Суть проєкту
 
Для того, щоб фіксувати незаконне проникнення у колодязь, була побудована IoT-мережа на протоколі LoRaWAN. На кришку люка кріпиться датчик, що за зміни положення кришки відправляє сигнал по радіоканалу на LoRaWAN шлюз.
 
Через Ethernet (мережа IP) сигнал від шлюза відправляється на мережевий сервер, де розпізнаються корисні дані і передаються на сервер додатків. Там відбувається візуалізація отриманих даних у зручному для користувача форматі. Завдяки йому, наприклад, у цьому проєкті користувач отримував повідомлення в Телеграм – інформація про те, що люк відкрито, відправлялась в чат з точкою на мапі.

Вибір LoRaWAN технології для передачі даних був зумовлений основними перевагами:

• Дальність передачі даних (до 15 км за містом, 2.5 км у міському середовищі або до 1 км в умовах тісної міської забудови).
• Незначне споживання енергії: працюють датчики на батарейному живленні до 10 років без заміни чи підзарядки залежно від частоти передачі даних.
• Немає необхідності ліцензувати та сертифікувати роботу на радіочастотах 868-868,6 МГц (ISM діапазон) з потужністю випромінювання до 14 dBm (25 мВт).
• Висока проникна властивість (CHIRP модуляція), завдяки чому сигнал проходить через чугунні кришки люків.
• висока завадостійкість сигналу (шляхом CHIRP модуляції) дозволяє розпізнавати корисний сигнал нижче рівня шуму на  -20 dB.

Чим користувались в процесі

1.  Датчик відкриття люка KONKA WSMS-125-EU



Спеціально створений для контролю переміщення кришок каналізаційних люків. Він визначає кут нахилу кришки і, якщо зафіксовано нахил більше 20 градусів, відправляє сповіщення в операційний центр. Перед початком роботи датчик активується за допомогою магніту – так зберігається заряд батареї під час транспортування та зберігання. Акумулятор розрахований на роботу більше 3 років залежно від активності використання.

Основні характеристики

Діапазон частот             EU 868MHz

Чутливість приймача         -148 dBm

Потужність передавача       14 dBm

Сенсор                      3-осьовий акселерометр

Напруга живлення            2.2V ~ 3.0V

Акумулятор                  літієва батарея 2400 мАч * 2

Тип антенни                 інтегрована PIFA

Габарити                    142 x 113 x 42.5 мм

Вага                        318 г

Температура експлуатації    -40~+60ºC

Виконання корпуса           IP68 (водонепроникний)

Тип установки               внутрішня сторона кришки люка шляхом кріплення кронштейна на прогоничі

Коли люк відкривають, датчик передає три пакети даних із інтервалом у 5 секунд: люк відкритий, температура повітря (чи не підпалили каналізацію), заряд батареї, G-прискорення за трьома координатами. Якщо люк не відкривався, то датчик відсилає 3 пакета 1 раз на 10 днів з інтервалом у 2 години: тривоги немає, температури повітря, заряд батареї. Режими роботи можна налаштовувати за потребами користувача.


2. Шлюз Tektelic KONA Micro Gateway



Шлюз KONA Micro підходить для офісних установок і невеликих промислових проєктів. Він обладнаний 3G/4G модемом, а вбудований акумулятор забезпечує прийом-передачу даних та стабільну роботу пристрою протягом 4 годин за відсутності штатного електроживлення.

Технічні параметри:

Потужність передавача	 до 14 dBm

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

Підтримка 8 каналів, і кожний канал здатний отримувати дані одночасно.	 

3G/4G інтерфейс	

Конструктивна антена

3. Мережевий сервер

На сервері компанії DEPS розгорнули безкоштовний ChirpStack.

4. Сервер додатків

Використали платформу Thingsboard, через неї було налаштовано функцію відправки повідомлень від датчика в Телеграм-чат користувачу.




Як випробовували
 
Випробовування проходили за містом, вздовж однієї з набільш завантажених автодоріг.

Через те, що дачтик кріпиться на люк шляхом гвинтових з’єднань, було прийнято рішення проводити тести на каналізаційному колодязі без основного чавунного люка – тільки на тому, що має сталевий “підключник”. 

LoRaWAN шлюз та датчик, готові до установки


Датчик після монтажу


Оскільки шлюз має вбудований бездротовий 3G/4G модем і вбудований акумулятор, для випробовувань достатньо було встановити датчик на одному люці і тільки переміщати LoRaWAN шлюз. На різній відстані від люка тестувалися параметри сигналу (RSSI, SNR, SF, частота) та час одержання Телеграм-повідомлення про те, що люк було відкрито. 



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


1. Відстань 20 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр

Параметри сигналу     RSSI, dBm     SNR     SF     Частота, MHz     Час одержання повідомл, 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

Перший етап випробовування показав відмінні параметри сигналу.
 

2. Відстань 130 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр

Параметри сигналу    RSSI, dBm    SNR    SF    Частота, MHz    Час одержання повідомл, 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

Другий етап також показав непогані параметри сигналу.


3. Відстань 230 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр

Параметри сигналу    RSSI, dBm    SNR          SF    Частота, MHz    Час одержання повідомл, 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

Третій етап продемонстрував зниження рівня сигналів і погіршення відповідності сигнал/шум.


4. Відстань 330 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр

Параметри сигналу    RSSI, dBm    SNR        SF    Частота, MHz    Час одержання повідомл, 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

Четвертий етап показав такі ж параметри сигналів, як і на відстані 230 м.


5. Відстань 420 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр

Параметри сигналу    RSSI, dBm    SNR         SF    Частота, MHz    Час одержання повідомл, c

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

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

П’ятий етап показав такі ж параметри сигналів, як і на відстані 230 м.


6. Відстань 500 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр

Параметри сигналу    RSSI, dBm    SNR     SF    Частота, MHz    Час одержання повідомл, c

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

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

Шостий етап продемонстрував погіршення параметрів сигналу, але сповіщення про всі зміщення люка проходили без втрат. На відстані 500 м успішно проходить запит від датчика на підключення в мережу, при цьому збільшується параметр SF с 7 до 8.


7. Відстань 550 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр
Сигнал не пройшов. Було прийнято рішення повернутися на відмітку 500 метрі і повторити випробовування.


8. Відстань 500 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр

Параметри сигналу    RSSI, dBm    SNR     SF    Частота, MHz    Час одержання повідомл, c

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

Пакети проходили впевнено, без втрат. Прийнято рішення ще раз збільшити відстань на 50 метрів і повторити випробовування.


9. Відстань 550 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр

Параметри сигналу    RSSI, dBm    SNR        SF    Частота, MHz    Час одержання повідомл, c

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

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

На цей раз пакети проходили без втрат, хоча параметри сигналу були гірші.


10. Відстань 600 м

Висота базової станції над рівнем землі становила 1 метр
Пакети даних не пройшли.


До яких висновків прийшли

1. Бездротова технологія передачі даних LoRaWAN може бути встановлена як локальна система охорони комунікаційних колодязів. Можна цілком розраховувати на цю систему для сповіщень про відкриття люку, бо сигнал від датчиків проходить впевнено, а одержання повідомлень в Телеграм займає декілька секунд.
2. Максимальна відстань шлюза від датчика для отримання сигналу – 550 метрів. Це непоганий показник для шлюзу даного типу, що був встановлений на висоті 1 м. Для збільшення дальности передачі ми рекомендуємо використовувати шлюз для зовнішніх установок (наприклад, Wirnet iStation) і підняти над рівнем землі на декілька десятків метрів. 
3. Якщо підняти шлюз на 5-10 метрів — дальність передачі даних збільшиться, але в реальних умовах необхідно враховувати щільність забудови та вплив завад від мобільних операторів (особливо CDMA).
4. На час одержання пакета відстань між шлюзом та датчиком не впливає. Впливає лише якість послуг мобільного оператора, бо від шлюза до сервера дані вже переходять по мережі IP. Якщо є необхідність побудувати критично важливу систему сповіщення, де затримки на секунди грають велику роль – краще здійснювати передачу даних по Ethernet.