Implementierung von LoRa-basierten Lösungen für Smart Metering

In diesem Artikel wird die Verwendung von LoRa-Geräten für die intelligente Messung von Versorgungsunternehmen mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch untersucht, die einen täglichen Remote-Betrieb und die Erfassung von Daten ermöglicht. .

Der Anstieg der vernetzten Technologie wirkt sich direkt auf den Smart Metering-Markt aus, da Städte und Unternehmen nach neuen Wegen suchen, um die Überwachung und Steuerung verschiedener Vorgänge zu unterstützen. Tatsächlich schätzt IHS Markit, dass 2018 weltweit über 700 Millionen Smart Meter installiert wurden und das Unternehmen prognostiziert, dass bis 2025 ein Drittel aller Zähler durch Smart Meter ersetzt werden.

In der Vergangenheit wurden Zählerüberwachungsvorgänge für Versorgungsunternehmen manuell von einem spezialisierten Techniker durchgeführt. Dieser Prozess war nicht nur zeitaufwendig, sondern auch arbeitsintensiv. Frühe Verbindungslösungen beruhten auf der Fernauslesung durch drahtlose Geräte mit kurzer Reichweite. Ein Techniker fährt normalerweise durch ein Gebiet oder eine Nachbarschaft und empfängt Messdaten aus der Ferne. Diese Methode war auf ländliche und vorstädtische Gebiete beschränkt, was die Zählerfernauslesung in dichten städtischen Umgebungen, in Innenräumen und unter der Erde extrem schwierig machte.

Angesichts der Herausforderungen haben sich viele Manager, Eigentümer und Organisationen auf eine intelligente Messlösung mit LoRa-Geräten umgestellt, da sie in der Lage ist, dichte Umgebungen zu durchdringen – sowohl über als auch unter der Erde. In diesem Artikel wird beschrieben, wie LoRa-Geräte zum Messen von Dienstprogrammen verwendet werden können, und stellt Anwendungsfälle vor, die die Geräte in Aktion zeigen.

Typische LoRa-Bereitstellung

Eine typische LoRa-Bereitstellung (siehe Abbildung 1) besteht aus vier Schlüsselelementen und dem LoRaWAN-Protokoll, einem offenen Netzwerkprotokoll, das für die Interoperabilität von Lösungen in regionalen, nationalen oder globalen Netzwerken entwickelt wurde.

Abbildung 1. Ausfall des LoRa-Netzwerks

Diese Low-Power-Wide-Area-Network-Lösung (LPWAN) beginnt bei den Endgeräten der Endknoten. Eine IoT-Lösung überträgt Daten mithilfe des LoRaWAN-Protokolls an eine LPWAN-Gateway-Anwendung, einen Hub, mit dem sich mehrere Smart Utility-Sensoren verbinden können. Die Daten werden dann an einen Netzwerkserver gesendet und zur Verarbeitung an einen Anwendungsserver oder Cloud-IoT-Dienst weitergeleitet. Anschließend werden die Daten an den Computer oder das Smartgerät des Endbenutzers übertragen.

Sicherheit für die Überwachung von drahtlosen Dienstprogrammen

Bei der drahtlosen Übertragung von Messdaten stehen Datenschutz und Sicherheit für Dienstleister an erster Stelle. Das grundlegende Authentifizierungs- und Sicherheits-Framework des LoRaWAN-Protokolls basiert auf dem AES 128-Verschlüsselungsschema, wie es in IEEE 802.15.4/2006 Annex B [IEEE802154] implementiert ist. Bei einer typischen intelligenten Bereitstellung werden separate Schlüssel für die Verschlüsselung der Benutzerdaten und die Authentifizierung/Netzwerkintegrität verwendet.

IoT-Geräte verwenden eine von zwei Methoden, um eine Verbindung zu einem LoRaWAN-Netzwerk herzustellen. Die erste Methode ist die Aktivierung durch Personalisierung (ABP) und erfordert, dass der Netzwerksitzungsschlüssel und der Anwendungssitzungsschlüssel zusammen mit einer eindeutigen 32-Bit-Geräteadresse und einer eindeutigen 24-Bit-Netzwerk-ID bereits im IoT-Gerät gespeichert sind. Die eindeutige 24-Bit-Netzwerk-ID identifiziert das spezifische LoRaWAN-Netzwerk, für das das Gerät bestimmt ist.

Abbildung 2. Beitrittsanfrage und Beitrittsnachrichtenformate akzeptieren.

Die gebräuchlichere Methode zum Verbinden von LoRa-basierten Geräten ist die Over-the-Air-Aktivierung (OOTA). Damit dies funktioniert, sendet jedes IoT-Gerät eine Join-Request-Nachricht an den Netzwerkserver, der diese Nachricht dann an einen Join-Server weiterleitet. Der MAC-Befehl für die Join-Anforderung sendet auch eine eindeutige AppEUI, die den Anwendungsserver identifiziert, mit dem sich dieser bestimmte Endknoten verbinden möchte.

Schauen wir uns nun einige Anwendungsfälle für intelligente Dienstprogramme an.

Intelligentes Wassermanagement

Viele Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, nachhaltigere und umweltbewusstere Praktiken zu integrieren. Dazu gehört auch das in Washington ansässige Unternehmen Apana, das eine Chance sah, das „Sicherheitssystem für den Wasserverbrauch“ zu werden. Die Wassermanagementlösung von Apana bietet Unternehmen die notwendigen Erkenntnisse, um ihren gesamten Wasserfußabdruck zu reduzieren, indem Prozessdrift, mechanische Fehlfunktionen und Fehlerstellen identifiziert werden, an denen Wasserlecks auftritt, aber nicht häufig beobachtet werden.

Abbildung 3. Eine Momentaufnahme von Apanas Erfolgen.

Costco Wholesale setzte die Wassermanagementlösung von Apana ein und konnte schnell erkennen, wie Firmengebäude Wasser verbrauchen und die Ursache für ungewöhnliche Spitzen, die auf verschwenderische Betriebspraktiken oder fehlerhafte Geräte zurückzuführen sind. Als Ergebnis konnte Costco seinen Wasserverbrauch um 20 Prozent reduzieren, was zu einer Einsparung von etwa 22 Prozent bei seinen Wasserrechnungen führte.

Frankreichs Weg zu drei Millionen vernetzten Geräten

Ein weiteres Unternehmen, das sich mit intelligenter Wassermessung beschäftigt, ist Birdz, eine Tochtergesellschaft von Nova Veolia und ein weltweit führender Anbieter von optimiertem Ressourcenmanagement. Im Jahr 2015 hat die Stadt Lyon, Frankreich, das LoRa-basierte Wassermanagementsystem von Birdz eingeführt, das aus über 400.000 LoRa-basierten Geräten besteht.

Seit dem Einsatz der Technologie hat die Stadt über 1.200 Wasserlecks repariert und die Effizienz des Wassernetzes um 8 Prozent gesteigert. Die Stadt spart durch den Übergang von traditioneller Messung zu Smart Metering jährlich durchschnittlich eine Million Kubikmeter ein.

Abbildung 4. Der Infrastrukturansatz für intelligente Versorgungsunternehmen.

Birdz ist derzeit auf dem besten Weg, seine Aktivitäten in Frankreich auszuweiten und um weitere drei Millionen intelligente Utility-Sensoren im ganzen Land zu erweitern. Das Hauptziel besteht darin, innerhalb des nächsten Jahrzehnts bei über 70 Prozent der Wasserzähler eine Fernauslesung mit großer Reichweite zu erreichen.

LoRa-basierte Sensoren bieten Skalierbarkeit

Die Skalierbarkeit und Interoperabilität von LoRa-basierten Sensoren wird eine zentrale Rolle beim weiteren Übergang von traditionellen Methoden des Betriebsmanagements zu intelligenten intelligenten Lösungen im vernetzten Zeitalter spielen.

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