Implementatie van LoRa-gebaseerde oplossingen voor slimme meters

Dit artikel onderzoekt het gebruik van LoRa-apparaten voor slimme meting van nutsvoorzieningen over lange afstanden met een laag vermogen, waardoor dagelijkse bewerkingen op afstand en het verzamelen van gegevens mogelijk zijn .

De opkomst van geconnecteerde technologie heeft een directe impact op de markt voor slimme meters, aangezien steden en bedrijven nieuwe manieren zoeken om te helpen bij het bewaken en besturen van verschillende activiteiten. IHS Markit schatte zelfs dat in 2018 meer dan 700 miljoen slimme meters over de hele wereld werden geïnstalleerd en de vaste plannen dat tegen 2025 een derde van alle meters zal worden vervangen door slimme meters.

In het verleden werden meterbewakingswerkzaamheden voor nutsbedrijven handmatig uitgevoerd door een gespecialiseerde technicus. Dit proces was niet alleen tijdrovend, maar ook arbeidsintensief. Vroege verbindingsoplossingen waren gebaseerd op lezen op afstand via draadloze apparaten met een kort bereik. Een technicus rijdt meestal langs een gebied of buurt en ontvangt op afstand meetgegevens. Deze methode was beperkt tot landelijke en voorstedelijke gebieden, waardoor het op afstand lezen van meters extreem moeilijk was in dichtbevolkte stedelijke omgevingen, binnen en onder de grond.

Gezien de uitdagingen zijn veel managers, eigenaren en organisaties overgestapt op een slimme meteroplossing die bestaat uit LoRa-apparaten, omdat deze de mogelijkheid heeft om dichte omgevingen binnen te dringen - zowel boven als onder de grond. Dit artikel behandelt hoe LoRa-apparaten kunnen worden gebruikt om nutsvoorzieningen te meten en presenteert gebruiksscenario's die de apparaten in actie laten zien.

Typische LoRa-implementatie

Een typische LoRa-implementatie (zie afbeelding 1) bestaat uit vier hoofdelementen en het LoRaWAN-protocol, een open netwerkprotocol dat is ontworpen voor interoperabiliteit van oplossingen in regionale, nationale of wereldwijde netwerken.

Figuur 1. LoRa-netwerkstoring

Deze low-power wide area network (LPWAN)-oplossing begint met de end-node-apparaten. Een IoT-oplossing verzendt gegevens met behulp van het LoRaWAN-protocol naar een LPWAN-gatewaytoepassing, een hub waarop meerdere slimme nutssensoren verbinding kunnen maken. De gegevens worden vervolgens naar een netwerkserver gestuurd en naar een applicatieserver of cloud IoT-service gerouteerd voor verwerking. Daarna worden de gegevens verzonden naar de computer of het smart device van de eindgebruiker.

Beveiliging voor bewaking van draadloze hulpprogramma's

Bij de draadloze overdracht van meetgegevens zijn privacy en veiligheid topprioriteiten voor serviceproviders. Het basisverificatie- en beveiligingskader van het LoRaWAN-protocol is gebaseerd op het AES 128-coderingsschema zoals geïmplementeerd door IEEE 802.15.4/2006 bijlage B [IEEE802154]. In een typische slimme implementatie worden afzonderlijke sleutels gebruikt voor codering van gebruikersgegevens en authenticatie/netwerkintegriteit.

IoT-apparaten gebruiken een van de twee methoden om verbinding te maken met een LoRaWAN-netwerk. De eerste methode is activering door personalisatie (ABP) en vereist dat de netwerksessiesleutel en de applicatiesessiesleutel al zijn opgeslagen in het IoT-apparaat, samen met een uniek 32-bits apparaatadres en een unieke 24-bits netwerk-ID. De unieke 24-bit netwerk-ID identificeert het specifieke LoRaWAN-netwerk waarvoor het apparaat is bedoeld.

Figuur 2. Deelnameverzoek en deelname accepteren berichtformaten.

De meest gebruikelijke methode om op LoRa gebaseerde apparaten aan te sluiten, is via over-the-air-activering (OOTA). Om dit te laten werken, stuurt elk IoT-apparaat een bericht met een verzoek tot deelname aan de netwerkserver, die dit bericht vervolgens doorstuurt naar een join-server. De MAC-opdracht voor het join-verzoek stuurt ook een unieke AppEUI die de applicatieserver identificeert waarmee dit specifieke eindknooppunt verbinding wil maken.

Laten we nu eens kijken naar een paar slimme toepassingen van hulpprogramma's.

Slim waterbeheer

Veel bedrijven zijn op zoek naar manieren om duurzamere en milieubewustere praktijken toe te passen. Dit omvat het in Washington gevestigde Apana, een bedrijf dat een kans zag om het 'beveiligingssysteem voor waterverbruik' te worden. Apana's waterbeheeroplossing biedt bedrijven de inzichten die nodig zijn om hun totale watervoetafdruk te verkleinen door de identificatie van procesdrift, mechanische storingen en storingspunten waar waterlekkage optreedt, maar niet vaak wordt gezien.

Figuur 3. Een momentopname van Apana's prestaties.

Costco Wholesale implementeerde Apana's waterbeheeroplossing en kon snel identificeren hoe bedrijfsgebouwen water gebruikten en wat de oorzaak was van ongebruikelijke pieken, die verband hielden met verspillende operationele praktijken of defecte apparatuur. Als gevolg hiervan kon Costco zijn waterverbruik met 20 procent verminderen, wat leidde tot een besparing van ongeveer 22 procent op de waterrekening.

Frankrijk op weg naar drie miljoen aangesloten apparaten

Een ander bedrijf dat naar slimme watermeting kijkt, is Birdz, een dochteronderneming van Nova Veolia en een wereldleider in geoptimaliseerd beheer van hulpbronnen. In 2015 heeft de stad Lyon, Frankrijk het op LoRa gebaseerde waterbeheersysteem van Birdz geïmplementeerd, dat bestaat uit meer dan 400.000 op LoRa gebaseerde apparaten.

Sinds de toepassing van de technologie heeft de stad meer dan 1.200 waterlekken gerepareerd en is de efficiëntie van het waternetwerk met 8 procent toegenomen. De stad bespaart jaarlijks gemiddeld een miljoen kubieke meter door de overstap van traditioneel meten naar slim meten.

Figuur 4. De infrastructuurbenadering van slimme nutsvoorzieningen.

Birdz ligt momenteel op schema om zijn activiteiten in Frankrijk uit te breiden en door het hele land nog eens drie miljoen intelligente nutssensoren toe te voegen. Het belangrijkste doel is om in de komende tien jaar uiteindelijk in meer dan 70 procent van de watermeters op afstand te kunnen uitlezen.

LoRa-gebaseerde sensoren bieden schaalbaarheid

De schaalbaarheid en interoperabiliteit van op LoRa gebaseerde sensoren zullen een cruciale rol spelen in de voortdurende overgang van traditionele methoden van operationeel beheer naar intelligente slimme oplossingen in het verbonden tijdperk.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.