízení k dálkovému bezkontaktnímu monitorování aktivity elektrických spotřebičů“. Česká republika Patent 34434, 18 srpen 2020