Умные датчики умного города Как делают беспроводные счетчики воды и электричества

Каждый месяц жители России совершают обязательное паломничество к счетчику, чтобы записать его показания и передать в Мосэнергосбыт или другую компанию. Там эти цифры суммируют, после чего хватаются за голову: несовпадение между отчетными и фактическими тратами энергии иногда доходит до 40-60 %. Недостача, как правило, отправляется в убыток. «Данные могут расходиться не только из-за банального воровства, но и из-за разнобоя во времени. Допустим, потребитель записал показания 20-го числа и отправил 21-го, его сосед — ​25-го, а сама компания фиксирует свои расходы на 29-е, — ​объясняет Андрей Бакуменко, заместитель генерального директора компании WAVIoT. — ​В отличие от них наши умные счетчики передают данные синхронно. К тому же при установке часто обнаруживаются неучтенные или неправильные подключения. Вместе эти факторы позволяют уменьшить потери на 95–97 %, до уровня технологической погрешности».

Эталонная точность

Сборочные цеха WAVIoT разместились на юге Москвы, в гигантском «лежачем небоскребе» НИЦ электронной вычислительной техники. По собственной оценке компании, здесь производится 15–20 % умных счетчиков в России. Здесь же они и испытываются: «Нужно убедиться, что считает он правильно, в соответствии со стандартными эталонами», — ​объясняет Андрей Бакуменко. Эталоны — ​массивные металлические шкафы, выдающие ток и напряжение строго заданных характеристик, — ​подключены к каждому испытательному стенду, на которых тестируются десятки счетчиков одновременно.

Здесь, как на витрине, перемигивается лампами весь модельный ряд. Одно- и трехфазные счетчики для многоквартирных домов. Закрытые от непогоды кожухом — ​для установки в частном секторе. Такой счетчик монтируется на столб и запирается, так что у жильца нет к нему прямого физического доступа. Невозможно ничего подкрутить, повредить или подключить дополнительно. Модуль беспроводной связи передает данные полностью автоматически. «Конечно, некоторые сердятся, потеряв бесплатный источник энергии, — ​добавляет Андрей Бакуменко, — ​отсюда и стрельба».

Без абонентской платы

Умные счетчики — ​не обязательно беспроводные. Существуют технологии, в которых для передачи данных используются те же кабели, по которым подается ток. Однако в старых изношенных линиях сигнал быстро затухает и не доходит до цели. Поэтому мобильные операторы предлагают передавать показания через собственные сотовые сети. Такие решения неплохо работают в городах с заведомо хорошим покрытием: умные счетчики получают собственные SIM-карты и подключаются к ближайшей базовой станции мобильной связи.

Однако сигнал сотовой сети не всегда доступен в глубине железобетонного подъезда. А за подключение к сотовой сети приходится вносить регулярную абонентскую плату, как за пользование обычным телефоном. «Мы действуем иначе: развертываем сеть и уходим, — ​рассказывает Андрей Бакуменко. — ​Наша беспроводная сеть имеет простую „звездчатую“ топологию: все устройства соединяются с базовой станцией, а та напрямую передает данные на центральный сервер. Абонентскую плату тут даже брать не за что. Да мы к этому и не стремимся. Счетчики — ​лишь один из вариантов коммерциализации нашей технологии беспроводной связи. Самый очевидный, но далеко не единственный».

Тише едешь — дальше будешь

Идеальной и универсальной беспроводной связи не существует. Технологии, подходящие для пользования мобильным интернетом в большом городе, могут вовсе не работать в чистом поле. Wi-Fi и 5G позволяют смотреть видеопоток без задержек, но быстро сажают аккумулятор. А приборы, которым не требуется передавать большие объемы данных, зато важен экономный расход заряда и большое дальнодействие, используют сети LPWAN (Low-power Wide-area Network — ​«энергоэффективная сеть дальнего радиуса»). Умные счетчики WAVIoT используют собственную LPWAN-технологию NB-Fi.

Умные счетчики получают собственные SIM-карты и подключаются к ближайшей базовой станции мобильной связи

NB-Fi позволяет устройствам связываться с базовой станцией на расстоянии до 30 км на открытой местности и до 10 км в плотной городской застройке, легко преодолевая железобетонные конструкции. Сигнал кодируется с помощью узкополосной фазовой модуляции: единицы и нолики данных шифруются и превращаются в небольшие отклонения фазы радиоволны. NB-Fi использует свободные, нелицензируемые диапазоны частот, которые не требуют получения разрешений от государственного регулятора. Небольшие объемы пересылаемой информации позволяют подключать к одной базовой станции многие тысячи устройств. А заряда стандартной батарейки хватает на 10 и более лет автономной работы. Для счетчика это весь расчетный срок службы.

Высечено в ГОСТе

Несколько лет назад разработчики детализировали свою технологию, представив ее полное формальное описание. В 2019-м NB-Fi была утверждена Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как предварительный национальный стандарт. «„Предварительный“ — ​значит, что его действие ограничено определенным сроком апробации. В данном случае — ​до апреля 2022 года, — ​поясняет Андрей Бакуменко. — ​Но мы уже получили необходимую обратную связь, провели исследования, обновили и уточнили описания». К концу 2021 года NB-Fi может стать полноценным бессрочным ГОСТом. Это будет первая технология LPWAN- радиосвязи, стандартизированная на русском языке.

Как и положено современной цифровой технологии, ядро ее совсем миниатюрно. «5000 штук на каждой», — ​на складе WAVIoT перед нами развернули узкую бумажную ленту с катушки. На белой поверхности закреплены крошечные, около 5 мм в поперечнике, черные квадраты с логотипом. Это чипы радиомодемов WAVIoT, которые кодируют, передают и принимают беспроводной NB-Fi-сигнал. Они обеспечивают даже обратную связь: получение команд от центрального сервера, подтверждение доставки данных, синхронизацию часов, обновление. Такой набор функций поможет «поумнеть» не только счетчикам.

Больше всех надо

«Счетчики для ЖКХ — ​это лишь самое близкое применение технологии NB-Fi, — ​продолжает Андрей Бакуменко. — ​Но надо двигаться дальше. Мы хотим развивать NB-Fi, расширять ее применение. В идеале — ​чтобы ею пользовались десятки, сотни компаний, создавая собственные беспроводные устройства и сети». Впечатляющая дистанция связи, возможность одновременного соединения десятков тысяч устройств и крайне низкое энергопотребление — ​все это делает NB-Fi одним из самых привлекательных решений для интернета вещей.

Скрыть текст

Топология сети NB-Fi позволяет связывать «звездчатые» сегменты в более сложные структуры, например в древовидные

В качестве своеобразного приглашения к сотрудничеству в WAVIoT наладили выпуск комплектов разработчика (DevKit) — ​готовых печатных плат с чипом NB-Fi, антенной, микроконтроллером, разъемами питания и интерфейсов для подключения. Ищут новые применения NB-Fi и внутри самой компании. Уже сегодня некоторые устройства WAVIoT оснащены дополнительными выходами для подключения дополнительных приборов, например датчиков открытия двери. Новая функция позволит счетчику отслеживать не только расход энергии, но и каждое несанкционированное вскрытие шкафа учета, щитка в подъезде. Возможно, тогда стрельба по «слишком умным» счетчикам начнется и в городе.

Андрей Бакуменко, Заместитель генерального директора по маркетингу и коммуникациям WAVIOT

Чип NB-Fi очень удачно попал на волну импортозамещения. Спроектирован он полностью в России, вся логика и топология — ​наши. Правда, производство приходится заказывать в Сингапуре, по 40-нанометровой технологии, еще не освоенной у нас. Но такой вариант полностью удовлетворяет государственным требованиям, позволяя считать продукт отечественным. Это дает нам возможность выступать не только производителями приборов учета, но и создателями полноценной новой технологии. Мы хотим строить сети интернета вещей на базе беспроводной связи NB-Fi, а уж их задачи могут быть какими угодно — это ​вопрос лишь вашей фантазии. Но особенно большие перспективы нам видятся в области цифровизации промышленности. Здесь весьма актуальны и энергоэффектив­ность, и дешевизна, и возможность связи на больших расстояниях, часто не охваченных обычными сотовыми сетями.