Суть проекта
 
Для того, чтобы мониторить несанкционированное вскрытие крышек люков, была использована IoT-сеть на протоколе LoRaWAN. На крышку люка крепится датчик, который при изменении положения крышки отправляет сигнал по радиоканалу на LoRaWAN шлюз.
 
Через Ethernet (сеть IP) сигнал от шлюза отправляется на сетевой сервер, где выделяются полезные данные и отправляются на сервер приложений. Там происходит визуализация полученных данных в удобном для пользователя формате. Благодаря ему, например, в данном проекте пользователь получал сообщения в Телеграм – информация о вскрытии люка отправлялась в чат вместе с точкой на карте.

Выбор LoRaWAN технологии для передачи данных был обусловлен основными достоинствами:

• Дальность передачи данных (до 15 км за городом, 2,5 км в городе или до 1 км в условиях плотной городской застройки).
• Малые затраты энергии: работают датчики на батарейном питании до 10 лет в зависимости от частоты передачи данных без замены или подзарядки.
• Нет необходимости лицензировать и сертифицировать работу на радиочастотах 868-868,6 МГЦ (ISM диапазон) с излучаемой мощностью до 14 дБм (25 мВт).
• Высокая проникающая способность сигнала (CHIRP модуляция), благодаря чему сигнал проходит через чугунные крышки люков.
• Высокая помехоустойчивость сигнала (благодаря CHIRP модуляции) позволяет выделять полезный сигнал ниже уровня шумов на -20 dB.

Чем пользовались

1.  Датчик открытия люка KONKA WSMS-125-EU



Специально создан для контроля открытия крышек канализационных люков. Он определяет угол наклона крышки люка и, если зафиксирован наклон больше 20 градусов, отправляет оповещение в операционный центр. Перед работой датчик активируется с помощью магнита, чтобы сохранить батарею во время транспортировки и хранения. Аккумулятор рассчитан на работу более 3 лет в зависимости от активности использования.

Основные характеристики

Диапазон частот                    EU 868MHz

Чувствительность приемника         -148 dBm

Мощность передатчика               14 dBm

Датчик                             3-хосевой акселерометр

Напряжение питания                 2.2V ~ 3.0V

Аккумулятор                        незаряжаемая литиевая батарея 2400 мАч * 2

Тип антенны                        интегрированная PIFA

Габариты                           142 x 113 x 42.5 мм

Вес                                318 г

Температура эксплуатации           -40~+60ºC

Исполнение корпуса                 IP68 (водонепроницаемый)

Тип установки                      внутренняя сторона крышки люка с помощью кронштейна на болты

При открытии люка датчик передает три пакета данных с интервалом 5 сек: люк открыт, температура воздуха (не подожгли ли канализацию), заряд батареи, G-ускорение по трем координатам. Если люк не открывался, то датчик посылает пакеты 1 раз в 10 дней 3 пакета с интервалом в 2 часа: отсутствие тревоги, температура воздуха, заряд батареи.


2. Шлюз Tektelic KONA Micro Gateway



Шлюз KONA Micro предназначен для корпоративных решений и небольших индустриальных проектов, которые требуют стабильного и беспрерывного доступа к анализируемым параметрам и сенсорам. Он оснащен 3G/4G модемом, а встроенный аккумулятор обеспечивает прием-передачу данных и стабильную работу устройства в течении 4 часов при отсутствии штатного электропитания.

Технические параметры:

Мощность передатчика	     до 14 dBm

Чувствительность приемника	 -139,5 dBm (SF=12; bit rate=293 bitts/s)

Поддержка 8 каналов, и каждый канал может получать данные одновременно.

3G/4G интерфейс	

Конструктивная антенна

3. Сетевой сервер

На сервере компании DEPS был развернут бесплатный ChirpStack. Для его использования не требуется разрешение.


4. Сервер приложений

Использовалась платформа Thingsboard, через нее была настроена функция отправки сообщений от датчика в Телеграм-чат пользователю.




Как испытывали
 
Испытания проводились за городом, возле одной из оживленных трасс.

В связи с тем, что датчик крепится на люк с помощью болтовых соединений, было принято решение проводить испытания на канализационном колодце, у которого нет основного чугунного люка, а только стальной «подлючник».

LoRaWAN шлюз, датчик и люк готовы к монтажу


Датчик после монтажа


Так как шлюз имеет встроенный беспроводной 3G/4G модем и встроенный аккумулятор, для испытаний достаточно установить датчик на одном люке и только перемещать LoRaWAN шлюз. На разном расстоянии от люка тестируются параметры сигнала (RSSI, SNR, SF, частота) и время получение сообщения об открытии люка в Телеграме.



Координаты люка:
N 50°27’10.116″
E 30°19’18.617″

1. Расстояние 20 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр

Параметры сигнала     RSSI, dBm     SNR     SF     Частота, MHz     Время получ. cообщения, c

Тест 1                -80           9,5     7      868,500          3

Тест 2                -59           9,8     7      868,100          5

Тест 3                -78           9,8     7      868,500          9,2

Первый этап испытаний показал очень хорошие параметры сигнала.


2. Расстояние 130 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр

Параметры сигнала    RSSI, dBm    SNR    SF    Частота, MHz    Время получ. cообщения, c

Тест 1               -88          8,5    7     868,500         5

Тест 2               -83          0      7     868,300         5,3

Тест 3               -91          7,2    7     868,100         5

Второй этап также показал очень хорошие параметры сигнала.


3. Расстояние 230 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр

Параметры сигнала    RSSI, dBm    SNR          SF    Частота, MHz    Время получ. cообщения, c

Тест 1               -97/-99      -2,5/-1,2    7     868,1/868,5     45

Тест 2               -93/-96      1,2/0,2      7     868,1/868,3     9

Тест 3               -97          -3,8         7     868,300         60

Третий этап показал снижение уровня получаемых сигналов и ухудшение соотношения сигнал/шум.


4. Расстояние 330 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр

Параметры сигнала    RSSI, dBm    SNR        SF    Частота, MHz    Время получ. cообщения, c

Тест 1               -99/-94      -8,8/-1    7     868,3/868,5     5,5

Тест 2               -97          -0,2       7     868,300         5,3

Четвертый этап показал такие же параметры сигналов, как и на расстоянии в 230 м.


5. Расстояние 420 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр

Параметры сигнала    RSSI, dBm    SNR         SF    Частота, MHz    Время получ. cообщения, c

Тест 1               -96          -5          7     868,300         17,5

Тест 2               -94/-94      -0,5/2,5    7     868,100         6

Пятый этап показал такие же параметры сигналов, как и на расстоянии 230 м.


6. Расстояние 500 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр

Параметры сигнала    RSSI, dBm    SNR     SF    Частота, MHz    Время получ. cообщения, c

Тест 1               -103         -6,5    7     868,300         9

Тест 2               -104         -4,5    8     868,500         26

Шестой этап показал ухудшение параметров сигнала, но уведомления поступали о всех открытиях люка без потерь. На расстоянии 500 м успешно проходит запрос от датчика на подключение в сеть, при этом увеличивается параметр SF с 7 до 8.


7. Расстояние 550 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр
Сигнал не прошел. Принято решение вернуться на отметку 500 метров и повторить испытания.


8. Расстояние 500 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр

Параметры сигнала    RSSI, dBm    SNR     SF    Частота, MHz    Время получ. cообщения, c

Тест 1               -100         -6,2    7     868,500         9

Пакеты проходят уверенно, без потерь. Принято решение еще раз увеличить расстояние на 50 метров и повторить испытания.


9. Расстояние 550 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр

Параметры сигнала    RSSI, dBm    SNR        SF    Частота, MHz    Время получ. cообщения, c

Тест 1               -103/-100    -1,2/-4    7     868,5/868,3     9

Тест 2               -102         -5,5       8     868,100         60

На этот раз пакеты ходили уверенно, без потерь, хотя параметры сигнала были ухудшенными.


10. Расстояние 600 м

Высота базовой станции над уровнем земли 1 метр
Пакеты данных не прошли.


Какие выводы сделали

1. Беспроводная технология передачи данных LoRaWAN может быть использована как локальная система охраны коммуникационных колодцев. Вполне можно рассчитывать на эту систему оповещения о вскрытии крышек люков, так как сигнал от датчиков проходит уверенно, а получение сообщений в Телеграм составляет несколько секунд.
2. Максимальная дальность шлюза от датчика для получения сигнала — 550 метров. Это хороший показатель для шлюза даного типа, который был установлен на высоте 1 м. Для увеличения дальности передачи мы рекомендуем использовать шлюз для outdoor применения (например, Wirnet iStation) и поднять над уровнем земли на несколько метров.
3. При поднятии шлюза на высоту 5-10 метров — дальность увеличится, но в реальных условиях необходимо учитывать городскую застройку и влияние помех от мобильных операторов (особенно CDMA).
4. На время получения пакета расстояние между шлюзом и датчиком не влияет. Влияет только качество услуг мобильного оператора, ведь от шлюза до сервера данные уже переходят по сети IP. Если есть необходимость построить критически важную систему оповещения, где задержки в секунды играют большую роль — лучше осуществлять передачу данных по Ethernet.