Сети без проводов

Успехи в области полупроводниковой электроники, позволяющие интегрировать на одном кристалле большое количество разнообразных устройств (в том числе возможность интеграции аналоговых и цифровых схем), достижения в технологии производства интегральных схем (снижение стоимости производства) способствуют проникновению в повседневную жизнь различных электронных устройств и систем. Часто они становятся повседневными и незаметными, однако за каждой из них стоит труд множества людей и технологии. Особенно интенсивно развитие идет в сфере встраиваемых систем и портативных устройств, использующих радиоканал - часто это те устройства, которые окружают нас в обычной жизни, работающие в условиях различных ограничений - законодательных, медицинских, вес и размер. Такие устройства относят к классу маломощных радиоустройств.

Беспроводные системы прочно вошли в нашу жизнь:

• в быту это различные мультимедийные системы, управляющие устройства, беспроводные интерфейсы, разнообразные системы мониторинга;
• в промышленности - системы сбора данных, автоматизированные и автоматические системы управления (от систем освещения, до автоматизации зданий и их комплексов);
• в транспорте - отслеживание грузов, мониторинг параметров движения и т.д.

Одним из перспективных секторов рынка в России является автоматизация в области жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), особенно в области учета потребления ресурсов. Причем остро данная проблема стоит для всех сторон, преследующих порой совершенно разные цели - это поставщики ресурсов или услуг, посредники-распределители, и, конечно, потребители. Одним требуется как можно более полный учет потребления, другим важна динамика потребления ресурсов и низкая стоимость внедрения и владения системой учета, третьи заинтересованы в прозрачности процесса формирования тарифов и начисления счетов.

Основные ресурсы, подлежащие учету - электроэнергия, вода, газ, тепло. Системы, позволяющие автоматически учитывать все эти ресурсы на определенном объекте или объектах, носят название - автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ). Безусловно, построение АСКУЭ - задача не простая, и требующая индивидуального подхода для каждого случая, к тому же требуется решение как инженерных, так и организационных задач [1].

Обычно в АСКУЭ выделяют несколько уровней:

• уровень сбора информации;
• уровень передачи информации (связующий);
• уровень сбора, анализа и хранения данных.

При этом имеем обратную зависимость между количеством отдельных устройств на каждом из уровней и потоками данных, с которыми им приходится оперировать (наибольшее количество устройств будет на уровне сбора данных, а наибольший поток данных на уровне сбора и анализа данных).

С точки зрения встраиваемых систем наиболее интересны первые два уровня. В организационном плане имеем взаимодействие между конечными потребителями (квартиросъемщики, юридические или частные лица - объекты учета (точнее ресурсы, ими потребляемые)) и одним или несколькими посредниками (товарищества собственников жилья - ТСЖ, жилищно-эксплуатационные управления - ЖЭУ, управляющие компании - субъекты учета). В инженерном плане - задачи размещения датчиков и счетчиков, организация транспортировки данных, совместной работы всех систем учета. При этом в настоящее время практикуется как поквартирный, так и подомовой учет ресурсов.

Рассмотрим взаимодействие между субъектом учета и конечными потребителями. Можно выделить несколько характерных ситуаций, наблюдаемых в населенных пунктах.

Несколько многоквартирных домов, обслуживаемых одним субъектом учета. Данный случай представляется практически идеальным, так как расположение объектов учета относительно компактное (площадь порядка нескольких гектар ~ 200х300 метров), количество объектов также относительно невелико - в районе единиц тысяч.

Отдельные микрорайоны или жилищные массивы. Ситуация чаще всего встречается в районах новостроек, когда один или несколько кварталов застраивает одно предприятие, в населенных пунктах, где это географически целесообразно (например из-за особенностей рельефа), или в случае существующих (существовавших) районо- и градообразующих предприятий. Случай характерен достаточно большой площадью территории - речь может идти о десятках квадратных километрах и очень большим количеством объектов учета - для небольшого городского микрорайона эта цифра составляет примерно 30 - 50 тысяч объектов.

Коттеджные поселки, населенные пункты сельского типа. Характерны большой занимаемой площадью - в несколько десятков квадратных километров (ситуация может быть усложнена особенностями рельефа), относительно небольшим количеством объектов учета.

В случае поквартирного учета в каждой квартире устанавливается набор счетчиков - электричество, расхода газа, расхода воды (отдельно холодная, горячая, возможно канализация), теплосчетчик - т.е. порядка четырех-пяти устройств. Для их установки необходима некая система питания, и среда передачи данных. Конечно, в случае новостроек, наличие датчиков можно предусмотреть и заложить соответствующие линии в СКС здания, но остается проблема квартир свободной планировки и популярной перепланировки квартиры жильцами уже после сдачи дома. Для уже эксплуатируемых зданий существует проблема установки счетчиков в условиях жилого интерьера. Естественно, существует определенный выбор между проводными и беспроводными способами передачи данных от отдельных счетчиков на квартирный, подъездный или домовой центральный узел.

Рассмотрим подробнее некоторые особенности организации АСКУЭ с использованием беспроводной передачи данных. Основные проблемы:

• переход на автономные источники питания - высокие требования по энергоэффективности приемопередатчиков и управляющих устройств - учитывается время работы устройств без замены источника питания;
• взаимное влияние радиоустройств - однотипные устройства, приборы сигнализации, связи, бытовая электроника - возможная интерференция сигналов, возможность работы нескольких устройств в одном частотном диапазоне, взаимное влияние частотных каналов, селективные возможности приемников;
• обеспечение надежной постоянной связи - наличие препятствий, затухание сигнала с расстоянием, многолучевое распространение - чувствительность приемника, мощность передатчика, способы модуляции сигнала;
• обеспечение информационной безопасности системы - подмена трафика, атаки на доступность, подавление сигнала - модуляция сигнала, шифрование трафика, протоколы обмена.

На данный момент более интересным для реализации беспроводного обмена данными в АСКУЭ представляется низкочастотная часть ISM диапазона, а именно частоты менее 1 ГГц. Причины этому следующие:

• в диапазоне 2,4 ГГц присутствует большое количество устройств - компьютеры и беспроводное сетевое оборудование, беспроводные наушники, гарнитуры, системы типа "умный дом";
• сигналы с частотами менее 1 ГГц меньше подвержены влиянию препятствий в виде стен, домов, деревьев;
• при равных мощностях могут обеспечить более уверенный прием данных (уменьшение частоты передачи в два раза примерно во столько же увеличивает дальность (формула Фриза)).

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к переходу на автоматизированные системы учета ресурсов. В этом заинтересованы и потребители ресурсов, и поставщики ресурсов, а также компании, занимающиеся распределением ресурсов. Наиболее часто встречающееся в повседневной жизни проявление данной тенденции - установка индивидуальных счетчиков расхода ресурсов - холодной и горячей воды, электричества, газа, тепла. Это позволяет конечному потребителю оптимизировать собственные коммунальные расходы - не секрет, что платить "по среднему", как это было лет десять назад, сейчас уже не выгодно и все чаще потребители, помимо привычных счетчиков электроэнергии устанавливают дополнительно счетчики воды, газа или тепла. Более того, при строительстве новых многоквартирных домов подобные счетчики устанавливаются на отдельные подъезды или дома в целом. В дальнейшем это позволяет управляющим компаниям формировать счета именно по потребленным данным домом ресурсам, получая возможность детально отчитываться перед поставщиками ресурсов (и, соответственно, не платить за потери ресурсов, проистекшие не по вине потребителя - утечки воды или тепла, потери электроэнергии). В общем случае счетчики потребления ресурсов можно разделить на две большие категории - счетчики электроэнергии и расходомеры - Рис. 1.1 [1].

увеличить изображение
Рис. 1.1. Примерная классификация счетчиков расхода ресурсов

Во многих случаях компании, предоставляющие коммунальные ресурсы устанавливают т.н. интеллектуальные счетчики, которые обеспечивают более низкие эксплуатационные и капитальные расходы, поддерживают новые услуги и улучшают оперативное управление. В задачи таких счетчиков ставится автоматическое считывание и хранение показаний, передача накопленных или оперативных данных, защита от несанкционированных действий. На основе анализа накопленных данных впоследствии возможно формирование тарифных планов, например с учетом распределения интенсивности потребления ресурсов в течение дня, недели, месяца, сезонные колебания. Типичная структура интеллектуального счетчика представлена на Рис. 1.2 [1-3] (на примере счетчика электроэнергии).

увеличить изображение
Рис. 1.2. Типовая структура интеллектуального счетчика электроэнергии

Одной из основных проблем при внедрении интеллектуальных счетчиков энергоресурсов является интеграция отдельных счетчиков в сеть для централизованного сбора данных. Единого решения этой задачи, видимо, не существует. Практически в каждом случае решение подбирается индивидуально. Но можно отметить следующее - для многоквартирных домов возможно построение системы сбора данных учета, использующее существующие каналы связи, например каналы Интернет провайдеров, телефонные сети, также возможна передача информации по линиям сетевого питания. Для районов индивидуальной застройки одним из возможных решения является использование для сбора данных системы сотовой связи или других беспроводных решений.

В любом из данных вариантов остается проблема сбора и передачи локальных данных, например, данных счетчиков в пределах одной квартиры, лестничной площадки или дома. Одним из примеров задачи в этой области - простой монитор потребления ресурсов, возможно с возможностью хранения истории, отображающий текущее значение нескольких счетчиков. Многие из частных потребителей должны к определенной дате сообщить показания своих счетчиков (особенно счетчиков расхода воды, потребления тепла) управляющей компании. В качестве канала передачи данных удобнее выбрать радиоканал, что позволяет не зависеть от расположения датчиков и центрального узла. При этом для не лицензируемых приложений возможна работа в т.н. ISM диапазоне частот. В нашей стране разрешена свободная работа в диапазонах 433.075 - 434.750 МГц и 868,7-869,2 МГц, 2,45 ГГц, 5,8ГГц при условии соблюдения ограничений мощности (до 10 мВт на частоте 434 МГц, до 25 мВт на частоте 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц).

Средняя площадь жилья в России составляет примерно 60-70 кв. метров (учитывались и квартиры, и частные дома) - т.е. если использовать установку счетчиков в пределах квартиры при помощи кабеля - получим около 16-20 метров кабельного канала (в идеальном случае, в реальных ситуациях речь может идти о 30-40 метрах). Средняя стоимость прокладки кабеля колеблется в районе 200 руб/метр в зависимости от конкретных условий. Т.е. исключительно на организацию канала передачи данных возможны затраты порядка 4 тысяч рублей. В этой связи использование беспроводных каналов передачи данных может оказаться предпочтительнее.

Если касаться затрат на беспроводные узлы АСКУЭ, они будут складываться из следующего:

• антенна;
• приемопередатчик;
• управляющий контроллер;
• интерфейс согласования со счетчиком (как правило, счетчики используют интерфейс 485);
• источник питания (аккумуляторная батарея).

Для уровня оптовых цен стоимость одного узла оценивается примерно в 250-400 рублей. С учетом случая одного узла на отдельный счетчик и одного счетчика на каждый из энергоресурсов для одной квартиры стоимость организации беспроводного канала на базе CC11xx оценивается в 1500-2000 рублей, что примерно в два раза лучше, чем для оптимистичного прогноза проводного решения.

Области применения можно перечислять долго. Более того, сфера применения беспроводных устройств и систем на их основе постоянно растет - как качественно (добавляются новые области), так и количественно (растет число устройств, использующих радиоканал, увеличивается плотность узлов и сетей). Это вынуждает производителей беспроводных микросхем и разработчиков систем и программного обеспечения постоянно искать новые решения проблем взаимодействия узлов и систем, совместимости сетей.

Беспроводной канал передачи данных между узлами сети представим в традиционном виде: источник/приемник данных, приемопередатчик (в ряде случаев только приемник или только передатчик), антенный усилитель (может отсутствовать или быть частью приемопередатчика), антенна и сама среда передачи.